毋光榮 余 凱 何效周 姜文龍

（黃河勘測規(guī)劃設(shè)計有限公司，河南鄭州 450003）

雙源面波勘探技術(shù)在工程中的應(yīng)用研究

毋光榮 余 凱 何效周 姜文龍

（黃河勘測規(guī)劃設(shè)計有限公司，河南鄭州 450003）

簡要回顧面波勘探的發(fā)展歷程及相關(guān)處理方法，著重分析了天然源與人工源面波勘探的特點，嘗試采用“L”陣型進行雙源面波勘探技術(shù)研究，解決一定深度范圍內(nèi)地層結(jié)構(gòu)波速探測問題。通過現(xiàn)場試驗，資料處理，獲取了天然源信號與人工源信號合成后的能量譜，為地質(zhì)巖性劃分，橫波波速測定提供了基礎(chǔ)資料。

面波勘探；雙源面波勘探；天然源面波；人工源面波；空間自相關(guān)法；頻率—波數(shù)法

早在20世紀(jì)50年代，國外就有人開始研究天然源面波勘探技術(shù)了，Aki和Capon分別在1957年和 1969 年采用空間自相關(guān)法（SPAC法）和頻率-波數(shù)法（F-K法），從天然場源信號中提取了面波，并求出面波頻散曲線。之后，人們開始把天然源與實際應(yīng)用聯(lián)系起來[1,2]。

1976年，LewisJ.Katz用實驗方法對天然源中的面波頻譜進行了分析，并對觀測中的臺站布置方式進行了研究，結(jié)果表明，用天然源方法評價局部場地地質(zhì)效應(yīng)是一種比較經(jīng)濟可行的方法。

1978年，Katz和Be11on利用在美國內(nèi)華達州的 Beatty采集的天然源面波數(shù)據(jù)對該地的場地效應(yīng)進行了評估，把該地場的響應(yīng)譜與天然源的功率譜進行了比較，認為利用天然源方法對場地效應(yīng)進行評估能結(jié)果可靠。

上述工作都只是利用天然源信號中的短周期面波來研究地下淺部地層的速度結(jié)構(gòu)，研究深度僅有幾十米。

1982年，HiroshiKagami等人開始利用長周期天然源信號研究深部土壤層的特性，研究區(qū)域第四紀(jì)地層深達上千米。

1991年，J.Mora1es等人研究了深達上百米的沉積盆地中的天然源特性，討論了長周期微動和盆地沉積層卓越周期之間的關(guān)系。之后的十幾年中，微動方法逐漸應(yīng)用于地下構(gòu)造的研究，探測深度也從剛開始的幾十米發(fā)展到上千米。岡田廣（Okada）在前人研究的基礎(chǔ)上，經(jīng)過十余年的研究和實踐，系統(tǒng)地提出了一種天然源物探方法——微動勘查方法。

1994年岡田廣和凌甦群在F-K法中引入自回歸模型（AR模型）算法推定相速度，從資料處理結(jié)果看，此方法比傅里葉變換提高了推定值的穩(wěn)定性，進一步完善了微動勘查法[3,4]。

雙源面波勘探是利用天然微動勘探解決深部地質(zhì)分層問題、人工源面波勘探解決淺部地質(zhì)分層問題。兩者相結(jié)合取長補短，獲取一定深度范圍內(nèi)的地質(zhì)信息，從而進行地質(zhì)巖性劃分，橫波波速測定，場地效應(yīng)評價等方面具有重要意義。

1 雙源面波勘探

面波是一種特殊的地震波，與縱波和橫波不同，是一種在地表傳播的波。面波分瑞利波與勒夫波。由于瑞利波能量最強且振幅最大，容易識別與測量，所以通常稱的面波勘探即為瑞利波勘探。雙源面波勘探是人工源面波與天然源面波相結(jié)合的一種新型勘探方法。

天然源與人工源采集地震信號存在比較大的區(qū)別，主要體現(xiàn)在原始信號上：在能量、環(huán)境等條件較理想的情況下，人工源采集到的原始信號中能很清晰的分辨出各種不同類型的地震波（如圖1所示）；而天然源采集到的原始信號則無跡可尋，雜亂無章（如圖2所示）。

1.1 天然源面波

地球表層時刻存在著的一種微弱波動，主要由自然界和人類的各種活動激發(fā)產(chǎn)生。如風(fēng)、潮汐、氣候等自然現(xiàn)象的變化和火山活動引起的地面震動，這種地面微動信號中攜帶著與地表淺層介質(zhì)有關(guān)的面波信息。

理論上來講，天然源信號可以看作是一種穩(wěn)定的隨機過程，是隨時間和位置適量而變化的一種自然現(xiàn)象，某一時間段的微動記錄可以作為穩(wěn)定隨機過程的樣本函數(shù)來看待（如圖2）。同時，可用時間與空間上的平穩(wěn)隨機過程進行描述。天然源面波（微動）勘探方法就是以這種平穩(wěn)隨機過程理論為依據(jù)，從微動信號中提取面波頻散曲線，然后通過對頻散曲線的反演，得到地下橫波的速度結(jié)構(gòu)[4,5,6]。

1.2 人工源面波

依據(jù)激振方式，人工源面波又分為穩(wěn)態(tài)面波和瞬態(tài)面波。穩(wěn)態(tài)面波是利用激振器激發(fā)一定頻率范圍內(nèi)的地震波，經(jīng)分析處理，提取面波頻散曲線，經(jīng)反演獲得地層波速參數(shù)。在工程上常利用瞬態(tài)面波法進行面波勘探。瞬態(tài)面波勘探基于瑞利波運動學(xué)特征和動力學(xué)特征，其核心是利用了層狀介質(zhì)中面波的頻散特征和傳播速度與巖土物理力學(xué)性質(zhì)的相關(guān)性，即不同的頻率成分具有不同的相速度。因此，與天然源面波勘探一樣，其關(guān)鍵技術(shù)是準(zhǔn)確提取頻散曲線。

人工源面波勘探在工程中的應(yīng)用，已經(jīng)有無數(shù)很成功的例子，在國內(nèi)的應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)廣泛，技術(shù)很成熟。然而，震源問題一直是不能進一步推廣的重大制約因素，信號質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響到最終的測試效果[4,6,7]。

2 技術(shù)特點及應(yīng)用實例

2.1 技術(shù)特點

天然源面波采集的信號主要為低頻信號，因而多應(yīng)用于勘查地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)、探討大地構(gòu)造等大深度的勘探方法，淺部往往有一定的盲區(qū)。人工源面波采集的信號主要為高頻信號，勘探深度20m左右，主要用于淺部工程勘探。根據(jù)兩者勘探技術(shù)特點，采用相對高頻的檢波器用于天然源面波勘探，利用人工源面波彌補天然源面波淺部勘探的缺陷，通過人工源面波與天然源面波相結(jié)合，反應(yīng)地表一定深度范圍內(nèi)地層結(jié)構(gòu)波速。

2.2 應(yīng)用實例

雙源面波勘探中,人工源主要探測淺部信號、天然源主要探測中深部信號，從而完整地了解地層分布情況。

選擇L型排列，道間距5m，使用24個檢波器。陣型如圖3所示。

人工源采集信號，經(jīng)分析處理后所得頻譜如圖4所示。

由于采用人工錘擊，采集到的地震信號低頻信號基本缺失，頻率主要分布在 12～32Hz之間，其對應(yīng)的深度也較淺，因而無法從能量譜中分析中深部地層分布情況（如圖4所示）。

天然源采集信號，經(jīng)分析處理后所得頻譜如圖5所示。

圖5為天然源采集到的信號，圖中低頻信號豐富，探測深度遠遠大于人工源，然而高頻信號少，頻率主要集中在 2～8Hz之間，因而無法從能量譜中分析淺部地層的分布情況（如圖5所示）。

根據(jù)人工源和天然源的各自特點，將兩者探測成果合并，如圖6所示。

由圖 6，天然源信號與人工源信號合成后的能量譜，可以清晰的看出高頻與低頻信號的變化趨勢，從而為后期處理帶來便利，進一步完善了數(shù)據(jù)質(zhì)量。

通過天然源與人工源結(jié)合，探索雙源面波勘探新技術(shù)是一種很好的嘗試。通過與鉆孔資料對比，雙源面波勘探成果與實際地層基本相符，只是在天然源信號低頻部分（即最深處）稍有差別。

3 結(jié) 語

由于受爆炸震源的制約，淺層折射波法地震勘探在水利水電工程上的應(yīng)用越來越少。目前，正試圖探索天然源面波勘探與人工源面波勘探相結(jié)合，在不使用爆炸震源的基礎(chǔ)上，較好地完成高精度地質(zhì)勘探工作。

通過試驗研究，雙源面波勘探具有簡便、經(jīng)濟、適用性強、分辨率高的特點，在不斷完善的基礎(chǔ)上，探索研究高階面波的發(fā)生規(guī)律、識別提取方法和對頻散曲線形態(tài)的影響。

[1] 趙東.被動源面波勘探方法與應(yīng)用[J].物探與化探.2010.6(34):759～764

[2] 王振東.面波勘探技術(shù)要點與最新進展[J].物探與化探.2006.1(30):1～6

[3] 楊成林.瑞雷波勘探[M].地質(zhì)出版社:北京,1993

[4] 王建文.雙源面波地震勘察在煤層采空區(qū)探測中的應(yīng)用[J].工程地球物理學(xué)報.2010.4(7):403～407

[5] 李 凱.面波勘探技術(shù)在工程勘察中的應(yīng)用進展[J].工程地球物理學(xué)報.2011.1(8):97～104

[6] 李建軍.天然源面波勘探方法研究[D].桂林工學(xué)院.2008

[7] 肖柏勛.瑞雷面波勘探技術(shù)述評[J].工程地球物理學(xué)報.2004.1(1):38～47

10.3969/j.issn.1008-1305.2014.01.016

TV221.2

B

1008-1305（2014）01-0047-04

毋光榮（1965年-），男，高級工程師。

水利部“948”項目（編號：201131）資助。