劉鐵華，劉 鐵，程光華，師學(xué)明，化希瑞，張 邦

(1中鐵第四勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北 武漢 430063;2中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局 南京地質(zhì)調(diào)查中心，江蘇 南京 210016；3中國(guó)地質(zhì)大學(xué) 地球物理與空間信息學(xué)院，湖北 武漢 430074)

1 引 言

隨著城市地下空間開(kāi)發(fā)利用國(guó)家戰(zhàn)略的推進(jìn)，建設(shè)過(guò)程中經(jīng)常遇到地下地質(zhì)情況不明、城市復(fù)雜環(huán)境下探測(cè)技術(shù)存在瓶頸等困難[1]。由于城市環(huán)境復(fù)雜、干擾因素眾多，傳統(tǒng)的地質(zhì)鉆探、挖探、觸探等手段不能做到全覆蓋或不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)勘察，及時(shí)勉強(qiáng)開(kāi)展了勘探工作，其勘探精度有限，多個(gè)城市地鐵等市政軌道交通中出現(xiàn)常規(guī)勘探方法無(wú)法實(shí)施的情況。如昆明地鐵5號(hào)線圓通山-翠湖公園站穿越房屋密集區(qū)段，由于地表建筑物阻擋造成700 m范圍鉆探無(wú)法實(shí)施，同時(shí)常規(guī)物理勘探方法也無(wú)法有效實(shí)施，從而導(dǎo)致勘探盲區(qū)。在深圳地鐵、徐州地鐵等市政軌道交通中也出現(xiàn)過(guò)類(lèi)似情況。此外，復(fù)雜城市地質(zhì)勘察對(duì)不良地質(zhì)，諸如巖溶、不均勻風(fēng)化體、人防空洞、地下水滲流通道、水囊、軟弱夾層等，現(xiàn)階段勘察手段難以做到全面、詳細(xì)的探查識(shí)別，會(huì)帶來(lái)很大的設(shè)計(jì)、施工安全隱患。

為更好地推動(dòng)城市高質(zhì)量發(fā)展，加強(qiáng)城區(qū)地質(zhì)勘探技術(shù)發(fā)展，有必要對(duì)復(fù)雜城市環(huán)境下的抗干擾、高精度的地球物理勘探技術(shù)與裝備進(jìn)行研究與實(shí)踐。

2 復(fù)雜城市環(huán)境地球物理勘探技術(shù)現(xiàn)狀

城市環(huán)境的地球物理勘探技術(shù)是隨著城市的發(fā)展逐步發(fā)展起來(lái)的，因國(guó)內(nèi)外在城市開(kāi)發(fā)方式上的不同，從而導(dǎo)致其在城市環(huán)境地球物理勘探技術(shù)發(fā)展方面表現(xiàn)出不同的發(fā)展情況，可以概括為：國(guó)外城市開(kāi)發(fā)早，但針對(duì)城市復(fù)雜環(huán)境的地球物理勘探技術(shù)相對(duì)滯后；國(guó)內(nèi)勘探技術(shù)與城市發(fā)展步驟緊密關(guān)聯(lián)，并取得了系統(tǒng)性技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

2.1 國(guó)內(nèi)外城市地球物理勘探技術(shù)

全球范圍內(nèi)，發(fā)達(dá)國(guó)家或地區(qū)城市經(jīng)過(guò)最近100年的高速發(fā)展，已經(jīng)形成了以立體化拓展城市空間解決“城市病”為主要導(dǎo)向的城市地下空間開(kāi)發(fā)格局，形成了地下軌道交通導(dǎo)向型、全功能全深度型、緊湊型集約型和綠色環(huán)保型開(kāi)發(fā)模式[2]，開(kāi)發(fā)過(guò)程中有嚴(yán)格的階段分割，勘察階段場(chǎng)地相對(duì)單一，沒(méi)有明顯的建筑物阻擋和強(qiáng)干擾存在，所采用地球物理勘探技術(shù)與常規(guī)方法基本一致，常采用地震反射波法、高密度電阻率成像和面波法。例如，日本主要使用面波法、淺層地震反射法勘探；加拿大主要使用地質(zhì)雷達(dá)法、高密度電阻率成像法、淺層地震反射波法勘探；新加坡主要使用高密度電阻率成像、淺層地震反射波法、測(cè)井及井中物探。

我國(guó)系統(tǒng)性針對(duì)城市區(qū)域地下空間的地球物理勘探工作始于2003年，以北京、上海、廣州、南京、天津、杭州為城市地質(zhì)調(diào)查試點(diǎn)地區(qū)，勘探精度滿足不了工程設(shè)計(jì)要求，綜合采用了高精度重磁、電磁法勘查、地震縱橫波勘探、測(cè)井、井中物探等方法，另外輔以鉆探法開(kāi)展了城市尺度的地下地質(zhì)綜合探測(cè)。城市環(huán)境的探測(cè)過(guò)程中，地面往往為正常的城市環(huán)境，各類(lèi)人文活動(dòng)照常進(jìn)行，這給探測(cè)工作在空間和數(shù)據(jù)質(zhì)量?jī)蓚€(gè)方面帶來(lái)了嚴(yán)重的限制。經(jīng)過(guò)近20年的技術(shù)積累和工程實(shí)踐，在適用于復(fù)雜城市環(huán)境的探測(cè)技術(shù)中有所突破，具有代表性的是多匝小回線瞬變電磁法、射頻大地電磁法、光纖聲波傳感技術(shù)和二維微動(dòng)剖面探測(cè)技術(shù)[3]。

2.2 復(fù)雜城市環(huán)境地球物理勘探技術(shù)

城市環(huán)境中開(kāi)展地球物理工作，其作業(yè)環(huán)境差異加大，環(huán)境的復(fù)雜性主要體現(xiàn)在作業(yè)場(chǎng)地限制和數(shù)據(jù)干擾強(qiáng)兩個(gè)方面。具體地，在城區(qū)環(huán)境中由于建筑物和交通的阻隔導(dǎo)致用于開(kāi)展探測(cè)的空間不連續(xù)，通常表現(xiàn)為被分割的狹小空間，且其地面多為硬化地面，這些條件極大程度上限制了需要一定測(cè)線長(zhǎng)度和需要良好地面耦合的地球物理勘探方法的實(shí)施；由于城市中存在大量的通訊、路燈等公共設(shè)施和大量的工業(yè)、商業(yè)場(chǎng)所，導(dǎo)致整個(gè)城市環(huán)境中存在持續(xù)的機(jī)械波和電磁波干擾，且這些干擾具有隨機(jī)性。此外，由于城市物權(quán)歸屬管理比較完善，在開(kāi)展探測(cè)工作時(shí)需要考慮場(chǎng)地物權(quán)方的管理要求，對(duì)作業(yè)方式要求即做即走、不留痕跡，進(jìn)一步限制了地球物理探測(cè)技術(shù)的實(shí)施。總體而言，在城市環(huán)境中開(kāi)展地球物理勘探工作，需要滿足幾點(diǎn)：①狹小空間要求；②抗干擾要求；③高效作業(yè)要求；④綠色環(huán)保要求。

圖1 典型城區(qū)環(huán)境與郊區(qū)環(huán)境對(duì)比示意圖Fig.1 A comparison diagram of typical urban environment and suburban environment

經(jīng)過(guò)數(shù)十年的技術(shù)發(fā)展，得益于現(xiàn)在通訊和電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，地球物理勘探技術(shù)在密集空間適用性和技術(shù)抗干擾性方面有所成就。

2.2.1 密集空間探測(cè)技術(shù)

復(fù)雜城市環(huán)境中因密集分布著各類(lèi)交通線路和建筑物，留給地質(zhì)勘探的空間極為有限，可用作業(yè)空間為方向隨機(jī)分布的街道和局部小范圍空地。大部分地球物理勘探技術(shù)需要連續(xù)作業(yè)空間，這就導(dǎo)致測(cè)線布置需要根據(jù)勘探目的進(jìn)行設(shè)計(jì)。在基于被動(dòng)源平穩(wěn)信號(hào)的特征信息提取技術(shù)中，主動(dòng)源地震面波技術(shù)、微動(dòng)臺(tái)陣技術(shù)、微動(dòng)譜比技術(shù)和分布式光纖聲波傳感技術(shù)的抗干擾能力較強(qiáng)，其中微動(dòng)和光纖聲波傳感技術(shù)因同時(shí)具備抗干擾要求和綠色環(huán)保要求被引起注意并得到應(yīng)用。

1)地質(zhì)雷達(dá)法。該方法借助發(fā)射天線定向發(fā)射的高頻(10～1 000 MHz)電磁短脈沖在地下傳播，檢測(cè)被地下地質(zhì)體反射或透射回來(lái)的信號(hào)，基于電磁波在介質(zhì)中的傳播時(shí)間、速度與動(dòng)力學(xué)特征實(shí)現(xiàn)地質(zhì)探測(cè)的方法。在城市復(fù)雜環(huán)境下，所采用的地質(zhì)雷達(dá)設(shè)備需要具有良好的屏蔽措施，目前100 MHz以下的地質(zhì)雷達(dá)天線屏蔽效果不太理想，無(wú)法適用于城市復(fù)雜環(huán)境的探測(cè)工作，通常采用的天線頻率位于100 MHz～400 MHz之間，只應(yīng)用于10 m以內(nèi)的管線、空洞、人防工程等淺表層地質(zhì)目標(biāo)體探測(cè)。

2)地震映像法。即單點(diǎn)地震反射波法，是基于反射波法最佳偏移距技術(shù)發(fā)展而來(lái)的，該方法以相同的偏移距逐步移動(dòng)激發(fā)點(diǎn)和接受點(diǎn)進(jìn)行地震探測(cè)。該方法對(duì)隱伏地層或目標(biāo)體進(jìn)行連續(xù)掃描，可現(xiàn)實(shí)20 m以內(nèi)的淺表層管線、覆蓋層、巖溶等地質(zhì)目標(biāo)體探測(cè)。因無(wú)法確定地層速度，解釋成果在深度方向精度較低，僅采用經(jīng)驗(yàn)速度進(jìn)行半定量解釋。

地震映像法數(shù)據(jù)采集較快，抗干擾能力弱，勘探深度有限。按資料處理解釋的思路不同可以分為兩種解釋模式：波形特征解釋法和頻率特征解釋法。波形特征解釋法通過(guò)追蹤分析不同地震波(折射波、面波、反射波、繞射波等)的波場(chǎng)信息進(jìn)行解釋?zhuān)瑏?lái)探測(cè)地下介質(zhì)的變化；頻率特征解釋法是基于對(duì)波形剖面的時(shí)頻分析結(jié)果為基礎(chǔ)，通過(guò)分析不同時(shí)間段的頻率特征進(jìn)行地質(zhì)結(jié)構(gòu)的解釋。

圖2 典型地震映像法成果剖面Fig.2 Typical seismic mapping results profile

圖2為我國(guó)南方城市某公路一處巖溶檢測(cè)的地震映像法成果圖，圖2(a)為波形特征解釋法剖面，通過(guò)波形的連續(xù)性和繞射特征可以判定出巖溶發(fā)育的位置和深度，圖2(b)為頻率特征解釋法剖面，低頻區(qū)域?qū)?yīng)的是巖溶發(fā)育區(qū)。

3)多匝小回線瞬變電磁技術(shù)。瞬變電磁法在城市勘探中遇到三個(gè)方面的困難：線圈過(guò)大、盲區(qū)影響勘探有效深度和抗干擾能力弱，其應(yīng)用受到嚴(yán)重限制，因此發(fā)展出施工相對(duì)靈活的多匝小回線采集裝置的瞬變電磁技術(shù)，在保證勘探精度的同時(shí)，更加適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境勘探的需要。為了降低或避免盲區(qū)的影響，在實(shí)現(xiàn)多匝小回線瞬變電磁技術(shù)時(shí)就出現(xiàn)兩種策略：通過(guò)快速關(guān)斷技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)一次場(chǎng)的影響，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)壓縮盲區(qū)的效果；另外一種方案，是采用了一對(duì)上下平行共軸的相同線圈，其中分別通以反向電流作為發(fā)射源，在兩個(gè)線圈合成的一次場(chǎng)零磁通平面上進(jìn)行測(cè)量對(duì)地中心耦合的純二次場(chǎng)[4]。多匝小回線瞬變電磁技術(shù)可有效消除接收線圈本身的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)且減少旁側(cè)影響，實(shí)現(xiàn)了瞬變電磁法0～100 m的淺層勘探，且抗干擾能力強(qiáng)，可用于城市環(huán)境的地質(zhì)勘探。

多匝小回線瞬變電磁技術(shù)相較于常規(guī)瞬變電磁法設(shè)備所獲取的數(shù)據(jù)，原始數(shù)據(jù)質(zhì)量改善明顯，適合于城市部分地區(qū)的巖溶、覆蓋層等探測(cè)工作。數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，應(yīng)避免5 m范圍內(nèi)的金屬、構(gòu)筑物對(duì)電磁波場(chǎng)的擾動(dòng)影響，此類(lèi)近場(chǎng)干擾會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量帶來(lái)直接的干擾，進(jìn)而給解釋帶來(lái)困難。

4)射頻大地電磁法。射頻大地電磁法(RMT)是在地質(zhì)雷達(dá)法、可控源音頻大地電磁法(CSAMT)和大地電磁法(MT)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種淺部頻率域電磁勘探方法[5]。RMT以無(wú)線電臺(tái)、潛艇等發(fā)射的高頻電磁波作為信號(hào)源，通過(guò)采集遠(yuǎn)區(qū)的電磁場(chǎng)計(jì)算視電阻率等參數(shù)，最終實(shí)現(xiàn)淺地表電性結(jié)構(gòu)的探測(cè)。RMT探測(cè)頻帶約為1 k～1 000 kHz，設(shè)備小巧，適用于城市環(huán)境100 m以淺的探測(cè)。

近年來(lái)，淺地表環(huán)境中介質(zhì)的電阻率和介電常數(shù)各向異性已逐漸被人們所認(rèn)識(shí)(Linde, 2004; 王幫兵，2009)，隨著計(jì)算機(jī)的快速發(fā)展，RMT三維反演也已經(jīng)逐漸被應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中，并在數(shù)據(jù)解釋方面發(fā)揮著重要作用[6]。2003年。Newman等采用RMT法對(duì)某一地下垃圾場(chǎng)進(jìn)行了勘探，旨在探明地下是否發(fā)生滲漏污染等情況。Newman對(duì)RMT數(shù)據(jù)進(jìn)行了二維、三維反演，對(duì)比結(jié)果發(fā)現(xiàn)二維反演結(jié)果揭示的垃圾埋藏深度及范圍均偏大，而三維反演結(jié)果能夠精確地圈定垃圾坑的范圍。另一方面，為了壓制RMT反演多解性和提高反演可靠性，RMT與其他方法的聯(lián)合反演得到了更多的發(fā)展和應(yīng)用。Candansayar和Tezkan(2008)從RMT和DC聯(lián)合反演的方法原理、合成理論數(shù)據(jù)以及野外實(shí)際數(shù)據(jù)的聯(lián)合反演等方面做了詳細(xì)的介紹，并成功探測(cè)了德國(guó)凱爾彭實(shí)驗(yàn)基地?cái)鄬游恢?。將RMT和DC進(jìn)行反演，不僅清晰地查明了地表淺部小尺度目標(biāo)體以及深部的電性特征，同時(shí)極大地減小了反演結(jié)果的非唯一性，提高了反演結(jié)果模型分辨率，實(shí)際勘查效果良好。

射頻大地電磁法作為電磁法一種重要淺部頻率域電磁勘探技術(shù)，在城市環(huán)境應(yīng)用中不可避免地受到工區(qū)旁邊電磁性介質(zhì)的影響，在相對(duì)開(kāi)闊或干擾穩(wěn)定的情況下開(kāi)展工作為宜。

5)微動(dòng)譜比技術(shù)。微動(dòng)譜比法也被稱為微動(dòng)H/V譜比法、單點(diǎn)H/V譜比法或Nakamura方法，是基于單點(diǎn)三分量數(shù)據(jù)中水平分量和垂直分量的譜比特征進(jìn)行地層屬性反演的勘探技術(shù)。該方法最早由Nogoshi和Igarashi提出，之后經(jīng)Nakamura(1989,2000)推廣應(yīng)用到場(chǎng)地效應(yīng)評(píng)價(jià)方面，因其簡(jiǎn)便經(jīng)濟(jì)、對(duì)環(huán)境無(wú)干擾等很多優(yōu)點(diǎn)，特別適合應(yīng)用到城市中，很快在世界各地得到應(yīng)用。2001年歐盟SESAME(Site Effect S Assess mentusing Ambient Excitation)項(xiàng)目開(kāi)展的地脈動(dòng)專(zhuān)題研究系統(tǒng)地分析了可能會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生影響的測(cè)試條件和參數(shù)，共總結(jié)歸納出9種參數(shù)，包括采集和儀器參數(shù)、現(xiàn)場(chǎng)土和拾振器耦合參數(shù)、修正的土-拾振器耦合、附近結(jié)構(gòu)影響、地下結(jié)構(gòu)影響、天氣條件影響、地下水位影響、結(jié)果的測(cè)試時(shí)間穩(wěn)定性、噪聲源的影響等，并精心設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)采集和結(jié)果比較的實(shí)驗(yàn)方案，評(píng)估各參數(shù)對(duì)微動(dòng)譜比法結(jié)果穩(wěn)定性的影響?；趪?guó)內(nèi)外眾多學(xué)者的實(shí)踐，認(rèn)為場(chǎng)地微動(dòng)譜比的譜形非常穩(wěn)定，只有少數(shù)例外；在軟土場(chǎng)地上有一卓越峰值，在堅(jiān)硬場(chǎng)地上幾乎是平的；微動(dòng)譜比的峰點(diǎn)與地表和基底水平向地震動(dòng)譜比的基階卓越頻率相關(guān)等。

微動(dòng)譜比法理論基礎(chǔ)和結(jié)果與場(chǎng)地動(dòng)力特性的關(guān)系一直沒(méi)有得到學(xué)術(shù)界的一致公認(rèn)，成為場(chǎng)地動(dòng)力特性估計(jì)中最有名的爭(zhēng)論焦點(diǎn)。Horike(1993)、Bard(1994)、Kudo(1995)、Bard(1999)、Mucciarelli(2001)、盧滔(2006)、羅桂純(2014)[7]等曾對(duì)微動(dòng)譜比法進(jìn)行了批駁性的論述。具體爭(zhēng)論點(diǎn)有三個(gè)：首先，微動(dòng)主要成分是體波還是面波；其次，為什么微動(dòng)譜比與場(chǎng)地的放大因子相關(guān)，也就是地表和基底水平向地震動(dòng)譜比相關(guān)；第三，是否在任何地方用微動(dòng)譜比替代水平向地震動(dòng)譜比都是有效的。

實(shí)際觀測(cè)和數(shù)值模擬結(jié)果都表明，微動(dòng)譜比的幅值會(huì)隨微動(dòng)中各波成分變化，阻抗比和泊松比對(duì)瑞利波橢圓率幅值也有重要影響(Kudo，1995)，很難直接估計(jì)場(chǎng)地的放大效應(yīng)。應(yīng)用中微動(dòng)譜比與地震動(dòng)H/V的譜形有較好的相關(guān)性，相似程度取決于場(chǎng)地條件(Sawada，2004；Zhao，2003)。微動(dòng)譜比法的分析計(jì)算看起來(lái)極其簡(jiǎn)單，具體實(shí)施時(shí)在觀測(cè)系統(tǒng)、觀測(cè)條件、記錄的選取方法、具體計(jì)算細(xì)節(jié)、結(jié)果的分析解釋等方面都有不同的選擇，還沒(méi)有統(tǒng)一的規(guī)范。不同研究者選擇不同，結(jié)果必然會(huì)有差別，其中可能還會(huì)有一些誤用，在此基礎(chǔ)上對(duì)微動(dòng)譜比法進(jìn)行研究，必然很難達(dá)成統(tǒng)一認(rèn)識(shí)結(jié)論。需通過(guò)研究，建立微動(dòng)譜比法一般的數(shù)據(jù)采集、分析和結(jié)果解釋的規(guī)范。

目前，大多數(shù)研究者傾向于微動(dòng)譜比的豎向信號(hào)主要成分為瑞利波，水平成分為瑞利波和勒夫波及它們的高階分量(Okada，2003；Arai，2000)，微動(dòng)譜比可以用瑞利波基階橢圓率解釋?zhuān)皿w波解釋微動(dòng)譜比的觀點(diǎn)將被放棄(Satoh，2001；Horike，2001)。Sánchez-Sesma，et al.(2007)將擴(kuò)散場(chǎng)理論擴(kuò)展到彈性動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域[8]，Perton，et al.(2009)探討了三維彈性介質(zhì)中擴(kuò)散場(chǎng)的能量均分理論[9]，擴(kuò)散場(chǎng)為全波場(chǎng)，包含了P波、S波和面波，且其中體波和面波的比例是確定的(García-Jerez，et al.，2016)[10]。盡管峰值依賴于場(chǎng)地速度結(jié)構(gòu)和噪聲源的位置有多種解釋?zhuān)缛鹄E圓率、勒夫波艾力相位或S波共振等，微動(dòng)譜比法總可以給出場(chǎng)地的基階共振頻率或卓越周期。如果基巖定義為波速大于1 500 m/s，微動(dòng)的H/V與地震動(dòng)的H/V、水平譜比的峰值頻率總是很一致；但是微動(dòng)譜比曲線的峰值小于3(Satoh，2001)、覆蓋層與基巖波阻抗比非常小或基巖埋藏非常淺時(shí)，需要格外小心。

微動(dòng)譜比技術(shù)因其采取采集長(zhǎng)周期微震信號(hào)后再?gòu)钠椒€(wěn)信號(hào)中提取譜比曲線的策略，且獲取的速度本質(zhì)上為真地層速度，天然具有抗干擾能力和高精度特征，這點(diǎn)在復(fù)雜城市環(huán)境的勘探技術(shù)中具有明顯優(yōu)勢(shì)，但該方法在反演過(guò)程中比較依賴初始模型速度，這要求該方法需要在掌握較為準(zhǔn)確的表層速度前提下開(kāi)展。

2.2.2 抗干擾探測(cè)技術(shù)

復(fù)雜城市環(huán)境中因充斥了各類(lèi)電磁波和機(jī)械波干擾源，需要針對(duì)這兩類(lèi)干擾源需在方法和設(shè)備上進(jìn)行突破?？闺姶挪ǜ蓴_方面，主要采用各類(lèi)電磁波屏蔽技術(shù)，目前可實(shí)現(xiàn)100 MHz以上的電磁波的有效屏蔽，基本滿足工程應(yīng)用要求，但該頻段探測(cè)深度有限，嚴(yán)重限制了應(yīng)用范圍?？箼C(jī)械波干擾方面，主要干擾源為隨機(jī)的強(qiáng)震干擾，抗干擾有兩種策略：提高震源信號(hào)的抗干擾能力和提高數(shù)據(jù)特征提取技術(shù)的抗干擾能力?；谶@兩種策略就被分為兩個(gè)方面的抗機(jī)械波干擾方法：基于城市可控震源的地震反射波法和基于被動(dòng)源平穩(wěn)信號(hào)的特征信息提取技術(shù)。在基于被動(dòng)源平穩(wěn)信號(hào)的特征信息提取技術(shù)中，主動(dòng)源地震面波技術(shù)、微動(dòng)臺(tái)陣技術(shù)、微動(dòng)譜比技術(shù)和分布式光纖聲波傳感技術(shù)的抗干擾能力較強(qiáng)，其中微動(dòng)和光纖聲波傳感技術(shù)因同時(shí)具備抗干擾要求和綠色環(huán)保要求引起了業(yè)內(nèi)的注意，并得到應(yīng)用。

2.2.2.1 主動(dòng)源地震面波技術(shù)

利用人工震源激發(fā)產(chǎn)生的彈性波在介質(zhì)中傳播，通過(guò)分析、處理和提取面波頻散信息，反演地下橫波速度等地層屬性的變化規(guī)律，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)地質(zhì)結(jié)構(gòu)探測(cè)的方法。實(shí)施過(guò)程中，通常將單分量垂直檢波器成排列布置，在排列一端移動(dòng)偏移距情況下激發(fā)震源，獲取地震面波記錄，再對(duì)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行頻散曲線提取和反演，進(jìn)而獲得地層屬性。

圖3 微動(dòng)臺(tái)陣法的不同裝置類(lèi)型Fig.3 Different types of devices used in the micro-platform formation method

1951年Dobrin[11]利用主動(dòng)源瑞利波信號(hào)研究地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)，指出可借助原子彈爆炸試驗(yàn)激發(fā)的地震面波信號(hào)為地下速度結(jié)構(gòu)提供更多的信息；1960年，Hoykallen等人通過(guò)改變檢波器的間距和激振器的頻率，計(jì)算出了不同頻率的瑞利波相速度；1973年，F(xiàn).K.Chang和R.F.Ballard等人利用瞬態(tài)瑞雷波研究了淺部地質(zhì)問(wèn)題；1982年日本VIC株式會(huì)社研制出了穩(wěn)態(tài)面波法的GR810型佐藤全自動(dòng)勘察機(jī)[12],用以解決工程地質(zhì)勘查問(wèn)題；1983年，Stokoe和Nazarian[13]提出了瞬態(tài)面波譜分析法(SASW)，用瞬態(tài)激振產(chǎn)生瑞利波信號(hào)，從兩道檢波器組觀測(cè)到的瞬態(tài)瑞利波記錄中提取出了頻散曲線；1987年，中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司(原鐵道部第四勘察設(shè)計(jì)院)首先引進(jìn)GR810型設(shè)備開(kāi)始了穩(wěn)態(tài)面波勘探，主要用于地基勘察、地基加固效果評(píng)價(jià)、人防工程和巖溶洞穴探測(cè)的工作[14]；1989年，楊成林[15]自行研究了穩(wěn)態(tài)面波勘探系統(tǒng)，將其應(yīng)用在第四系地層分層和地基處理效果評(píng)價(jià)；1996年，劉云楨等人[16]研制了SWS瞬態(tài)法的多道采集和處理系統(tǒng)；1999年，美國(guó)Kansas大學(xué)地質(zhì)調(diào)查所面波研究課題組提出了多道面波分析的方法(MASW)[17]，該方法利用重錘敲擊鐵板激發(fā)產(chǎn)生震源，多道直線型檢波器排列采集地震信號(hào)，進(jìn)而提取地震信號(hào)中的面波頻散曲線，最終獲得排列下方地層的橫波速度剖面。之后，很多學(xué)者(劉江平，2003；夏江海，2005；Luo，2009；張大洲，2010；邵廣周，2015；Yin，2016)從探測(cè)深度、探測(cè)精度、橫向分辨能力、頻散曲線形成機(jī)理和多階聯(lián)合反演等方面對(duì)主動(dòng)源多道面波進(jìn)行了研究，在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中具有較高的分辨率和勘探干擾能力。

主動(dòng)源地震面波技術(shù)采用直線規(guī)則排列方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通常沿街道布置測(cè)點(diǎn)，輔以人工或機(jī)械震源，作業(yè)過(guò)程簡(jiǎn)單、高效，對(duì)淺部地層結(jié)構(gòu)有較好的分辨能力，反演所獲取的速度為真實(shí)地層速度，具有工程設(shè)計(jì)參考意義，但是在房屋密集區(qū)作業(yè)中無(wú)法滿足測(cè)點(diǎn)規(guī)則布置的要求，且勘探深度有限。

2.2.2.2 微動(dòng)臺(tái)陣技術(shù)

地表時(shí)刻存在著的由人文活動(dòng)、海浪等非地震引起的微弱振動(dòng)稱為微動(dòng)。其表現(xiàn)為連續(xù)的擾動(dòng)，在常規(guī)地震勘探中被作為噪音背景處理。微動(dòng)臺(tái)陣技術(shù)是以平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程理論為依據(jù)，通過(guò)特定觀測(cè)裝置獲取天然垂直向下的微動(dòng)信號(hào)，從微動(dòng)信號(hào)中提取面波的頻散曲線，對(duì)頻散曲線進(jìn)行地層屬性反演的技術(shù)，具有較強(qiáng)的抗機(jī)械干擾能力。按照數(shù)據(jù)采集的裝置類(lèi)型不同，可分為“直線型”、“內(nèi)嵌三角型”、“同心圓型”、“十字型”、“L型”等(圖3)，內(nèi)嵌三角型和直線型臺(tái)陣方式為最常采用形式。

基于天然存在的被動(dòng)源噪聲信號(hào)的互相關(guān)函數(shù)提取格林函數(shù)，進(jìn)而對(duì)地下結(jié)構(gòu)成像是瑞利波研究的新途徑。Aki(1957年)和Capon(1969年)分別用空間自相關(guān)法(SPAC法)[18]和頻率-波數(shù)法(F-K法)[19]從微動(dòng)信號(hào)中提取面波頻散曲線；隨后，眾多學(xué)者(Claerbout，1968；Cox，1973；Duval，1993；Weaver、Lobkis，2001)在透射場(chǎng)互相關(guān)計(jì)算、空間自相關(guān)理論與時(shí)間域互相關(guān)理論聯(lián)系、互相關(guān)運(yùn)算與格林函數(shù)關(guān)聯(lián)性等方面進(jìn)行了研究。2003年，Campillo與Paul首次實(shí)現(xiàn)了從噪聲中恢復(fù)瑞利波格林函數(shù)[20]，2004年，Shapiro等人從連續(xù)記錄的噪聲數(shù)據(jù)中提取出了臺(tái)站間的面波格林函數(shù)，并獲得瑞利面波的群速度頻散曲線。2010年，Tasi和Moschetti推導(dǎo)了空間自相關(guān)理論與時(shí)域互相關(guān)理論的精確關(guān)系表達(dá)式，指出噪聲記錄的頻域互相關(guān)譜也可以通過(guò)Aki公式計(jì)算相速度[21]。徐佩芬采用二維微動(dòng)剖面探測(cè)法應(yīng)用于煤礦陷落柱探測(cè)[22](2009年)和淺表層的孤石探測(cè)[23](2012年)，取得了較好的效果。之后，微動(dòng)臺(tái)陣技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，研究尺度從近地表結(jié)構(gòu)到上地幔巖石圈構(gòu)造，研究?jī)?nèi)容從瑞利波群速度、相速度特征到噪聲源分布特征等。

此外，以微動(dòng)臺(tái)陣為基礎(chǔ)的短周期密集臺(tái)陣微動(dòng)測(cè)技術(shù)(Lin et al.，2013; Schmandt and Clayton，2013; Nakata et al.，2015; Chang et al.，2016; Liu et al.，2017a，b; Bao et al.，2018; Wang et al.，2018; Wei et al.，2018; Mordret et al.，2019)逐漸成為國(guó)內(nèi)外淺部地層結(jié)構(gòu)探測(cè)領(lǐng)域的一項(xiàng)重要手段[24]。該技術(shù)相較于傳統(tǒng)寬頻帶地震探測(cè)具有高分辨、省時(shí)省錢(qián)、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。

微動(dòng)臺(tái)陣技術(shù)因其采取采集長(zhǎng)周期微震信號(hào)后再?gòu)钠椒€(wěn)信號(hào)中提取頻散曲線的策略，天然具有抗干擾能力，這點(diǎn)在復(fù)雜城市環(huán)境的勘探技術(shù)中具有明顯優(yōu)勢(shì)。但是，由于微動(dòng)信號(hào)中高頻能量較弱，因此對(duì)淺部地層結(jié)構(gòu)的分辨能力較差；由于該方法通常是基于不規(guī)則方向多個(gè)觀測(cè)點(diǎn)間信號(hào)計(jì)算的平均頻散譜，導(dǎo)致頻散譜收斂性欠缺或整體速度偏大，所獲取的頻散曲線速度值與真實(shí)面波速度差距較大，并且所用裝置布置空間越大誤差越大，最終導(dǎo)致探測(cè)精度降低。

2.2.2.3 光纖聲波傳感技術(shù)

近年來(lái)發(fā)展的光纖聲波傳感技術(shù)，是一種由感知光纖和光學(xué)信號(hào)解調(diào)儀組成的地震觀測(cè)系統(tǒng)，通常被稱為分布式光纖聲波傳感器(DAS，如Hartog,et al.，2013，張麗娜等，2020)，該系統(tǒng)能夠以較低的成本實(shí)現(xiàn)超密集的觀測(cè)，有望提高淺層速度結(jié)構(gòu)成像的精度。光纖聲波傳感技術(shù)的基本原理為：通過(guò)探測(cè)激光脈沖在光纖內(nèi)部散射體產(chǎn)生的相位變化，實(shí)現(xiàn)光纖軸向應(yīng)變的測(cè)量，每一小段光纖均等效為一個(gè)單分量應(yīng)變傳感器，進(jìn)而通過(guò)該“等效應(yīng)變傳感器”進(jìn)行光纖所在位置的地震震動(dòng)(震動(dòng)引起的光纖軸向應(yīng)變量)。單一解調(diào)儀可實(shí)現(xiàn)幾千米到幾十千米范圍內(nèi)的常規(guī)頻帶地震信號(hào)采集(約100s～49.5KHz，Parker,et al.，2014)，極大地降低了觀測(cè)成本。

2011年，地震勘探領(lǐng)域DAS首次得到應(yīng)用(Mestayer，et al.，2011)[25]。之后國(guó)際上，地震學(xué)界開(kāi)展了一系列的研究工作，探討了DAS在天然地震學(xué)研究(Lindsey，et al.，2017)、淺層結(jié)構(gòu)成像(Zeng，et al.，2017)、介質(zhì)變化監(jiān)測(cè)(Mateeva，et al.，2017)等方面的應(yīng)用。DAS的高觀測(cè)密度優(yōu)勢(shì)在淺層結(jié)構(gòu)面波成像中可以得到很好的應(yīng)用。國(guó)內(nèi)相關(guān)研究有待開(kāi)展，2018年7月中國(guó)科學(xué)院測(cè)量與地球物理研究所在白家疃北京國(guó)家地球觀象臺(tái)開(kāi)展了一次DAS觀測(cè)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)使用國(guó)產(chǎn)DAS設(shè)備采集落錘震源激發(fā)產(chǎn)生的地震波信號(hào)，并通過(guò)與光纖共址的檢波器獲取的地震數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，驗(yàn)證了DAS的可靠性[26]。

隨著光纖聲波傳感技術(shù)發(fā)展，其理論基礎(chǔ)和技術(shù)流程較為完善。如何基于既有光纖進(jìn)行信號(hào)采集目前還較為困難，若重新鋪設(shè)專(zhuān)用光纖在經(jīng)濟(jì)、效率和質(zhì)量上都很難被市場(chǎng)接受，距離工業(yè)化生產(chǎn)應(yīng)用還需在應(yīng)用技術(shù)上進(jìn)一步研究。

2.3 多源地震勘探技術(shù)

在適用于復(fù)雜城市環(huán)境中的各種技術(shù)中，同時(shí)滿足較大范圍深度勘探和復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)性的技術(shù)有主動(dòng)源面波法、微動(dòng)臺(tái)陣法和微動(dòng)譜比法，其中主動(dòng)源面波法可以用常規(guī)檢波器或光纖聲波傳感器實(shí)現(xiàn)。正如前文訴述，各個(gè)方法在復(fù)雜城市環(huán)境應(yīng)用中各有優(yōu)缺點(diǎn)，如果能夠在各個(gè)方法之間取長(zhǎng)補(bǔ)短，將會(huì)在勘探效率和質(zhì)量上有所提升，基于這樣的需求已有相關(guān)研究。

2.3.1 雙源面波勘探技術(shù)

雙源面波法要求在一條測(cè)線上布置低頻檢波器，分別采集多道瞬態(tài)面波數(shù)據(jù)(主動(dòng)源面波數(shù)據(jù))和天然源面波數(shù)據(jù)(直線型微動(dòng)臺(tái)陣數(shù)據(jù))，然后提取了人工源和天然源的綜合頻散曲線，反演生成了測(cè)線下方的橫波速度剖面。在整個(gè)過(guò)程中，因?yàn)樘烊辉疵娌〝?shù)據(jù)提取的頻散譜中為視面波速度，需要格外關(guān)注人工源和天然源的面波速度關(guān)系。

1998年，王振東[27]首先提出了雙源面波勘探的構(gòu)想，指出可以利用主動(dòng)源面波數(shù)據(jù)和被動(dòng)源面波數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合處理；2005年起，堪薩斯地質(zhì)調(diào)查局(KGS)的Park等人[28-32]利用雙源面波數(shù)據(jù)進(jìn)行了聯(lián)合勘察的研究，指出聯(lián)合成像能夠拓展探測(cè)的深度和提高多階模式頻散曲線提取精度，并編制了數(shù)據(jù)處理軟件；2010年，Zor E.等人[33]聯(lián)合主動(dòng)源與被動(dòng)源面波數(shù)據(jù)對(duì)土耳其Izmit海灣地區(qū)沉積盆地的橫波速度結(jié)構(gòu)進(jìn)行了成像，提高了探測(cè)精度和深度。2016年，Lin等人[34]利用布置在同一條測(cè)線上的檢波器與寬頻帶地震臺(tái)站采集了雙源面波數(shù)據(jù)，然后通過(guò)拉東變換和時(shí)頻分析方法提取了主動(dòng)源和被動(dòng)源的瑞利面波基階頻散曲線，并反演獲得了測(cè)線下方的橫波速度剖面，結(jié)果表明聯(lián)合成像的方法極大地提高了勘探的最大深度。

此外，多道被動(dòng)源面波分析技術(shù)(Multi- Channel Analysis of Passive Surface Wave，MAPS)給雙源面波實(shí)施提供了一條新途徑[35]。該技術(shù)基于直線型裝置情況下的被動(dòng)源數(shù)據(jù)，先通過(guò)背景噪聲的互相關(guān)獲取與被動(dòng)源信號(hào)等價(jià)的主動(dòng)源數(shù)據(jù)道集，然后基于該數(shù)據(jù)道集提取頻散曲線和面波成像[36]。

雙源面波勘探技術(shù)需要基于多道面波觀測(cè)方式進(jìn)行，要求測(cè)點(diǎn)布置需要沿著規(guī)則直線布置，在城市環(huán)境中僅能沿街實(shí)施工作，在同樣沿線性走向的軌道交通勘探中往往實(shí)施困難。

2.3.2 多源頻率域地震勘探技術(shù)

雙源面波勘探技術(shù)在勘探精度和勘探深度上得到了綜合改進(jìn)，在復(fù)雜城市環(huán)境中開(kāi)展雙源面波工作僅能沿街道布置，而在房屋密集區(qū)開(kāi)展工作極為困難。針對(duì)復(fù)雜城市環(huán)境中遇到的勘探難題，在總結(jié)既有適用于城市復(fù)雜環(huán)境技術(shù)與裝備的基礎(chǔ)上，筆者提出了一種集成主動(dòng)源面波、微動(dòng)臺(tái)陣技術(shù)和微動(dòng)譜比技術(shù)的多源頻率域地震波勘探技術(shù)，并以該技術(shù)為基礎(chǔ)研發(fā)了一款適用于復(fù)雜城市環(huán)境的分布式、多頻段、多分量地震采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜城市環(huán)境的抗干擾、高精度地球物理勘探。

圖4 多源頻率域地震勘探技術(shù)流程Fig.4 Flow chart of seismic exploration in multi-source frequency domain

多源頻率域地震勘探技術(shù)在雙源面波勘探技術(shù)的基礎(chǔ)上，再融合微動(dòng)譜比法反演技術(shù)而形成多源頻率域地震勘探技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜城市環(huán)境的“局部規(guī)則、全局隨機(jī)”測(cè)點(diǎn)布置形式，完全響應(yīng)復(fù)雜城市環(huán)境中“狹小空間、抗干擾、高效率、綠色環(huán)保”四要求的高精度地球物理勘探?？傮w可分為以下四步：

1)獲取多源頻率域地震數(shù)據(jù)。假設(shè)需要在某城市環(huán)境中進(jìn)行固定區(qū)域的地質(zhì)勘探，區(qū)域內(nèi)測(cè)點(diǎn)設(shè)計(jì)盡量均勻分布，更多測(cè)點(diǎn)同步采集數(shù)據(jù)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)均進(jìn)行三分量低頻數(shù)據(jù)采集，區(qū)域范圍內(nèi)主動(dòng)源與被動(dòng)源的聯(lián)合采集測(cè)線隨機(jī)布置。

2)分析區(qū)域微動(dòng)數(shù)據(jù)中視面波速度的轉(zhuǎn)換系數(shù)。通常情況下，同一測(cè)線內(nèi)的被動(dòng)源面波計(jì)算的頻散譜速度為真實(shí)面波速度的視速度，各頻率視速度與真實(shí)速度存在差別。此外，主動(dòng)源面波所獲得頻散譜表現(xiàn)為高頻段分辨率高于低頻段，而被動(dòng)源數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)頻散譜表現(xiàn)為低頻段頻散譜相對(duì)更好。雙源面波頻散譜可通過(guò)各自頻散譜與一特定轉(zhuǎn)換系數(shù)矩陣后相加獲得，這一過(guò)程實(shí)現(xiàn)了被動(dòng)源面波速度的校正和兩種頻散譜的融合。確定轉(zhuǎn)換系數(shù)矩陣時(shí)需要考慮每個(gè)測(cè)點(diǎn)的裝置類(lèi)型對(duì)系數(shù)的影響，以“轉(zhuǎn)換后的頻散曲線在淺部對(duì)應(yīng)速度相對(duì)穩(wěn)定”為系數(shù)調(diào)整的標(biāo)準(zhǔn)。

3)測(cè)點(diǎn)單元剖分。因?yàn)閿?shù)據(jù)采集時(shí)采用多采集站同步采集，一次采集覆蓋范圍較大，處理時(shí)需要將測(cè)點(diǎn)剖分成大小合適的小單元。剖分需要滿足以下幾個(gè)原則：①單一測(cè)點(diǎn)單元內(nèi)采集站個(gè)數(shù)不小于4；②最近采集站間距離小于20 m為宜；③單元內(nèi)各采集站位置的連線方向與附近雙源面波測(cè)線方向相同或相近為宜，不能滿足該條件時(shí)各采集站盡量均勻分布。

4)特征曲線計(jì)算與聯(lián)合反演。在采集的三分量數(shù)據(jù)中，每個(gè)單元內(nèi)進(jìn)行微動(dòng)臺(tái)陣頻散譜和微動(dòng)譜比曲線的計(jì)算?；谕粏卧念l散曲線，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式建立初始模型，再進(jìn)行頻散曲線和譜比曲線的聯(lián)合反演，反演后即可獲得每個(gè)檢波器位置的地層速度分布情況。最終將每個(gè)采集站的探測(cè)速度成果歸位到三維空間坐標(biāo)，獲取地層速度形3D數(shù)據(jù)體。

3 結(jié) 論

由于城市發(fā)展的差異，我國(guó)在城市勘探領(lǐng)域遇到了國(guó)外同行更為復(fù)雜的建筑物阻隔與強(qiáng)干擾影響，經(jīng)過(guò)數(shù)十年的方法創(chuàng)新和技術(shù)積累，已經(jīng)在密集空間探測(cè)技術(shù)、抗干擾探測(cè)技術(shù)和多源勘探技術(shù)方面有了突破。在眾多適用于復(fù)雜城市環(huán)境的勘探技術(shù)中，微動(dòng)譜比技術(shù)、密集臺(tái)陣微動(dòng)測(cè)技術(shù)、光纖聲波傳感技術(shù)等抗干擾探測(cè)技術(shù)在滿足密集空間要求的情況下具有作業(yè)效率高和綠色環(huán)保特點(diǎn)，將是復(fù)雜城市環(huán)境下勘探技術(shù)的方向。多源地震勘探技術(shù)集成了主動(dòng)源面波、微動(dòng)臺(tái)陣技術(shù)和微動(dòng)譜比技術(shù)，在實(shí)際生產(chǎn)中獲得了理想的勘探效果，具有廣闊的應(yīng)用前景。