基于线形台阵的高精度微动技术在城区岩性地层精细划分中的应用
High precision microtremor technology based on linear array and its application to the fine division of lithostratigraphy
通讯作者: 赵东东(1990-),男,博士研究生, 研究方向为重、磁、电高效正反演并行算法研究。Email:dongzhaochd@163.com
责任编辑: 沈效群
收稿日期: 2020-08-24 修回日期: 2020-12-7 网络出版日期: 2021-04-20
基金资助: |
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Received: 2020-08-24 Revised: 2020-12-7 Online: 2021-04-20
作者简介 About authors
陈基炜(1988-),男,工程师,研究方向为城市地下空间综合物探方法应用研究。Email:
微动探测技术被广泛应用于构造、孤石、溶洞等勘查,但是,以常规圆形、嵌套三角形台阵等为代表的测量方式在城区施工会受到现场条件限制,难以实现长剖面数据的高效、高密度采集。针对这一问题,提出一种基于线形台阵多次覆盖的高效数据采集技术,该技术借鉴地震勘探多次覆盖观测系统的思想,布设一次线形台阵可以同时得到多个测点数据,可大大提高单台站数据的利用率。为了研究该采集技术的可行性和有效性,开展了单点频散曲线对比实验和横波速度剖面对比实验,并将其应用于福州城区岩性地层探测实验。实验结果表明:该技术极大地提升了微动数据采集的效率和测量密度,有效改善了探测精度和探测深度,为城市复杂地面环境下开展岩性地层精细划分提供了一种新的台阵布设方案。
关键词:
The microtremor survey method is a new environmental protection geophysical exploration technology with strong anti-interference ability, large detection depth and wide application range. It has been widely used in structure, boulder, karst cave and some other fields. However, the single point data acquisition method represented by circular array is limited by the field conditions. It is difficult for this method to achieve high-efficiency and high-density data acquisition of long profile. This paper presents an efficient data acquisition technology based on linear array with multiple coverage in order to solve this problem. Based on the idea of multiple coverage observation system in seismic exploration, the dispersion curves of multiple measurement points can be obtained by setting up a linear array at one time, which greatly improves the utilization rate of single station data acquisition. The feasibility and effectiveness of the technology were studied by applying the technology to the detection of boulders along subway of Fuzhou airport. The experimental results show that the high-efficiency data acquisition technology based on linear array multiple coverage greatly improves the efficiency and density of microtremor data acquisition, effectively improves the detection accuracy and detection depth, and provides a new array layout scheme for urban complex ground environment.
Keywords:
本文引用格式
陈基炜, 赵东东, 宗全兵, 张宝松, 邸兵叶, 朱红兵, 王佳龙.
CHEN Ji-Wei, ZHAO Dong-Dong, ZONG Quan-Bing, ZHANG Bao-Song, DI Bing-Ye, ZHU Hong-bing, WANG Jia-Long.
0 引言
微动探测法(microtremor survey method,简称MSM)是利用地震台阵记录微动信号的垂直分量估算面波相速度的理论[4],通过对瑞雷波频散曲线进行反演,进而获得观测台阵下方介质S波速度结构,从而达到探测目的。有关该方法的研究起始于20世纪50年代,基于平稳随机过程理论,Aki采用空间自相关处理方法(spatial auto correlation,SPAC)首次从微动信号中提出面波频散曲线[5],奠定了微动理论、方法和技术的发展;Capon采用频率—波数法(F-K法)提取了面波频散曲线,为微动数据处理提供了新的思路[6]。根据频散曲线与横波速度的关系反演出横波视速度结构,并迅速应用于地下结构分层,后来日本学者将其逐渐发展应用于地震构造探测、工程场地稳定性评价、工程地质勘查等多个领域[7]。国内有关微动探测技术的研究相对比较晚,王振东和冉伟彦分别开展了长波微动法用于深部地质结构界面分层研究[8,9]。近年来,随着微动探测方法和技术的不断发展,已被广泛应用于地质结构分层和隐伏断裂构造探测[10]、地热调查[11]、煤矿采空区探测[12]、岩溶勘查[13,14]、城市地质调查等多个领域[15,16,17,18],并取得了不错的效果,尤其在城市强干扰条件下以孤石为代表的不良地质体探测方面[19,20,21,22]表现出独特的优势。
目前,常用的微动观测台阵主要有以下几种:嵌套三角形、十字形、圆形、L形和菱形。这几种观测台阵在城区数据采集时均存在以下问题:① 城区复杂场地布设难度较大;② 数据采集效率低;③ 城区场地狭小导致探测深度有限。因此,在城市复杂环境施工中,采用常规观测台阵很难实现长剖面的高效、高密度、大深度数据采集,严重制约着微动探测技术的广泛应用。随着勘探难度的加大和方法应用的不断深入,以及人们对于探测精度、探测效率及探测深度的更高需求,本文提出一种基于线形台阵多次覆盖的高效数据采集技术,并将其应用于福州市区地下岩性地层精细划分试验中,验证该采集技术的可行性和有效性。
1 微动探测基本原理
图1
假设任意离散观测台阵A和周围测点B的空间自相关函数S(γ,θ)为
式中:g(ω,r,θ)为空间协方差函数,h(ω,φ)为频率—方位密度,ω、r、θ分别为角频率、观测半径、波的入射角,t、k为时间和波数,φ为方位角。
空间协方差函数g(ω,r,θ)的方位平均表达式[23]为
式中J0(rk)为第一类零阶贝塞尔函数。
令ρ(ω,r)为角频率的空间自相关系数,则由式(3)可以确定第一类零阶贝塞尔函数的宗量,再根据式(4)确定瑞雷波相速度c(f),进而得到频散曲线。
式中:h0(ω)为任意离散观测台阵中心点频率—方位密度,f为频率。
2 高效数据采集技术
常用的观测台阵(图2)中,嵌套三角形台阵、圆形台阵和菱形台阵受场地条件限制较大,使得布阵半径或边长受限,很难兼顾施工效率和探测深度,且每次布设一个台阵只能计算一个测点的频散曲线,野外工作效率较低;十字形台阵和L形台阵相对而言在场地条件要求、探测深度等方面有所改善,但仍以单点测量为基础,难以提高数据采集效率和密度,并且以上装置均不利于复杂场地条件下实现长剖面高效、高密度连续数据采集。
图2
2.1 线形台阵多次覆盖采集方式
为了减少城市复杂环境条件下的勘查限制,提高微动探测的野外工作效率、探测深度和精度,本文提出一种基于线形台阵的类地震多次覆盖数据采集技术,其台阵布设如图3所示。该数据采集技术借鉴地震勘探多次覆盖观测系统思想,布设一次线形台阵可以获取多个测点数据,大大提高了单台站利用率,依次沿测线方向挪动整个排列,采用多次覆盖的方式使得排列之间衔接测点连续,可极大提升微动探测的工作效率。
图3
图3
线形台阵多次覆盖台阵布设示意
a—线形连续台阵布设;b—线形连续加密台阵布设
Fig.3
Layout of linear array with multiple coverage observation
a—layout of linear continuous array;b—layout of linear continuous densification array
表1 不同台阵野外数据采集效率统计(24台采集站)
Table 1
采集时间/h | 圆形台阵测点/个 | 三角形台阵测点/个 | 菱形台阵测点/个 | 十字形台阵测点/个 | 线形多次覆盖台阵测点/个 |
---|---|---|---|---|---|
1 | 2 | 2 | 2 | 2 | 13 |
2 | 4 | 4 | 4 | 4 | 26 |
… | … | … | … | … | … |
8 | 16 | 16 | 16 | 16 | 104 |
2.2 可行性和有效性分析
为了验证本文提出的线形台阵多次覆盖采集方式的可行性和有效性,采用三角形、圆形、L形和线形4种台阵布设方式进行对比测量。其中,三角形最大半径4.5 m,圆形最大半径4.5 m,L形最大半径15 m(2个最远测点直线距离的1/2),线形半径15 m(1/2线长),单点测量时长35~45 min。常用台阵与线形台阵单点数据计算的频散曲线如图4所示,可以看出:①不同台阵布设方式的单点频散谱能量整体聚焦相似度较高,采集的速度和分层情况基本一致;②三角形台阵、圆形台阵和L形台阵所计算的频散谱(图4a~图4c)连续性较差,且低频部分延伸较小,这是由于台阵布设太少没有满足低频探测需要导致的;③线形台阵计算的频散谱(图4d)连续性较好,低频部分延伸较长,对探测深部信息有较大的意义。故上述4种台阵布设方式均可以进行测量,但线形台阵多次覆盖采集方式效率明显高于其他台阵(见表1),且探测深度相对较深,有利于实现长剖面条件下高效、大深度、高密度微动数据采集,进而间接提高分辨率。
图4
图4
常用台阵与线形台阵的单点频散谱和频散曲线
a—三角形;b—圆形;c—L形;d—线形
Fig.4
Single point dispersion spectrum and dispersion curve of common array and linear array
a—triangle;b—circular;c—L-shaped;d—linear
图5
图5
线形台阵和圆形台阵横波视速度反演剖面
Fig.5
S-wave apparent velocity inversion profile of linear array and circular array
通过上述不同台阵单点频散曲线和横波视速度剖面对比结果可知:与常用台阵相比,线形台阵数据采集方式在探测精度、探测深度、工作效率、场地条件等方面均有明显优势。
3 工程应用案例
选取福州闹市区段作为应用示范,分析研究基于线形台阵多次覆盖采集方式的微动探测精度和效率,并重点研究该方法技术对于地层结构、断裂和孤石体为代表的不良地质体的探测效果。
3.1 实验区概况
本次实验区段为福州市仓山区南台大道路段(详勘钻孔:MJKZ-09-75~MJKZ-09-83),该段位于山前冲海积平原区域。整体地势较为平坦,场地地面高程一般在6.50~8.50 m之间。根据该区段的野外钻探、现场原位测试及室内土工实验成果[25],得到该区岩土地层主要分布为:上覆人工填土,全新统地层长乐组(海陆交互相沉积层Qhmc、风积层Qheol 、海相沉积层Qhm),上更新统东山组、龙海组(Qpm),下伏基岩为燕山晚期花岗岩(
表2 福州地铁F1沿线钻孔横波波速统计
Table 2
地层名称 | 横波波速/(m·s-1) | 物性标本数 | 速度层 | ||
---|---|---|---|---|---|
最小值 | 最大值 | 平均值 | |||
杂填土 | 138.25 | 139.53 | 138.89 | 2 | A |
填砂 | 126.00 | 162.00 | 142.97 | 9 | |
淤泥质土 | 156.00 | 163.00 | 159.50 | 2 | |
粉细砂 | 140.19 | 212.77 | 174.30 | 24 | |
(泥质)粉细砂 | 208.00 | 251.00 | 230.80 | 5 | B |
(含泥)粉细砂 | 224.00 | 247.00 | 234.50 | 4 | |
粉质黏土 | 208.00 | 228.00 | 218.50 | 4 | |
粉质黏土 | 221.00 | 323.00 | 276.23 | 23 | |
残积砂质黏性土 | 235.00 | 368.00 | 288.20 | 5 | |
花岗岩球状风化(孤石) | 500.00 | 580.00 | 540.00 | 3 | C |
砂土状强风化花岗岩 | 316.00 | 478.00 | 410.30 | 14 | |
碎块状强风化花岗岩 | 523.00 | 687.00 | 608.33 | 6 | |
中风化花岗岩 | 583.00 | 1136.00 | 922.54 | 28 | D |
中风化凝灰岩 | 863.00 | 998.00 | 921.00 | 3 |
3.2 数据采集与处理
微动采集仪器为Geometrics公司研发的Atom采集站,通过测定地下微动信号计算频散曲线。Atom采集站之间采用WiFi和NFC(近距离无线通讯)方式进行数据通信,极大方便了野外操作。野外工作中测试仪器的一致性,保证了观测资料的可靠性;野外数据采集使用基于线形台阵的多次覆盖采集方式(图6)。本次微动探测点距1 m,24个采集站做为1个排列,单次观测时间为35~45 min,观测结束后将整个排列按照多次覆盖的方式移动到下一个排列。
图6
本次微动测量处理解释软件是Geogiga Surface Plus软件。主要数据处理步骤包括:①剔除高频干扰信号,带通滤波参数为0.1~50 Hz;② 对单点数据排列参数进行校验,加载RTK高精度GPS点替换采集站自带的GPS定位(精度低),检查是否与班报记录一致;③ 采用SPAC法提取频散曲线(图7),主要参数设置为: 速度最大值为1 000 m/s, 增量为5 m/s,频率分析范围0.1~20 Hz,时间分析步长5 s,噪音压制5,深度转换系数为0.5,其他均选缺省值。3.3 成果解释在福州地铁F1线三叉街—盖山段MJKZ-09-75~MJKZ-09-83钻孔区间,完成168个微动探测点,长度168 m。微动视横波速度剖面如图8所示,整体垂向上呈现由浅到深速度不断增加特征,存在明显界面信息;结合钻孔岩性资料,横波速度剖面(图8)反映出5个岩性层位,分别为淤泥层、残积砂质黏土层、全风化花岗岩层、强风化花岗岩层和中风化花岗岩层。
图7
图8
图8
微动综合解释剖面
a—微动横波视速度反演剖面; b—地质解释剖面
Fig.8
Comprehensive interpretation profile of microtremor survey method
a—S-wave apparent velocity inversion section of microtremor survey method; b—geological interpretation section
淤泥层底面海拔0~-5 m,平均厚度3~5 m,灰色、灰黑色,流塑~软塑,可见贝壳等,有腥臭味,干强度高,韧性中等。以横波速度<160 m/s划分,在剖面上厚度分布不均匀,100~150 m区段淤泥层变薄。
残积砂质黏土层底面海拔-10~-20 m,平均厚度8~12 m,黄褐、红褐色等,可塑~硬塑,干强度中等,韧性低。以横波速度200~340 m/s划分,在剖面上厚度分布相对均匀,100~150 m区段残积砂质黏土层略微抬升。
全风化花岗岩层底面海拔-18~-28 m,平均厚度8~12 m,呈灰黄色,含大量中粗粒石英颗粒、云母及长石,长石大部分风化成黏土矿物,岩石风化剧烈。以横波速度340~500 m/s划分,在剖面上厚度分布相对均匀,40~70 m区段全风化花岗岩层下底面出现凹陷。
强风化花岗岩层底面海拔-25~-35 m,平均厚度5~12 m, 呈灰黄色、灰色等, 岩石风化强烈,岩石结构破坏严重。以横波速度500~700 m/s划分,在剖面上厚度分布0~90 m较厚,90~200 m逐渐变薄,其中48~65 m区段有断裂发育。
中风化花岗岩层上顶面海拔-25~-35 m,呈灰白色、灰色等,粗粒花岗结构,块状构造,裂隙发育。以横波速度>700 m/s划分,层厚分布不均匀,80~200 m中风化花岗岩上顶面有明显抬升,其中48~65 m区段有断裂发育,中风化花岗岩缺失,由强风化花岗岩填充。
断裂:推测剖面48~65 m段有断裂发育。断裂表现为速度剖面上出现垂向带状低速带,其并与钻孔剖面显示断层相对应。依据微动速度剖面可推测其左右边界及其错断层位,较好显示了断裂空间展布特征。
孤石:根据视横波速度剖面,在148~151 m,海拔-20~-25 m处,推测孤石体1处,位于全风化带中,在横波速度剖面上表现为孤立的高速异常体。
3.4 层位界面划分精度评价
为了研究本次岩性地层界面划分精度,本次岩性地层界面精度评价主要利用相对均方误差开展评价。均方相对误差σ表达式为
式中:N为参与计算的地层岩性界面个数,钻遇海拔深度为Hi,推测海拔深度为
结合本次工作的测量成果,与已知钻孔岩性界面划分资料,采用微动视速度剖面来进行地下岩性界面划分。从表3中可以看出:淤泥层、残积砂质黏性土、全风化花岗岩和强风化花岗岩底界面与推断地层埋深的均方相对误差分别为±1.47 m、±1.54 m、±2.44 m和±2.68 m,总体均方相对误差为±2.03 m,探测精度随埋深增大有所减弱。
表3 推测地层岩性界面海拔精度统计
Table 3
岩性界面 | 分类 | 井号 | 均方相对误差 | |||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
MJKZ-09-75 | MJKZ-09-77 | MJKZ-09-79 | MJKZ-09-81 | MJKZ-09-83 | MJKZ-09-85 | |||
淤泥 | 钻孔结果 | -5.4 | -0.35 | -2.23 | / | -1.54 | / | ±1.47 |
推测结果 | -3.47 | -2.44 | -1.49 | / | -1.57 | / | ||
差值 | 1.93 | 2.09 | 0.74 | / | 0.03 | / | ||
残积砂质黏性土 | 钻孔结果 | -14.4 | -12.55 | -11.53 | -11.13 | -11.14 | -15.47 | ±1.54 |
推测结果 | -10.94 | -13.74 | -12.26 | -10.61 | -11.13 | -15.7 | ||
差值 | 3.46 | 1.19 | 0.73 | 0.52 | 0.01 | 0.23 | ||
全风化花岗岩 | 钻孔结果 | -19.2 | -19.55 | -17.23 | -17.93 | -18.24 | -21.77 | ±2.44 |
推测结果 | -16.45 | -23.37 | -18.69 | -18.22 | -21.61 | -22.1 | ||
差值 | 2.75 | 3.82 | 1.46 | 0.29 | 3.37 | 0.33 | ||
强风化花岗岩 | 钻孔结果 | -33.7 | / | -31.43 | -26.33 | -27.04 | -28.27 | ±2.68 |
推测结果 | -29.35 | / | -28.19 | -23.87 | -26.85 | -28.87 | ||
差值 | 4.35 | / | 3.24 | 2.46 | 0.19 | 0.6 | ||
总体均方相对误差: ±2.03 |
注:“/”表示钻孔未钻遇此层。
工程应用案例成像结果和精度统计结果进一步表明:基于线形台阵多次覆盖采集方式可行、有效,在保证野外工作效率的前提下,实现了高密度数据采集,提升了微动横波视速度精细划分岩性地层界面的精度,取得了较好的应用效果。
4 结语
本文借鉴地震勘探多次覆盖观测系统的思想,提出一种基于线形台阵的多次覆盖采集技术。单点实验、剖面实验和工程实例结果表明该采集方式是可行、有效的。与常规台阵采集方式相比,线形台阵多次覆盖采集方式大大提高了单台站数据采集的利用率,有效改善了野外工作效率、探测深度和精度,为城市复杂场地和电磁干扰环境下开展大深度、高密度、长剖面岩性地层精细划分提供了一种新的台阵布设方式。
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Frequency-wave number spectra of microseisms were obtained by use of a set of short-period and long-period seismometers at LASA (Large Aperture Seismic Array, Montana). At times of relatively high microseismic activity short-period (shorter than 5 seconds) microseisms consist of both body waves and higher-mode surface waves. From the phase velocity and direction of body waves, source areas were determined, coinciding with low-pressure regions on the weather map. At longer periods, microseisms consist of fundamental- mode Rayleigh and Love waves, the former being dominant. Most microseismic energy arrives at LASA from the northeast and the west.
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