天然源震動成像技術在城市隱伏斷裂勘察中的應用

牛永效 王官超 祁曉雨 馬傳廣 秦海旭

(中國鐵路設計集團有限公司,天津 300308)

引言

斷裂與地震等地質災害緊密相關[1],對高速鐵路選線、工程類型選擇、運營安全影響較大[2]。 隱伏斷裂隱伏于地下,地表無出露,野外調查困難[3],需要采用物探等技術手段查明其位置和產狀[4]。

國內外相關學者在斷裂物探技術研究與應用方面開展了大量工作。 季淞達結合山西某鐵路,研究天然源大地電磁法、直流電測深法和電阻率聯剖法相結合的綜合物探技術,并對其應用效果進行探討[5];周學明采用小道間距、小炮距、高覆蓋次數的高分辨淺層反射技術對某鐵路隱伏斷裂進行勘察[6];劉保金等研究了三分量淺層地震反射技術在北京黃莊—高麗營隱伏活動斷裂勘察中的應用[7];李富等研究高密度電阻率法、大地電磁測深和氡氣測量3 種方法聯合的綜合勘探方法,并在安寧秧財溝斷裂中進行應用[8]。

以往研究工作主要側重于建筑物及干擾較少地區的隱伏斷裂勘察。 在城市地區,周圍環境復雜,建筑物密集、道路縱橫、高壓線及車輛震動等干擾因素大[9],傳統的地震反射、地震折射、大地電磁、瞬變電磁、高密度電法等勘察方法實施困難。 針對上述困難,研究了一種天然源震動成像勘察新技術,該技術利用節點式地震儀對天然源背景噪聲進行觀測[10],直接對單道三分量地震記錄進行特征頻率提取[11],隨后進行頻率-深度轉換并對地下地質體進行成像,無需開展不同地震道之間的交互處理[12]。 該技術利用自然界震動信號為震源[13],無需人工震源、頻帶寬[14]、勘探深度大,不受地形地質條件和人文干擾因素的影響[15]。 對天然源震動成像的基本原理和數據處理流程進行深入研究,并結合某新建鐵路項目進行應用。 該項目穿越某隱伏活動斷裂,為保障工程建設和運營安全,需查明隱伏斷裂的分布。 工點周圍建筑物密集、車輛震動及高壓線等干擾因素大,傳統地震物探及電磁類物探方法實施困難,故利用天然源震動成像技術對該隱伏斷裂進行勘察。

1 基本原理

與傳統地震方法(包括地震反射、折射等)主要利用時間域地震波傳播走時特征不同[16],天然源震動成像是一種頻率域地球物理勘探新方法。 該方法的數據處理流程中,利用單點三分量檢波器采集天然源震動信號,進行噪聲壓制、道均衡等預處理后[17],提取特征頻率、成像,具體處理流程如下。

(1)步驟1

通過中值濾波的方式剔除原始數據上分布零散的異常振幅噪聲。 對于給定的某數字信號序列x(i)進行濾波處理時,需要首先定義1 個為奇數的窗口長度L,L= 2×N+1(N為正整數,以確保窗口長度為奇數)[18],對于某一采樣點i,其對應窗口內的信號樣本為x(i-N)……x(i)……x(i+N),其中x(i)為窗口中心的樣本值,對L個信號樣本值從小到大排列,中值(i處)定義為中值濾波器的輸出值,有

式中,y(i)為中值濾波輸出;Med為濾波算子。

(2)步驟2

將各道乘以不同的權衡系數后輸出,能量小的道乘以大權,能量大的道乘以小權,使各道的能量達到均衡[19]。 假設待均衡的記錄道數為M,總的平均振幅為

每道的平均振幅為

式中,i為道序號;j為道內采樣點序號;N為記錄道內采樣點總個數;fi,j為第i道第j個采樣點均衡之前的振幅值。

根據式(3)可以計算出第i道上的權系數

對第i道的每個采樣點來說,Wi為常數,第i道均衡后的振幅值為

(3)步驟3

進行特征頻率提取,特征頻率f表征地層厚度、密度和速度的關系,其表達式為

式中,f為特征頻率;h為地層厚度;ρ為密度;Vp為縱波速度;Vs為橫波速度。

楊先生不做聲了。他摸出包煙，抽出兩根，遞給大梁一根。他說：“馬占山將軍牌的煙。這煙現在金貴，漢口市面上也早都冇得賣的。這還是慢成帶給我的，我擱了好幾年。么樣兒，是不是有點兒霉味？”

(4)步驟4

基于各道獲取的特征頻率,利用改進的遺傳算法(GA)在深度域進行成像[20],獲得成果剖面,第n層的厚度Hn計算式為

式中,δn為泊松比。

2 工程應用實例

結合某新建高鐵項目的城市隱伏活動斷裂勘察,進行天然源震動成像應用研究,并對其應用效果進行評價。

2.1 數據采集

研究工區環境復雜,建筑物密集,高壓線及車輛震動等干擾因素大,現場數據采集采用節點式三分量檢波器,頻帶寬0.3~150 Hz,采樣間隔1 ms,采樣時長60 min,點距10 m。

2.2 數據處理

野外原始記錄見圖1,由圖1 可知,野外原始記錄中包括自然界的天然源震動數據,也有周邊車輛震動等產生的干擾數據(如圖1 中圓圈位置所示),其中天然源震動能量較小,干擾數據能量較大,需去除干擾數據。

圖1 野外原始數據

由于數據量較大,下面以其中1 個記錄為例,介紹數據處理過程。

原始數據去噪前后的對比見圖2,其中,X、Y、Z分別代表3 個方向的天然源震動數據,由圖2 可知,經過去噪處理后,原始記錄的異常振幅噪聲、面波、單頻干擾等均得到了有效的去除和壓制,可大幅提高原始記錄的信噪比。

圖2 原始數據去噪前后對比

經過去噪、道均衡處理后,天然源震動數據可分為48 段,把每段數據分別進行傅里葉變換并疊加,有

式中,Fn為第n段記錄的頻譜,x、y、z分別為3 個方向的分量數據;ε1、ε2、ε3分別為3 種分量的權系數,某一時間段的天然源震動數據見圖3。

圖3 某時間段內天然源震動數據

通過傅里葉變換并疊加后得到的頻譜見圖4,由圖4 可知,頻譜圖中有很多峰值,這些峰值即為天然源震動信號的特征頻率。

圖4 天然源震動信號特征頻率

提取特征頻率后,基于改進的遺傳算法進行成像和高程校正,得到每一層的厚度Hn與對應的振幅值,形成成果剖面,并結合地質資料對成像結果進行解釋。

2.3 成果解釋

該工點的天然源震動成像成果剖面見圖5,不同顏色代表不同的相對振幅值,相對振幅值大小與巖土體的軟硬有關,相對振幅值等值線的變化與巖土體的完整性相關。 由圖5 可知,第四系覆蓋層與下伏基巖之間界面成像清晰,分布連續,覆蓋層厚度與附近鉆孔第四系松散地層厚度一致,參考附近鉆孔資料,推斷下伏基巖為砂巖。 在里程1 100 m 左右,2 層相對振幅值等值線不連續,左側砂巖厚度較薄,上界面埋深小,右側砂巖厚度較厚,且上界面埋深大,推斷存在一逆斷層F1。 經收集地質資料對比驗證,該處存在一處逆斷層,與天然源震動成像勘探成果推薦位置基本吻合。

圖5 天然源震動成像成果剖面(單位:m)

3 結論

(1)天然源震動成像技術可直接利用自然界震動信號,無需人工震源,具有信號源豐富、頻帶寬、勘探深度大等優點。

(2)天然源震動成像利用分布式單點三分量檢波器,現場布置靈活,無需不同道之間的交互處理,受地形條件和人文干擾因素的影響小,在建筑物密集,高壓線及車輛震動等人文干擾因素大的城市地區具有明顯優勢。

(3)結合某高鐵項目,利用天然源震動成像技術查明150 m 深度范圍內的第四系覆蓋層埋深、基巖界面、逆斷層的位置、產狀(逆斷層)。 應用結果表明,該技術對深厚覆蓋層條件下的城市隱伏斷裂具有較高的勘探精度。