微動技術臺陣探測能力分析與應用

陳 實,牛 輝,陶鵬飛,張 靜,胡尊平

(新疆維吾爾自治區地質調查院,烏魯木齊 830000)

0 引言

微動技術是一項被動源探測技術,具有無需人工震源、無損探測、抗干擾能力強、場地條件要求低等優點,對城市復雜環境具有較強的適應能力,已為北京、雄安、青島、濟南等城市地質調查項目提供了重要地質技術資料[1-3]。同時,該項技術近年來廣泛應用于采空區勘查、煤礦陷落柱調查、地下孤石探測、地層速度結構劃分等淺表勘探工作[4-6],取得了良好的地質調查成果。

在采集儀器方面,早先應用廣泛的面波儀器為有線式連接,只能應用三重圓觀測模式采集天然面波信號,設備體積大、線纜數量多,工作效率較低,難以開展大探測深度工作。2020年以來,國內多家單位研制出集數據采集、數據存儲、數據傳輸為一體的三分量式微動數據采集站,理論上可布設任意形狀的觀測臺陣,大大拓展了微動技術的可適用范圍。

在大量的實際工程應用之后,微動技術的有效性得到了驗證,但也發現不同參數的觀測臺陣獲得的頻散曲線有所差別。為了討論不同參數觀測臺陣的探測能力,基于項目組近年來的微動技術應用成果,筆者從探測深度和縱向分辨力2個維度,確定4類臺陣參數用以評價觀測臺陣的探測能力。其中,影響臺陣探測深度的主要因素為臺陣邊長和檢波器主頻;影響觀測臺陣縱向分辨力的主要因素為臺陣形式和采樣間隔。

1 微動技術概述

1.1 基本原理

微動技術法也稱天然源面波法,是從天然微動技術信號中提取瑞利面波的頻散特性,通過對頻散曲線反演來推測地下的橫波速度結構。在數據采集方面,微動技術臺陣形式中嵌套式三重圓臺陣有利于接收不同方向、不同波長的面波信號,數據信息豐富,應用范圍最為廣泛(圖1)。外業工作時,在同心圓中心處放置檢波器,其余接收檢波器均勻布置在多個半徑不同的圓周上,進行數據采集工作。

圖1 微動技術臺陣測點布設方式

在數據處理方面,微動技術中頻散曲線的提取方法主要有空間自相關法(SPAC)、擴展式空間自相關法(ESPAC)和頻率-波數(F-K)法[7],筆者選取空間自相關法提取面波頻散曲線。在SPAC算法中,首先給定一組平穩隨機信號為微動信號,假設微動信號是時間t和位置矢量X(t,ξ(r,θ))的函數,某一時刻的微動信號可以看作是平穩隨機過程的樣本函數,設這一樣本函數為。設地表的兩點微動觀測信號分別為:

(1)

定義A、B兩點的空間自相關系數S(r,θ)為:

h(ω,φ)dφ]dω=

(2)

g(ω,0,0)J0(rk)

(3)

定義ρ(ω,r)為角頻率ω的空間自相關系數,可得到:

(4)

用空間自相關法處理天然源面波數據時,首先將實測微動記錄分為若干個數據段,剔除有明顯干擾的數據段,將各個有效數據段進行濾波處理并提取其功率譜,再對不同頻率分別計算中心測點與圓周上各點的空間自相關函數,最終求出相速度獲得相速度頻散曲線。對于獲取的面波頻散曲線,分析曲線的頻點分布特征,進行地質分層及地層速度反演工作,并利用已知的鉆孔及地質先驗信息完成剖面的地質解譯工作。

1.2 臺陣探測能力

目前,微動技術的工作方式為單點數據采集、二維剖面數據成圖,單個測點獲取的頻散曲線為該測點臺陣范圍內不同深度地層速度的綜合反映。因此,筆者根據頻散曲線的形態特征評價臺陣的觀測能力。場地試驗儀器為北京水電物探研究所WD-1C型智能微動勘探儀,本套儀器為WD-1型智能微動儀的升級款,實現了大邊長、任意形狀的觀測臺陣,可在外業工作現場實時顯示頻散曲線,避免盲目工作。

本次微動技術試驗區位于烏魯木齊二號臺地北部,場地平坦寬闊,周圍無建筑物或人為干擾,并已獲取場地內的鉆孔資料,非常有利于開展微動技術的場地試驗。在各類采集參數的對比試驗中,為了增強檢波器與地面的耦合,所有檢波器在埋設時均將12 cm長的尾椎擰緊并全部插入密實的地面。在數據采集時,為了減少人類活動對面波采集的不利影響,設立警戒線阻止行人進入測試圓圈,以提高采集資料的信噪比。

2 臺陣探測深度

2.1 最大邊長

在微動技術中,臺陣探測深度與臺陣邊長呈正相關。為定量化討論本區最大邊長與探測深度的關系,采用嵌套式三重圓臺陣布設全部10道檢波器,臺陣最大邊長分別設置為40 m、60 m、120 m、200 m。

對比上述4條頻散曲線結果可以看出(圖2),隨著最大邊長的增大,臺陣所能采集的低頻震動信號越豐富,故增大臺陣最大邊長能有效提高探測深度。但由于WD-1C型儀器為有線連接,大邊長臺陣的工作效率顯著降低。為討論微動技術實現大深度探測目標的技術路線,項目組選用國內新研制的無線型智能微動探測儀,布設兩組300 m和500 m觀測臺陣。

圖2 不同臺陣邊長頻散曲線

由圖3可知,無線型微動儀可明顯加大探測深度,野外施工較為便捷。但是隨著臺陣邊長不斷增大,淺部探測盲區范圍不斷擴大,盲區范圍與臺陣最小邊長基本一致。但大邊長無線型觀測臺陣也存在不足之處:當邊長超過200 m范圍后,主機建立的局域Wifi網無法覆蓋全部檢波器,采集現場無法實時監測頻散曲線質量。

圖3 無線型儀器不同臺陣邊長頻散曲線

綜合上述不同臺陣邊長的試驗結果,項目組定量統計了邊長與深度的對應關系(表1)。其中深度系數n為有效探測深度H與臺陣最大邊長Lmax的比值。

表1 不同邊長臺陣探測范圍

由表1可知,不同連接方式的微動勘探儀器,臺陣的有效探測深度均與最大邊長呈正相關。在此,我們通過建立深度系數的衰減模型來計算本區內微動技術有效探測深度H與臺陣最大邊長L的經驗公式。經過對比對數函數與指數函數的數學特性,該對應關系基本滿足指數線性方程。按最小二乘法求取擬合曲線常數后,得出本區內微動技術有效探測深度H與臺陣最大邊長L的經驗公式為式(5)。

H=160.61*ln(Lmax)-421.84

(5)

從圖4可以看出,隨著臺陣最大邊長的增加,臺陣可接收的低頻數據更豐富,故有效探測深度會同步增大。但大邊長臺陣也有不足之處,深度系數隨邊長增大呈指數型衰減、淺地表高頻數據不足。此外,新疆烏魯木齊在地理位置上屬于內陸遠海區,低頻信號能量較弱,故在本區的微動技術成果顯示,臺陣的勘探深度為最大邊長的2倍～5倍,倍數關系略小于內地沿海地區。

圖4 探測深度與最大邊長關系圖

2.2 檢波器主頻

目前微動技術儀器的檢波器主頻主要有三種:2 Hz、1 Hz及0.4 Hz。本次試驗選用2 Hz和1 Hz兩組不同主頻檢波器、應用嵌套式三重圓臺陣采集數據,探討檢波器主頻與探測深度的影響關系。

從圖5可以看出,在同邊長臺陣下,不同主頻檢波器采集的頻散曲線中淺部信息基本一致,1 Hz檢波器由于頻帶范圍更低,能獲取的曲線深度更大、深部地層速度更為可靠。但是1 Hz檢波器靈敏度高、重量大、體積大,需要埋置在地表0.3 m以下,會降低野外施工效率。

圖5 不同檢波器主頻頻散曲線

3 臺陣縱向分辨力

3.1 不同臺陣形式

目前微動技術的采集儀器理論上可實現任意形狀的觀測臺陣,其中嵌套式三重圓臺陣因可接收不同方向、不同波長的震動信號,應用最為廣泛[8]。本次試驗分別設置嵌套式三重圓、三線式、十字型、T型、L型、直線型共6種臺陣,對這6種臺陣依次進行微動技術勘探試驗(圖6)。

圖6 微動技術常用觀測臺陣形式

從圖7可以看出,①嵌套式三重圓及三線式兩類臺陣采集的頻散曲線收斂度高、一致性良好;②L型、T型及十字型采集的頻散曲線在160 m以下曲線出現明顯回拐,數據可靠性較低;③直線型與嵌套式三重圓臺陣結果相比,深部地層(>200 m)速度大于1 500 m/s,速度值明顯偏高,數據不可靠。試驗對比結果表明:①在場地條件寬闊、便于布設的情況下,應該首選嵌套式三重圓或三線式臺陣,這樣既能確保頻散曲線提取的可靠性,又能深淺兼顧;②在場地條件狹窄的情況下,當目標探測深度較淺時,可選取直線形臺陣并利用其中淺部數據進行解譯,這樣不僅可以縮短布陣時間,而且可以保證探測的有效性。綜上,要根據場地條件和探測要求等因素來合理選取臺陣陣形。

圖7 不同臺陣形式頻散曲線

3.2 采樣間隔

采樣間隔是指每秒從連續信號中提取兩次信號之間的時間間隔[9]。在其他參數相同的情況下,選取5 ms、10 ms和20 ms三種采樣間隔進行試驗,重點對比三種曲線的垂向分辨力。分析上述試驗結果可知(圖8),在100 m深度以淺,兩種曲線的拐點位置和幅值基本相同,但在100 m～160 m深度范圍內,5 ms采樣間隔下獲取的頻散曲線收斂程度最好。這是因為相同時間內采樣間隔過大造成低頻帶采樣數據量較少而產生的曲線擾動,隨著采樣間隔的增大,曲線的垂向分辨力不斷降低。因此在實際工作中,采樣間隔越小,所獲得的數據量越大,曲線對薄層的分辨能力也越強。

圖8 不同臺陣采樣間隔頻散曲線

基于上述參數試驗成果,筆者總結出微動技術實現大探測深度的技術路線,具體應用方式見表2。

表2 微動技術大深度探測技術路線

4 工程應用

基于以上各類采集參數對比試驗的分析結果,筆者在厚覆蓋區隱伏斷裂勘察項目中進行了實際應用。八鋼石化斷裂在地理位置上,西起八鋼,向東經王家溝、軸承廠至烏魯木齊石油化工總廠以東,全長約40 km。該斷裂為烏魯木齊市區范圍內的主斷裂,具有覆蓋層厚度變化大、次級斷裂多、高傾角的復雜地質特征,斷裂東段出露地表,西段斷層兩盤第四系厚度差異明顯,沿斷裂地下水形成大幅度的跌水[10]。

前人曾采用可控震源淺層地震技術分析了八鋼石化斷裂的分布、產狀、活動性及活動年代,技術成果質量高。本項目組在2017年采用“微動技術+高密度電法”的綜合物探技術,查明了該斷裂中段的地質特征,斷裂西段由于覆蓋層厚度過大,2020年前人試驗性應用三分量諧振技術及高密度電法的綜合物探技術,基本查明了西段的地質特征。

基于本次場地試驗成果,為了詳細查明八鋼石化斷裂西段的地質特征,并與前人工作成果相對比,在前人工作區附近開展微動技術探測工作(圖9)。觀測臺陣選取嵌套式三重圓及直線型,其中三重圓最大邊長為200 m,直線型臺陣道間距10 m,24道檢波器。其他采集參數為:5 ms采樣間隔、1 Hz檢波器,迭代次數600次,點距為50 m。本次工作中,0 m、50 m及100 m三個測點位于公路綠化帶內,采用直線型觀測臺陣,其余測點為嵌套式三重圓。

圖9 測線位置布置圖

從圖10可以看出,剖面有效探測深度可達400 m。地表下有2個波速突變界面,第一個界面埋深約20 m,橫波速度為400 m/s,反映介質較疏松,推測為晚更新世的沖洪積物;第二個界面埋深為160 m左右,其上部介質波速變大,為400 m/s～800 m/s,其下部介質速度為800 m/s～1400 m/s,反映介質較致密,該層為下更新統砂礫巖。在剖面100 m及300 m,埋深150 m以下,存在兩組特征相近的低速凹陷帶,推斷為八鋼石化斷裂的兩組次級斷裂,斷面南傾,傾角為75°～85°,具逆沖性質,若測點間距縮小為20 m,異常形態將更為豐富。探測成果與前人結論基本一致,表明場地試驗成果具有可應用推廣性。

圖10 八鋼石化斷裂西段微動技術探測成果

5 討論與總結

筆者以探討建立微動技術大探測深度技術路線為目標,以臺陣邊長、檢波器主頻、臺陣形式及采樣間隔4類參數為觀測臺陣的技術變量,通過場地試驗系統分析了臺陣的探測能力。場地試驗結果表明:①微動技術可通過應用“無線型低頻微動采集站”實現大探測深度,但是嵌套式三重圓臺陣在使用大邊長觀測臺陣時,淺部數據盲區范圍較大;②本區內觀測臺陣探測深度與臺陣邊長呈正相關,但隨著邊長增大,深度系數呈指數性降低;③對于微動技術的觀測臺陣,嵌套式三重圓及三線式臺陣數據分辨力最好,直線型施工便捷,適用于道路等場地狹窄地區,但其獲取的頻散曲線深部地層速度明顯偏大,可靠性低;④對于直線型觀測臺陣,若工作區震動噪聲較小,不同方向獲取的頻散曲線一致性良好,若工作區震動噪聲大且頻繁,頻散曲線的收斂度明顯降低甚至不收斂。

基于上述場地試驗結果,項目組提出了微動技術的改進建議:①對于大邊長臺陣,建議使用嵌套式多重圓,這樣可實現從淺至深震動信號全采集;②對于直線型觀測臺陣,因采集道數較多,震動數據信息體量大、內容豐富,應從算法方面注重頻散曲線的提取技術;③微動技術采集的信號為相對低頻震動,提取的頻散曲線在淺地表收斂度低,可在同測點實施人工源與天然源的數據采集,提升淺部面波頻散譜的能量集中度,從而獲取深度更大、精度更高的面波頻散曲線。