本文重點(diǎn)介紹瑞雷面波的勘探方法及應(yīng)用領(lǐng)域。文中首先介紹了面波勘探的基本流程、幾種常見的面波勘探方法,以及在不同領(lǐng)域的應(yīng)用,最后介紹了美國Seismic Source公司的Sigma4+地震儀,該產(chǎn)品在面波勘探領(lǐng)域具有良好的普適性。
隨著工程建設(shè)場地復(fù)雜程度以及施工難度的提高,巖土工程的施工與設(shè)計(jì)對(duì)地下層位的厚度、橫波速度、巖石物理學(xué)參數(shù)提出了更高的精度要求。
面波勘探技術(shù)具有探測精度高、土層劃分較精細(xì)、干擾小、成本低等特點(diǎn),近幾十年發(fā)展迅速,并廣泛應(yīng)用于淺地表勘查。
面波勘探的研究始于上世紀(jì)60年代。經(jīng)過幾十年的發(fā)展,面波勘探技術(shù)和處理方法已經(jīng)相當(dāng)成熟。主動(dòng)源面波勘探由穩(wěn)態(tài)發(fā)展到瞬態(tài),再由瞬態(tài)的表面波譜方法發(fā)展到多道瞬態(tài)面波勘探方法,勘探精度及勘探效率也在逐漸提高,應(yīng)用的領(lǐng)域也越來越廣泛。
與主動(dòng)源不同,被動(dòng)源方法在工程應(yīng)用方面起步較晚,但發(fā)展速度較快,方法也越來越成熟,包括空間自相關(guān)法、頻率波數(shù)法、HV譜比法等。
01 穩(wěn)態(tài)面波法
穩(wěn)態(tài)面波的應(yīng)用相對(duì)較早,它主要是通過激振器發(fā)出某一頻率的正弦波,然后使接收點(diǎn)的距離等于激發(fā)頻率對(duì)應(yīng)的波長,此時(shí)示波器將顯示相同相位的波形。將檢波器移動(dòng)到n倍波長時(shí),n個(gè)測點(diǎn)連成的時(shí)距曲線的斜率就是對(duì)應(yīng)頻率的面波速度。通過激發(fā)不同頻率的信號(hào),然后將這一系列頻散點(diǎn)連接起來即為頻散曲線 。在得到頻散曲線后,根據(jù)瑞雷波與剪切波的速度關(guān)系,以及面波反演中的半波長法,就可以得到二維橫波速度剖面。該方法由于采用的是經(jīng)驗(yàn)法得到的橫波速度結(jié)構(gòu),因此存在一定的誤差。由于穩(wěn)態(tài)面波法設(shè)備笨重,在地形復(fù)雜地區(qū)很難操作,給施工帶來一定的麻煩,后來這種方法的應(yīng)用逐漸減少。
02 表面波譜分析方法(SASW)
表面波譜分析法通過震源激發(fā)地震波信號(hào)以后,將會(huì)產(chǎn)生一較寬頻帶的信號(hào),然后利用兩個(gè)檢波器進(jìn)行接收,并根據(jù)兩個(gè)檢波器的距離以及單一頻率的相位差,可求得此頻率的相速度,進(jìn)而得到頻散曲線。SASW方法可以同時(shí)檢測多層介質(zhì)中各層的厚度及速度,測量速度快,精度相對(duì)較高。但由于工區(qū)噪聲、信號(hào)衰減、以及空間假頻和近場效應(yīng)的影響,一般測得的數(shù)據(jù)頻帶范圍廣。為了提高頻帶的分辨率,實(shí)際數(shù)據(jù)采集過程中,要調(diào)整近源檢波器與源的距離,使其和道間距相等 。表面波譜法相對(duì)于穩(wěn)態(tài)法而言,施工簡便,更能適應(yīng)地形的復(fù)雜多變,但是由于一直沿用2個(gè)垂直分量檢波器接收,道數(shù)較少,在干擾波復(fù)雜的地區(qū)很難達(dá)到較好的勘探效果。
03 頻率波數(shù)法(F-K)
頻率波數(shù)法是通過二維傅里葉變換將頻率空間域的信號(hào)轉(zhuǎn)化成頻率波數(shù)域,然后得到一個(gè)炮集記錄的能量分布情況,再根據(jù)振幅能量最大的特點(diǎn)提取頻散曲線 。但傳統(tǒng)的頻率波數(shù)法存在一定的缺陷,對(duì)高階的能量分比率較差,進(jìn)入21世紀(jì)以后,在傳統(tǒng)方法的基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)優(yōu)化:將傳統(tǒng)的頻率–波數(shù)域波數(shù)形式改造成頻率–速度域形式,然后引入多重信號(hào)分類算法將空間譜相關(guān)矩陣分解為信號(hào)子空間和噪聲子空間兩個(gè)部分,最后利用噪聲子空間部分生成最終的面波頻散圖像,大大提高了精度。經(jīng)過改進(jìn)后的頻率波束法,可以提高高階面波的分辨率,但是由于對(duì)于檢波器的要求比較高,采集過程中檢波器必須沿著測線等間距分布,中間不能有空道,否則就會(huì)影響其成像精度。
04 τ-p法
τ-p法是一種離散化的線性拉東變換。它將時(shí)間和空間域的地震數(shù)據(jù)按照不同的截距時(shí)間 τ 和斜率p作切割線,然后傾斜疊加投影到 τ-p 域,接著進(jìn)行一維傅里葉變換,將 τ-p 域結(jié)果映射到 f-p 域,再根據(jù)速度與慢度的關(guān)系,將 f-p 域的結(jié)果映射到f-v域,就可以看到面波能量的頻散現(xiàn)象,并根據(jù)能量團(tuán)最大的特點(diǎn)提取頻散曲線 。
τ-p法對(duì)面波高階的分辨率較高,并且經(jīng)過改進(jìn)之后,對(duì)于提取瞬態(tài)瑞雷波頻散曲線具有失真小、可靠性高、壓制假頻和端點(diǎn)效應(yīng)好等優(yōu)點(diǎn)。
05 相移法
該方法可以說是頻率波數(shù)法的改進(jìn),它的不同在于未變換到波數(shù)域而直接利用了空間相位信息來計(jì)算相速度。具體做法是把變換到頻率域后的面波記錄表示成振幅與相位的乘積,然后將振幅項(xiàng)進(jìn)行歸一化處理,此時(shí)會(huì)形成單炮的頻散能量圖,依據(jù)能譜提取頻散曲線。相移法對(duì)基階面波頻散曲線的提取效果較好,并且經(jīng)過伍敦仕改進(jìn)之后的互相關(guān)相移法,提高了常規(guī)相移法在面波頻散成像方面的品質(zhì),更加能適應(yīng)對(duì)基階面波的分辨。
06 傾斜疊加法
傾斜疊加法只和偏移距有關(guān),與檢波器的排列方式無關(guān),該方法利用頻率掃描函數(shù)與炮集記錄進(jìn)行卷積將頻率分解,把時(shí)間變?yōu)轭l率,接著用傾斜疊加的方式得到每個(gè)速度的疊加能量值,使瑞雷波頻散曲線的精度得到較大幅度的提高。傾斜疊加法為三維面波勘探的理論打下了基礎(chǔ),未來更加能夠適應(yīng)三維面波勘探任務(wù)。
01 空間自相關(guān)法(SPAC)
空間自相關(guān)法關(guān)鍵在于計(jì)算自相關(guān)系數(shù),然后根據(jù)系數(shù)計(jì)算相速度,目前主要分為時(shí)域計(jì)算和頻域計(jì)算兩種方式。時(shí)域計(jì)算首先是將連續(xù)記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行截取,分成若干的道集記錄;然后對(duì)每一道數(shù)據(jù)進(jìn)行窄帶濾波,計(jì)算不同頻率時(shí)圓心與圓周上各點(diǎn)的空間自相關(guān)系數(shù),并且進(jìn)行方位平均;最后使用不同觀測半徑的自相關(guān)系數(shù)計(jì)算相速度。頻率域的計(jì)算過程是去掉了窄帶濾波這個(gè)過程,只進(jìn)行一次傅里葉變換就可以在時(shí)域里進(jìn)行計(jì)算,大大提高了計(jì)算效率。SPAC方法只需較少的接收點(diǎn)就能反映較寬的頻率范圍,特別是對(duì)低頻段的信息分辨率較高,但很難分辨高階面波。
02 頻率波數(shù)法(F-K)
F-K法相對(duì)于傳統(tǒng)SPAC法,臺(tái)陣布設(shè)比較靈活,十字型、L型、圓形等都可以。傳統(tǒng)的頻率波數(shù)法是利用中心頻率不同的窄帶濾波器,提取相似性較好的各數(shù)據(jù)段中不同頻率的F-K功率譜,根據(jù)功率譜上最大的峰值坐標(biāo),計(jì)算得到不同頻率的相速度值。由于被動(dòng)源波場一般都比較復(fù)雜,F(xiàn)-K頻譜上經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)多個(gè)峰值,使得分辨率降低,給提取頻散曲線帶來一定的困難。后來在此基礎(chǔ)上對(duì)傳統(tǒng)的方法進(jìn)行了改進(jìn),主要是將各個(gè)方向上的F-K頻散譜疊加,然后在疊加后的頻散譜上提取頻散曲線。具體的做法是將連續(xù)記錄的數(shù)據(jù)截取成記錄長度一樣的道集記錄,然后經(jīng)過二維波場變換生成頻散譜,再將所有方向上的頻散譜疊加合成新的頻散譜。F-K法能分辨高階面波,但采集過程中需要較多的接收點(diǎn),而且當(dāng)信號(hào)源來自各個(gè)方向時(shí),分辨率會(huì)顯著降低。
03 HV譜比法(HVSR)
HVSR法主要是在自相關(guān)分析的基礎(chǔ)上,計(jì)算同一觀測點(diǎn)水平分量和垂直分量的譜比,并依據(jù)譜比估算地下橫波速度特征,同時(shí)可以根據(jù)譜比峰值對(duì)應(yīng)的頻率推測地層地下構(gòu)造,是一有效的半定量的地震場地評(píng)價(jià)方法。HV譜比法相對(duì)于其他方法,采集相對(duì)方便,能適應(yīng)各種的地形,但是不能完全定量的反演地下橫波速度結(jié)構(gòu),目前國內(nèi)外的應(yīng)用還比較少,大多用在區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造調(diào)查中。
面波勘探主要是應(yīng)用其頻散特性,即在均勻水平層狀介質(zhì)中,其速度會(huì)隨著頻率變化,頻率越低,傳播的速度就會(huì)受到越深的地層介質(zhì)的影響。其基本流程包括三方面(如圖1):通過野外觀測獲得不同頻率的面波數(shù)據(jù);再利用一定的處理方法提取頻散曲線;最后經(jīng)過反演方法獲得二維橫波速度結(jié)構(gòu),從而得到不同深度的介質(zhì)屬性。
01 面波數(shù)據(jù)采集
原始數(shù)據(jù)采集時(shí)要根據(jù)勘探深度及目的來設(shè)定,主動(dòng)源面波勘探主要以線型為主(如圖2),道間距要小于最小勘探深度;偏移距一般根據(jù)地層波速來設(shè)定;最大源檢距采集到的面波要保證能被記錄到;激振方式(錘擊、炸藥)要根據(jù)勘探深度和薄層厚度來確定。而被動(dòng)源數(shù)據(jù)采集一般要布設(shè)臺(tái)陣(如圖3),臺(tái)間距的1~5倍為有效探測深度(此處不同文獻(xiàn)描述各不相同,僅做參考)。同時(shí),臺(tái)陣有方向選擇性,對(duì)于平行于排列方向的波的分辨力好,因此目前圓形臺(tái)陣與三角形臺(tái)陣在實(shí)際應(yīng)用中比較常見。
02 頻散曲線提取
頻散曲線的提取是面波勘探最關(guān)鍵的一步,其精度的高低將直接影響后面的反演。目前主動(dòng)源面波頻散曲線提取的方法比較多,但每一種方法有自己的優(yōu)缺點(diǎn),比如τ-p法對(duì)高階模態(tài)的提取效果較好,而相移法對(duì)基階模態(tài)的提取效果較好,實(shí)際應(yīng)用中兩者可以優(yōu)勢互補(bǔ)。F-K法對(duì)高階面波敏感程度更高。傾斜疊加法可為三維面波勘探提供方法技術(shù)支持。高分辨率線性拉東變換可以降低噪聲模型的數(shù)據(jù)限制,提高能量譜的分辨率。被動(dòng)源面波中SPAC法應(yīng)用的較多,這主要是因?yàn)樗鼘?duì)低頻段信息分辨率高,而且頻率范圍寬;F-K法能夠區(qū)分高階面波,但要求的接收點(diǎn)較多,而且當(dāng)信號(hào)源來自各個(gè)方向時(shí),分辨率會(huì)顯著降低。HV譜比法采集相對(duì)方便,能適應(yīng)各種的地形,但不能完全定量的反演地下橫波速度結(jié)構(gòu)。
03 橫波速度反演
最早面波反演用的是半波長經(jīng)驗(yàn)法,這種方法算出的結(jié)果一般誤差較大,后來發(fā)展為通過建立正演模型不斷進(jìn)行擬合,調(diào)整與實(shí)際頻散曲線的誤差,得出反演結(jié)果的方式。隨著近些年最優(yōu)化理論的發(fā)展,目前反演方法主要分為最小二程法和全局搜索算法,前者對(duì)初始模型要求比較高,后者較低,但收斂速度會(huì)變慢 。實(shí)際應(yīng)用時(shí)應(yīng)根據(jù)工區(qū)的地質(zhì)情況和勘探目的,合理的選擇反演方法。
03 Sigma 4+ 地震儀
Sigma系列地震儀是Seismic Source公司出品的性能優(yōu)越的無線連續(xù)記錄地震系統(tǒng),該系列最新型號(hào)Sigma4+可在無需任何數(shù)字傳輸電纜的情況下,可很好地實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)設(shè)備所有功能,包括震源控制系統(tǒng)、靈活的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、GPS時(shí)間同步系統(tǒng)、遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)記錄質(zhì)量檢查系統(tǒng)、以及地震數(shù)據(jù)收集功能。
———Sigma 4+地震儀———
Sigma4+地震儀包括3通道和4通道兩種型號(hào),可選外接任意主頻檢波器或內(nèi)置2Hz主頻檢波器,多臺(tái)設(shè)備可組合擴(kuò)展至數(shù)百個(gè)通道,該設(shè)備輕便小巧,堅(jiān)固,通過連接不同主頻檢波器,可兼容所有的面波勘測方法,其無線設(shè)備特性可不受地形約束展開陣列,靈活開展測量。
應(yīng)用領(lǐng)域
油氣勘測
誘發(fā)地震監(jiān)測
地質(zhì)巖土工程
振動(dòng)/聲學(xué)監(jiān)測
地震監(jiān)測
解決方案
油氣勘測用戶:反射波法
誘發(fā)地震監(jiān)測用戶:長期/短期監(jiān)測、地面測量-井中監(jiān)測、地面測量-注入監(jiān)測(水力壓裂、廢液注入/處理)
地面測量:礦井挖掘監(jiān)測
工程地震用戶:反射波法、折射波法、MASW、RiMi、SPAC、HVSR
振動(dòng)/聲學(xué)監(jiān)測用戶:有人值守/無人值守監(jiān)測、速度/加速度監(jiān)測、強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測
地震監(jiān)測用戶:寬頻帶地震儀
Sigma 4+已經(jīng)幾乎被用于所有類型的記錄工作:結(jié)合多種震源,從簡單的2D測線到復(fù)雜的3D成像應(yīng)用。Sigma可以較好地應(yīng)用于三分量測量、單點(diǎn)接收、地質(zhì)技術(shù)、被動(dòng)源勘探、微震、以及監(jiān)測。Sigma可以在多種震源下單獨(dú)應(yīng)用或與有線設(shè)備聯(lián)合部署使用。
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