胡書(shū)凡， 趙永輝， 劉易南

(同濟(jì)大學(xué) 海洋與地球科學(xué)學(xué)院，上海 200092)

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利用波速儀開(kāi)展被動(dòng)源面波探測(cè)的實(shí)驗(yàn)研究

胡書(shū)凡， 趙永輝， 劉易南

(同濟(jì)大學(xué) 海洋與地球科學(xué)學(xué)院，上海 200092)

針對(duì)被動(dòng)源面波探測(cè)實(shí)驗(yàn)缺乏特定的觀測(cè)儀器和相應(yīng)的分析軟件這一問(wèn)題，采用常規(guī)的波速儀進(jìn)行被動(dòng)源面波信號(hào)的采集，并基于擴(kuò)展空間自相關(guān)法，設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于連接式檢波器的工作方式。在該工作方式下，觀測(cè)系統(tǒng)布設(shè)簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)采集便利，可以獲得更多半徑下的空間自相關(guān)系數(shù)，使得提取得到的面波相速度更加精確，得到頻散曲線的精度更高。同時(shí)，利用Matlab編制了一套方便、快捷的被動(dòng)源面波數(shù)據(jù)處理軟件，完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、空間自相關(guān)系數(shù)的計(jì)算,頻散曲線的提取以及橫波速度結(jié)構(gòu)的反演計(jì)算等。

被動(dòng)源面波； 波速儀； 擴(kuò)展空間自相關(guān)； 數(shù)據(jù)處理軟件

0 引 言

微動(dòng)是一種非常復(fù)雜、不規(guī)則且無(wú)規(guī)律的震動(dòng)，主要來(lái)源于人類(lèi)活動(dòng)和自然現(xiàn)象(包括海浪、大氣壓的變化、河流的流動(dòng)、風(fēng)、雨等)[1]。當(dāng)微動(dòng)在不同位置同時(shí)進(jìn)行觀測(cè)時(shí)，這些信號(hào)并不是完全隨機(jī)的，在記錄中包含了很多相干波。Toks?z等闡述了微動(dòng)是面波和體波的集合，且面波占70%以上的能量[2]。這些特點(diǎn)使得被動(dòng)源面波探測(cè)地下結(jié)構(gòu)成為可能。

利用微動(dòng)信號(hào)來(lái)估計(jì)地下速度結(jié)構(gòu)的方法稱為被動(dòng)源面波法。目前，常用的方法有空間自相關(guān)法[3-5]、F-K法[6-7]、HV譜比法[8-9]、折射微震法[10]。其中，空間自相關(guān)法在提取面波頻散曲線過(guò)程中，相速度v與頻率ω不是單值函數(shù)關(guān)系，在擬合過(guò)程中一個(gè)頻率ω對(duì)應(yīng)多個(gè)相速度v，使得求取v變得十分困難[11]。F-K法需要測(cè)點(diǎn)較多，各測(cè)點(diǎn)間距盡可能不同，盡量分布均勻，工作量大；HV譜比法目前應(yīng)用實(shí)例還不多，是一種半定量的方法；折射微震法需要盡量多的接收道，并且精度較低[12]。Okada在空間自相關(guān)法的基礎(chǔ)上提出了擴(kuò)展的空間自相關(guān)法(ESPAC)，空間自相關(guān)系數(shù)是一個(gè)隨半徑變化的函數(shù)，此時(shí)，v與ω是一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。并且，由于空間自相關(guān)系數(shù)只隨半徑的變化，因此可以將不同時(shí)間的數(shù)據(jù)合并在一起，同時(shí)無(wú)需特定的排列方式。

被動(dòng)源面波作為環(huán)境與工程地球物理等課程的教學(xué)內(nèi)容，需開(kāi)展相應(yīng)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)，而沒(méi)有特定的觀測(cè)儀器，以及方便、可供學(xué)生使用的分析軟件是當(dāng)前實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的主要難點(diǎn)。針對(duì)上述問(wèn)題，本文嘗試并實(shí)現(xiàn)了利用常規(guī)的波速儀進(jìn)行被動(dòng)源面波信號(hào)采集，并基于擴(kuò)展的ESPAC設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于連接式檢波器的工作方式；同時(shí)，利用Matlab編制了一簡(jiǎn)潔、高效的被動(dòng)源面波數(shù)據(jù)處理軟件，成功地從微動(dòng)記錄中求取得到了空間自相關(guān)系數(shù)，提取出了頻散曲線，并能夠快速反演出淺層地下速度結(jié)構(gòu)分布。

1 ESPAC基本原理

AKI提出的空間自相關(guān)系數(shù)定義為：中心測(cè)點(diǎn)與圓周上各測(cè)點(diǎn)微動(dòng)信號(hào)的空間自相關(guān)函數(shù)的方位平均，可以用第一類(lèi)零階貝塞爾函數(shù)表示：

(1)

式中:ω0為角頻率;v為相速度;r為中心測(cè)點(diǎn)距圓周測(cè)點(diǎn)的半徑。規(guī)格化后的空間自相關(guān)系數(shù)由下式求得：

(2)

在ESPAC中，ρ(ω0,r)是一個(gè)隨半徑變化的函數(shù)，固定頻率ω0，v(ω0)=v0，A=ω0/ v(ω0)，則有：

ρ(ω0,r)=J0(Ar)

(3)

因此，利用ESPAC提取頻散曲線的基本流程為：①ω=ω0，計(jì)算ρ(ω0,r)隨半徑的變化；②利用第一類(lèi)零階貝塞爾函數(shù)擬合在頻率ω0下的ρ(ω0,r)，提取頻散曲線。

2 數(shù)據(jù)采集及處理

2.1 實(shí)驗(yàn)儀器及處理軟件

本次實(shí)驗(yàn)采用常規(guī)的WZG-6A波速測(cè)試儀，具有場(chǎng)地常時(shí)微動(dòng)觀測(cè)功能，通道數(shù)6道，檢波器主頻為4.5 Hz，實(shí)驗(yàn)儀器如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)儀器示意圖

2.2 觀測(cè)系統(tǒng)的布設(shè)

使用半徑分別為1、2、3 m的圓形排列進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集。單個(gè)半徑下，將第1道置于中心測(cè)點(diǎn)，其余5道置于圓周上，距離相等的觀測(cè)點(diǎn)相當(dāng)于同一個(gè)半徑，圖2列出了所有相同半徑組合，最小距離為圓的半徑r。

圖2 圓形排列下(6點(diǎn))不同距離組合

在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，半徑為1 m的觀測(cè)系統(tǒng)布設(shè)完成后，進(jìn)行該半徑下的數(shù)據(jù)采集，采集后中心測(cè)點(diǎn)位置不動(dòng)，圓周上檢波器沿半徑方向依次外延至2 m及3 m，并分別進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，工作方式示意圖見(jiàn)圖3。

圖3 工作方式示意圖

2.3 數(shù)據(jù)采集

野外數(shù)據(jù)采集如圖4所示，使用大纜將檢波器與主機(jī)連接，從而記錄微動(dòng)信號(hào)。

圖4 野外數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集所使用的采樣間隔為5 ms，采樣個(gè)數(shù)為16 384個(gè)，圖5所示為1 m半徑下的一段原始微動(dòng)數(shù)據(jù)。圖6為第一道微動(dòng)數(shù)據(jù)的頻譜。

圖5 原始微動(dòng)數(shù)據(jù)

圖6 原始微動(dòng)數(shù)據(jù)頻譜

2.4 頻散曲線的提取及反演

提取頻散曲線前應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，其目的是消除儀器自身及采集過(guò)程中周邊環(huán)境的干擾，預(yù)處理包括圓滑、去均值、去趨勢(shì)項(xiàng)以及帶通濾波。預(yù)處理后的數(shù)據(jù)和頻譜分別如圖7、8所示。

圖7 預(yù)處理后的微動(dòng)數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)預(yù)處理后則為頻散曲線提取階段。首先計(jì)算固定頻率f下的空間自相關(guān)系數(shù)，然后用第一類(lèi)零階貝塞爾函數(shù)進(jìn)行最小二乘擬合，得到該頻率下的v，部分頻率擬合結(jié)果如圖9所示。最后將不同頻率下的相速度繪制在一起，即為頻散曲線，由于本次觀測(cè)時(shí)間較短，被動(dòng)源面波震源的分布較不均勻，因此在這里做了平滑處理，結(jié)果如圖10所示。將頻散曲線進(jìn)行反演，即可得到橫波速度結(jié)構(gòu)，這里選取了一種簡(jiǎn)化反演方法，該方法理論簡(jiǎn)單、計(jì)算較快、易于操作，得到的反演結(jié)果如圖11所示。

圖8 預(yù)處理后的微動(dòng)數(shù)據(jù)頻譜

圖9 不同頻率的空間自相關(guān)系數(shù)及擬合結(jié)果

圖10 被動(dòng)源面波頻散曲線

3 結(jié) 語(yǔ)

作為環(huán)境與工程地球物理課程中教學(xué)的一個(gè)重要

圖11 簡(jiǎn)化反演法得到的反演結(jié)果

內(nèi)容，被動(dòng)源面波方法在城市等強(qiáng)噪音環(huán)境的勘探優(yōu)勢(shì)越來(lái)越明顯。但鑒于實(shí)驗(yàn)儀器及數(shù)據(jù)處理軟件的限制，此類(lèi)型的課堂教學(xué)實(shí)驗(yàn)難以開(kāi)展。常規(guī)的波速儀一般用大纜將主機(jī)與檢波器相連接來(lái)傳輸數(shù)據(jù)，而對(duì)于二維排列，連接式檢波器的布設(shè)具有很大的局限性。使用本文所述的工作方式進(jìn)行布設(shè)更加靈活，在波速儀只有少量觀測(cè)通道的限制下，可以獲得更多半徑下的空間自相關(guān)系數(shù)，從而擬合得到的面波相速度更加精確，提取出面波的頻散曲線精度更高，消除了被動(dòng)源面波實(shí)驗(yàn)在儀器方面的限制。同時(shí)，基于Matlab編制了一款被動(dòng)源面波數(shù)據(jù)處理軟件，具有數(shù)據(jù)讀取、數(shù)據(jù)處理、頻散曲線的提取及反演計(jì)算等功能，簡(jiǎn)單易學(xué)，消除了實(shí)驗(yàn)教學(xué)在軟件方面的限制。因此可以廣泛開(kāi)展此類(lèi)實(shí)驗(yàn)，解決了本科生實(shí)驗(yàn)教學(xué)的難題，方便學(xué)生對(duì)被動(dòng)源面波課堂教學(xué)的消化和吸收。

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A Passive Surface-wave Detection Experiment Using Wave Velocity Tester

HUShu-fan，ZHAOYong-hui，LIUYi-nan

(School of Ocean & Earth Science， Tongji University， Shanghai 200092， China)

Considering the lack of specific instrument and the corresponding analysis software for passive surface-wave survey, a simple, convenient and effective data acquisition system has been proposed based on the idea of the extend spatial autocorrelation method (ESPAC). Passive surface-wave data are collected by using the traditional wave velocity tester. This observation system makes it possible to get more spatial autocorrelation coefficient with different array radius, which can improve the resolution of the phase velocity extracted from passive surface-wave record. In addition, a convenient data processing program is compiled via Matlab, and it can complete data acquisition, data processing, spatial autocorrelation coefficient calculation, the dispersion curve extraction and estimation of shear wave velocity structure. This program is suitable for the undergraduate experimental teaching.

passive surface-wave； wave velocity tester； extend spatial autocorrelation； data processing program

2015-07-06

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41374146)；教育部留學(xué)回國(guó)人員科研啟動(dòng)基金資助項(xiàng)目

胡書(shū)凡(1992-)，男，江西宜春人，碩士生，主要研究方向?yàn)闇\層地震勘探。

趙永輝(1974-)，男，安徽寧國(guó)人，副教授，主要研究方向?yàn)榫C合地球物理學(xué)。

Tel.：021-65986937；E-mail：zhaoyh@#edu.cn

P 631.4

A

1006-7167(2016)04-0009-03