楊 耀，朱德兵

(中南大學 地球科學與信息物理學院，湖南 長沙 410083)

1 引 言

伴隨著國內(nèi)城市化節(jié)奏的加快，人類工程活動日益活躍，由此引發(fā)的地質(zhì)災害(滑坡、地裂縫、地面塌陷、路基下沉、基坑垮塌等)頻現(xiàn)。為解決此類病害問題，人們渴望對與人類生產(chǎn)生活息息相關的近地表介質(zhì)(地質(zhì)結(jié)構、地質(zhì)工程、物性等)能有一個充分細致的了解，以便“對癥下藥”。在近地表介質(zhì)探測中，橫波速度(VS)因具有較高分辨率和可實現(xiàn)的優(yōu)勢，成為了一個重要的探測參數(shù)。而由于橫波在面波傳導過程中起主要作用，可以從面波數(shù)據(jù)中推導出橫波速度，因此，具有非侵入性、效率高、能量大、信噪比高、較高精度、抗干擾能力強、頻散(相速度隨頻率變化)等優(yōu)勢的多道面波分析法成為了近年來人們的重點研究領域。

面波可分為瑞雷波(Rayleigh Waves)、勒夫波(Love Waves)和其他面波。其中，瑞雷波由縱波(P波)和橫波垂直分量(SV波)相互干涉形成，能量強，易于野外采集，是面波重要的研究對象。通過數(shù)據(jù)分析(拾取頻散曲線和反演橫波速度)，可以獲得較準確的近地表橫波速度，自面波應用于近地表探測至今，其分析手段主要包括表面波譜分析法(Spectral Analysis of Surface Waves，SASW)和多道面波法(Multichannel Analysis of Surface Waves，MASW)。SASW只用一對檢波器采集[1]，通過多次改變道間距來獲取頻散數(shù)據(jù)[2]，導致采集和處理費時費力，而MASW采用多道采集(>12道)，不僅能高效地獲得基階和高階模式頻散數(shù)據(jù)[3]，還可通過調(diào)整采集參數(shù)(最小偏移距，道間距，排列長度)拾取較高精度的頻散曲線[4]，經(jīng)過近20年的發(fā)展，具有高效、較高精度等特點的MASW法已發(fā)展成主流的面波分析方法[5]。

面波分析方法主要利用面波在層狀介質(zhì)中的頻散特性達到探測的目的，而近地表介質(zhì)受人類活動影響往往具有橫向不均勻特性(采空區(qū)、巖溶、斷層、塌陷等)，此類模型復雜，頻散函數(shù)不存在解析解，使得無法利用頻散方程來準確模擬其頻散曲線，只能通過物理模擬[6]和數(shù)值模擬[7]。根據(jù)物理模擬試驗[6]，發(fā)現(xiàn)空洞非均勻介質(zhì)模型在空洞上方附近，采用寬帶接收換能器的多道面波方法獲取觀測的速度-頻率曲線出現(xiàn)明顯的之字形特征，且速度-頻率曲線剖面圖上表現(xiàn)為低速異常，這為MASW法應用到復雜近地表介質(zhì)上提供了重要依據(jù)。面波速度實質(zhì)反映的是一個排列地下的平均速度，排列越短橫向分辨率越高，而MASW通過增加排列長度提高反演橫波速度的準確性，針對這一矛盾關系，日本學者仿照多次覆蓋地震反射數(shù)據(jù)采集方法，提出了共中心點互相關道集(Common Mid Point Cross Correlation, CMPCC)二維面波方法[8]，通過對單炮記錄任意共中心點兩邊對稱道進行互相關計算，以及多炮疊加技術，CMPCC方法可提取出精確的頻散曲線，獲得橫向分辨率較高的二維橫波速度剖面。國內(nèi)根據(jù)該方法思路開展了大量的工作[9-12]，獲得了豐富的實際工程經(jīng)驗，并取得了一定的應用效果，但大多直接使用原始數(shù)據(jù)進行CMP疊加處理,在計算頻散曲線時易受高階模態(tài)面波發(fā)育等因素的干擾,從而影響最終的解釋結(jié)果。

近年來，為了更準確地解決實際工程問題，降低野外工作對解釋結(jié)果的干擾就顯得格外重要，筆者采用驕佳技術公司Geogiga Surface Plus 軟件的CMPCC模塊功能，依照對原始數(shù)據(jù)進行互相關計算后再進行覆蓋疊加處理的步驟，在湘桂鐵路DKXXX+490～650段Ⅳ道路基右肩的巖溶探測資料的處理解釋上進行了應用，期待為后續(xù)的施工提供更準確的參考資料。

2 CMPCC處理技術

1)數(shù)據(jù)采集：CMPCC法采用淺層反射波地震勘探的多次覆蓋觀測系統(tǒng)進行野外數(shù)據(jù)滾動或固定排列采集，單邊放炮24道接收，每炮數(shù)據(jù)記錄保存為共炮點道集(CSP道集)，如圖1所示。

2)生成互相關道：對每炮記錄(CSP道集)的任意兩道進行互相關計算，把得到的相位差數(shù)據(jù)保存為新的道記錄，如圖2所示,單排列，單邊激發(fā)24道接收。

圖2 相關道位置示意圖Fig.2 Section diagram of cross-correlation position

3)生產(chǎn)CMPCC道集：所有炮集中屬于同一中心點的互相關道記錄保存為新道集，其中首先把具有相同道間距的相關道進行疊加，然后按照道間距的大小，把不同道間距形成的相關道記錄從小到大排列，形成CMPCC道集，達到將地層橫向細分為類“Δ”模型的目的，如圖3所示，滾動排列，單邊激發(fā)24道接收，炮間距等于1個道間距，其中綠色直線上所有的相關道有序重組為CMPCC道集，中心點編號23，測點位置25。

圖3 CMPCC道集示意圖Fig.3 Section diagram of CMPCC gathers

4)CMPCC道集合并：道間距越小，橫向分辨率越高[13]，在給定排列長度的情況下，減小道間距可以改善橫向分辨率?；谶@個思路，將相鄰CMPCC道集進行合并。如圖3所示，CMP編號23的CMPCC道集在未合并前，前后互相關道間距為2個道間距，將其與CMP編號22、CMP編號24的CMPCC道集進行合并后，前后互相關道間距減小成1個道間距，生成一個新的CMPCC道集。

圖4 1#測點實測資料Fig.4 Measured data from point 1#

5)提取頻散曲線：對每一個CMPCC道集按照MASW方法進行波場分析，提取頻散曲線。

6)生成淺層橫波速度剖面：對所有頻散曲線利用遺傳算法進行全局非線性優(yōu)化反演得到一維橫波速度剖面，再按照空間插值的思路構建二維橫波速度剖面。

3 處理效果對比分析

面波探測大體可分為3個步驟[14-19]：數(shù)據(jù)采集、拾取頻散曲線、反演橫波速度。其中正確拾取頻散曲線是成功應用面波探測地下結(jié)構的關鍵。通過大量實測數(shù)據(jù)的處理，發(fā)現(xiàn)相比常規(guī)的MASW法，基于CMPCC處理技術的MASW法在處理效果上能夠得到改善和提升,限于篇幅，本文例舉了在湘桂鐵路某段實際應用中3種情況下的實例。

1)低頻段能量混亂：以1#測點(水平樁號+505)為例，基于CSP道集x-t域利用相移法波場轉(zhuǎn)換到f-v域(圖4a)，高頻段(40～50 Hz)多階模式能量清晰可辨，16～28 Hz范圍內(nèi)多階模式并稱，背景干擾明顯，低頻段(8～16 Hz)能量混亂，已無法清晰可辨地拾取到基階模式頻散數(shù)據(jù)；而基于CMPCC道集x-t域利用相移法波場轉(zhuǎn)換到f-v域(圖4b)，高頻段(32～50 Hz)1階模式能量最大，背景噪音得到明顯壓制，中低頻段(12～32 Hz)基階模式能量突出，清晰可辨，干擾信號得到明顯濾除。

2)中高頻段多階模式混亂：以2#測點(水平樁號+568)為例，基于CSP道集x-t域利用相移法波場轉(zhuǎn)換到f-v域(圖5a)，高頻段(40～50 Hz)基階模式能量可辨，16～40 Hz范圍內(nèi)基階模式能量被壓制，高階模式能量強而混亂，低頻段(12～16 Hz)基階模式能量清晰可辨；而基于CMPCC道集x-t域利用相移法波場轉(zhuǎn)換到f-v域(圖5b)，高頻段(32～50 Hz)基階能量清晰可辨，中低頻段(12～32 Hz)基階模式能量清晰可辨，高階模式能量受到一定壓制，背景噪音得到明顯濾除。

圖5 2#測點實測資料Fig.5 Measured data from point 2#

圖6 3#測點實測資料Fig.6 Measured data from point 3#

圖7 湘桂鐵路DKXXX+490～650段Ⅳ道路基右肩MASW成果Fig.7 MASW results of Xiang-Gui railway DKXXX + 490～650 section Ⅳ subgrade right shoulder

3)低頻段能量缺失：以3#測點(水平樁號+642)為例，基于CSP道集x-t域利用相移法波場轉(zhuǎn)換到f-v域(圖6a)，中高頻段(16～50 Hz)基階能量最大，清晰可辨，高階模式能量受到明顯壓制，背景噪音得到明顯濾除，低頻段(4～16 Hz)基階模式能量缺失，各類背景干擾明顯；而基于CMPCC道集x-t域利用相移法波場轉(zhuǎn)換到f-v域(圖6b)，中高頻段(16～50 Hz)基階能量最大，清晰可辨，高階模式能量受到明顯壓制，背景噪音得到明顯濾除，低頻段(4～16 Hz)基階模式能量突出，清晰可辨，背景噪音同時得到增強,但不影響頻散數(shù)據(jù)的拾取。

綜上所述，采用CMPCC處理技術可以改善頻率-速度域的信噪比，增強有效拾取頻散曲線的概率。

4 工程實例

在探測巖溶洞穴這類橫向不均勻模型的實際生產(chǎn)過程中，大量的實例證明了基于CMPCC處理技術的MASW法的有效性。限于篇幅，本文僅例舉1個工程實例，工點地處廣西桂林，屬鐵路既有線路基，道砟厚約0.8 m，地面上高壓線密布。工作參數(shù)為：滾動排列采集，錘擊震源，炮間距2 m，最小偏移距6 m，道間距2 m，24道2 Hz速度檢波器，Geode地震記錄儀。

圖7為湘桂鐵路DKXXX+490～650段Ⅳ道路基右肩基于CMPCC處理技術的MASW成果圖，目的是探測注漿后的巖溶，并在物探數(shù)據(jù)采集前收集到+587、+631處鉆孔資料(表1)。

表1 鉆孔地層描述

綜合鉆孔資料分析認為：測段覆蓋層厚度3.6～7.9 m，VS小于300 m/s；+503～+512段10.2 m以深15.5 m以淺的范圍內(nèi)巖溶發(fā)育，VS小于600 m/s；+514～+565段基巖面以深16.8 m以淺的范圍內(nèi)巖溶發(fā)育，VS大約為300～600 m/s；+575～+606段基巖面以深18.5 m以淺的范圍內(nèi)巖溶發(fā)育，VS大約為300～600 m/s；+614～+642段基巖面以深18.9 m以淺的范圍內(nèi)巖溶發(fā)育，VS大約為300～600 m/s。從中不難看出，反演橫波速度重構的淺層地質(zhì)結(jié)構信息豐富、細節(jié)清晰、層位準確。

5 結(jié) 論

1)通過上述工程實踐不難看出，CMPCC處理技術可以實現(xiàn)對高階模態(tài)面波的一定壓制，改善頻散成像質(zhì)量；

2)CMPCC處理技術的核心思想就是通過重組道集的方式重構地下地層模型，構建上窄下寬的類“Δ”模型以便在局部近似水平層狀模型，達到充分利用已有成熟理論和軟硬件的目的。通過基于CMPCC處理技術的MASW法的解釋成果與鉆孔資料的對比結(jié)果證明，其在探測巖溶時的應用效果是有效和可靠的，能為實際工程問題的解決提供較準確的定性、半定量的指導意見。在今后的工程勘察中，尤其是城區(qū)、運營鐵路等強干擾環(huán)境下的地球物理勘探技術選取上，多道面波法仍會扮演重要角色。