金 聰 林 松 程 邈 查雁鴻

1 中國(guó)地震局地震研究所地震預(yù)警湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢市洪山側(cè)路40號(hào)，430071 2 武漢地震工程研究院有限公司，武漢市洪山側(cè)路40號(hào)，430071

面波勘探是一種獲取地層橫波速度結(jié)構(gòu)的地球物理勘探方法，具有施工便利、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于工程地質(zhì)領(lǐng)域。面波勘探可分為人工源面波探測(cè)和天然源面波(微動(dòng))探測(cè)[1]，其中天然源面波能量頻率低至0.01 Hz，波長(zhǎng)達(dá)數(shù)km，可作為研究深部地層橫波速度結(jié)構(gòu)的有效手段[2]。隨著人工源面波勘探技術(shù)的成熟，微動(dòng)探測(cè)方法的應(yīng)用已成為現(xiàn)階段物探領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一，并且在工程地質(zhì)領(lǐng)域取得了較好的應(yīng)用效果[3-7]。近年來(lái)，鐵路線位已延伸到厚覆蓋層和凍土地區(qū)，常規(guī)物探手段受到諸多限制，很難取得理想效果。而微動(dòng)探測(cè)方法不僅野外工作便利、對(duì)環(huán)境破壞性小，并且對(duì)場(chǎng)地條件適應(yīng)性強(qiáng)，可在城市勘察、深部地層探測(cè)中發(fā)揮重要作用。

本文以哈爾濱某高速鐵路地質(zhì)勘察為例，采用微動(dòng)探測(cè)方法對(duì)厚覆蓋層及凍土地區(qū)進(jìn)行勘探，利用空間自相關(guān)法求取頻散曲線，反演得到橫波速度結(jié)構(gòu)，并結(jié)合地質(zhì)和鉆探資料進(jìn)行地層分層及地質(zhì)解譯。在厚覆蓋層及凍土地區(qū)路基勘察中引入微動(dòng)探測(cè)，可適當(dāng)減少鉆探工作量，有針對(duì)性地布置鉆探孔位，節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本，具有較高的應(yīng)用價(jià)值和科學(xué)意義。

1 微動(dòng)探測(cè)方法

1.1 基本原理

微動(dòng)探測(cè)是利用微動(dòng)(地脈動(dòng))信號(hào)來(lái)探測(cè)地下橫波速度結(jié)構(gòu)[8]。微動(dòng)信號(hào)由體波(縱波和橫波)及面波(瑞雷波和勒夫波)組成，其中瑞雷波能量占信號(hào)總能量的70%以上[9]。從微動(dòng)信號(hào)中提取瑞雷波能量，并根據(jù)其在層狀介質(zhì)中的頻散特性，可反演地層橫波速度結(jié)構(gòu)。

從野外觀測(cè)臺(tái)陣數(shù)據(jù)中提取頻散曲線的方法主要有2種：1)頻率-波數(shù)(F-K)法[10]，該方法的觀測(cè)臺(tái)陣布置靈活，但使用的觀測(cè)點(diǎn)相對(duì)較多，要求各測(cè)點(diǎn)之間的距離盡可能不同，分布盡量均勻，相同尺寸臺(tái)陣分析的頻散曲線頻帶范圍窄[11]；2)空間自相關(guān)(SPAC)法[12]，該方法得到的頻率范圍較寬，在淺層速度結(jié)構(gòu)探測(cè)中具有一定優(yōu)勢(shì)。研究表明[13]，在儀器數(shù)量有限的情況下，SPAC法得到的頻散曲線結(jié)果更加穩(wěn)定。

SPAC法認(rèn)為某時(shí)間段內(nèi)天然微動(dòng)信號(hào)為一種平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程的樣本函數(shù)X(t,ξ(x,y))，其波譜表現(xiàn)形式可表示為：

X(t,ξ(x,y))=exp(iωt+iKξ)dZ(ω,K)

(1)

式中，ω=2πf為角頻率，K=(kx,ky)為波數(shù)，Z為正交隨機(jī)過(guò)程。

SPAC法一般采用圓形臺(tái)陣，1個(gè)臺(tái)站位于圓心，其他臺(tái)站位于圓周。對(duì)入射噪聲場(chǎng)功率譜密度進(jìn)行歸一化后，方位平均空間自相關(guān)系數(shù)為：

ρ(r,ω0)=J0(ω0r/c(ω0))

(2)

式中，J0為零階第1類Bessel函數(shù)。由此可見(jiàn)，在半徑為r的圓形臺(tái)陣上得到的空間自相關(guān)系數(shù)與頻率有關(guān)，并按零階第1類Bessel函數(shù)形式變化。因此，通過(guò)計(jì)算圓形臺(tái)陣中心點(diǎn)與圓周上各點(diǎn)之間的空間自相關(guān)系數(shù)ρ，并對(duì)其進(jìn)行零階Bessel函數(shù)擬合，可得到相速度c(ω)的頻散曲線。

而微動(dòng)探測(cè)的工作流程是首先從野外采集的微動(dòng)信號(hào)中提取瑞雷波的頻散曲線，然后建立初始模型對(duì)頻散曲線進(jìn)行反演來(lái)獲取地表橫波速度結(jié)構(gòu)，最后繪制二維橫波速度剖面。

1.2 外業(yè)工作方法

本次野外工作選用6臺(tái)CMG-40T一體化地震儀，頻段范圍為30 s～100 Hz，每臺(tái)地震儀獨(dú)立觀測(cè)，并采用GPS授時(shí)以保證記錄時(shí)間的同步性，選定的采樣率為100 Hz，每個(gè)點(diǎn)同步觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)為30～40 min。

在正式采集數(shù)據(jù)前，對(duì)地震儀進(jìn)行一致性檢測(cè)，以保證觀測(cè)數(shù)據(jù)的有效性與可靠性。在實(shí)際工作中，將地震儀按臺(tái)陣布設(shè)方案放置在準(zhǔn)確位置，用羅盤(pán)調(diào)節(jié)地震儀指向正北方向，并調(diào)節(jié)地震儀水平氣泡居中，即可開(kāi)始進(jìn)行觀測(cè)，完成野外數(shù)據(jù)的采集工作。

2 觀測(cè)系統(tǒng)對(duì)比實(shí)驗(yàn)

通常情況下，微動(dòng)臺(tái)陣的探測(cè)深度約為觀測(cè)半徑的3～5倍，在臺(tái)陣半徑較小的情況下可達(dá)10倍以上[3]。為對(duì)比不同臺(tái)陣布設(shè)方式對(duì)探測(cè)效果的影響，針對(duì)同一觀測(cè)點(diǎn)，采用雙重嵌套等邊三角形臺(tái)陣和直線型臺(tái)陣2種布設(shè)方式進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，臺(tái)陣布設(shè)如圖1所示。其中，嵌套三角形臺(tái)陣外圈半徑r1=15 m，內(nèi)圈半徑r2=7.5 m；直線型臺(tái)陣臺(tái)間距分別為10 m、5 m、5 m、10 m和20 m，最大臺(tái)間距為50 m，最小臺(tái)間距為5 m。

圖1 觀測(cè)臺(tái)陣示意圖Fig.1 Schematic diagram of observation array

在同一測(cè)點(diǎn)選用直線型臺(tái)陣和嵌套三角形臺(tái)陣2種布設(shè)方式進(jìn)行觀測(cè)，同步觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)為35 min。分析時(shí)首先剔除干擾較為嚴(yán)重的數(shù)據(jù)段，然后利用SPAC法計(jì)算各臺(tái)間距的空間自相關(guān)系數(shù)，不同間距臺(tái)站計(jì)算得到的SPAC曲線有效周期范圍存在差異，圖2和3分別為2種布設(shè)方式得到的頻散能量曲線，圖中不同形狀點(diǎn)代表不同的權(quán)值參數(shù)，選取各頻率對(duì)應(yīng)權(quán)值最大、重合度最高的點(diǎn)連成線，即為實(shí)測(cè)頻散曲線。在提取頻散曲線的過(guò)程中，為避免人為操作造成的誤差，提高頻散曲線的提取精度，將所有頻散點(diǎn)進(jìn)行擬合，得到圖中黑色頻散曲線。從圖中可以看出，該方法擬合效果較好，處理流程方便高效，同時(shí)可提高計(jì)算準(zhǔn)確度，避免人工誤差。

圖2 直線型臺(tái)陣提取頻散曲線Fig.2 Frequency-velocity spectrum of linear array

圖3 嵌套三角形臺(tái)陣提取頻散曲線Fig.3 Frequency-velocity spectrum ofnestedtriangle array

圖4為直線型臺(tái)陣和嵌套三角形臺(tái)陣提取頻散曲線結(jié)果的對(duì)比，從圖中可以看出，2種方法在同一測(cè)點(diǎn)得到的頻散曲線較為接近，總體一致性較好。其中，嵌套三角形臺(tái)陣頻散能量較為集中，在7～15 Hz頻段內(nèi)頻散曲線基本一致，低頻段2～7 Hz存在較小差異但變化趨勢(shì)一致；直線型臺(tái)陣范圍相對(duì)較大，提取的頻散曲線頻率更低(低于2 Hz)，探測(cè)深度更深。

從對(duì)比結(jié)果可以看出，在場(chǎng)地條件較好、地勢(shì)平坦的地區(qū)開(kāi)展微動(dòng)探測(cè)應(yīng)首選嵌套三角形臺(tái)陣，可確保提取頻散曲線的可靠性；當(dāng)探測(cè)目標(biāo)層位較深時(shí)宜采用直線型臺(tái)陣，可縮短臺(tái)陣布設(shè)時(shí)間，同時(shí)保證探測(cè)深度。因此，對(duì)于微動(dòng)探測(cè)臺(tái)陣的選取，需要根據(jù)場(chǎng)地條件及探測(cè)要求進(jìn)行綜合考慮。

圖4 實(shí)測(cè)頻散曲線對(duì)比Fig.4 Comparison of measured dispersion curves

3 實(shí)際資料應(yīng)用

3.1 地質(zhì)背景

根據(jù)鉆探資料可知，哈爾濱某高速鐵路沿線地區(qū)的地層巖性主要有：1)第四系全新統(tǒng)、上更新統(tǒng)及中更新統(tǒng)填筑土、粘土、粉質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)土、粉土、砂類土、碎石類土等；2)下伏白堊系中統(tǒng)東風(fēng)組粉砂巖、粉砂泥質(zhì)巖，下統(tǒng)青口組和淘淇河組砂巖、泥巖、礫巖，侏羅系上統(tǒng)友好組火山碎屑巖，中統(tǒng)太安屯組凝灰熔巖、流紋斑巖。實(shí)驗(yàn)線路地處嚴(yán)寒地區(qū)，凍結(jié)期較長(zhǎng)，地表分布較厚的季節(jié)性凍土層，最大凍結(jié)深度為2.05～2.90 m。

3.2 地球物理?xiàng)l件

區(qū)域鉆探資料顯示，實(shí)驗(yàn)線路所在區(qū)域覆蓋層主要為不同塑性狀態(tài)下的粉質(zhì)粘土及砂礫土，厚度大于50 m，下伏基巖為砂、泥巖。根據(jù)《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50111-2006(2009年版)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)鉆孔剪切波測(cè)試結(jié)果，可將地層劃分為：1)軟-可塑粉質(zhì)粘土，波速低于250 m/s，硬塑粉質(zhì)粘土，波速為250～300 m/s，深層壓實(shí)粉質(zhì)粘土，波速可達(dá)350 m/s；2)密實(shí)砂礫土，波速為350～450 m/s；3)強(qiáng)風(fēng)化砂、泥巖，剪切波波速一般為450～550 m/s；4)完整砂、泥巖，剪切波波速一般大于550 m/s。

由于面波沿地球表層傳播，長(zhǎng)波長(zhǎng)面波穿透深度大，對(duì)于多層狀地層而言，深部地層速度較高，波長(zhǎng)較長(zhǎng)的面波能較快到達(dá)檢波器，因此接收到不同頻率的面波對(duì)應(yīng)不同的相速度[14]，從而反映不同深度的地質(zhì)情況。此外，研究區(qū)地層橫向變化較為均勻，有利于地層劃分，因此在該線路開(kāi)展微動(dòng)探測(cè)具備良好的地球物理基礎(chǔ)。

3.3 探測(cè)實(shí)例

本文選取哈爾濱某高鐵線路中1.5 km路基進(jìn)行微動(dòng)探測(cè)，共布置6個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，點(diǎn)距為300 m，選取嵌套三角形布設(shè)臺(tái)陣進(jìn)行觀測(cè)，根據(jù)里程樁號(hào)分別命名為73300、73600、73900、74200、74500和74865測(cè)點(diǎn)。圖5中藍(lán)色曲線為采用SPAC法計(jì)算得到的6條頻散曲線(F-V)，從圖中可以看出，各測(cè)點(diǎn)頻散曲線光滑連續(xù)，且變化趨勢(shì)一致。73900和74865兩個(gè)測(cè)點(diǎn)低頻可提取至2 Hz 附近，其他測(cè)點(diǎn)均可提取至1.4 Hz附近。

圖5 實(shí)測(cè)頻散曲線與反演結(jié)果Fig.5 The measured dispersion curvesand inversion results

在獲取頻散曲線后，利用GEOGIGA地震軟件反演測(cè)點(diǎn)下方橫波速度結(jié)構(gòu)，首先根據(jù)半波長(zhǎng)理論結(jié)合鉆孔資料建立初始模型，然后給定約束條件反演速度參數(shù)，反演結(jié)果(H-V)見(jiàn)圖5中紅色折線。從圖5可以看到，各測(cè)點(diǎn)地下速度結(jié)構(gòu)均為遞增模型，變化趨勢(shì)一致，近地表速度約為230 m/s，向下逐漸遞增至約400 m/s，隨后突變?yōu)?00 m/s，進(jìn)入完整基巖層；73900和74865兩個(gè)測(cè)點(diǎn)因低頻段頻散曲線效果較差，反演深度約為100 m，其他測(cè)點(diǎn)反演深度均約為150 m。將各測(cè)點(diǎn)反演結(jié)果進(jìn)行綜合，繪制速度等值線，得到二維橫波速度剖面(圖6)。

圖6 反演二維橫波速度剖面Fig.6 Inverted 2D S-wave velocity section

由圖6可知，反演的有效深度約為150 m，圖中等值線橫向變化較平滑，縱向均勻漸變，各地層分層明顯且起伏較小，結(jié)合地質(zhì)和鉆探資料可將該地區(qū)地層結(jié)構(gòu)劃分為素填土、粉質(zhì)粘土、砂礫、泥巖4層。圖7為地質(zhì)解析，各巖土層特征分述如下：

1)素填土：實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地位于耕地，表層主要為松散耕土，因氣溫較低形成凍土，橫波速度約為230 m/s，厚度約為1 m。

2)粉質(zhì)粘土：凍土之下為粉質(zhì)粘土，根據(jù)塑性狀態(tài)可分為軟塑、可塑和硬塑3種。一般軟-可塑粉質(zhì)粘土的橫波速度低于250 m/s，如圖7中第1層藍(lán)色實(shí)線所示，層底深度為7.6～14.6 m，分層界面起伏較??；硬塑粉質(zhì)粘土的橫波速度低于300 m/s，如圖7中第2層藍(lán)色實(shí)線所示，層底深度為25.1～43.4 m，在測(cè)線前半段較深，分層界面稍有起伏；下部粉質(zhì)粘土因深度較大，經(jīng)壓實(shí)后土層較硬，橫波速度為300～350 m/s，如圖7中紅色實(shí)線所示，層底深度為50.8～59.8 m，分層界面起伏較小。

3)砂礫：主要為細(xì)砂和礫砂，較為密實(shí)，橫波速度為350～450 m/s，層底深度為91.7～119.4 m，在測(cè)線起點(diǎn)處深度較大，73900測(cè)點(diǎn)之后趨于平緩。

4)泥巖：以橫波速度550 m/s為分界劃分為強(qiáng)風(fēng)化泥巖和中風(fēng)化泥巖，分層界面稍有起伏，深度為112.8～135.9 m，測(cè)線終點(diǎn)處較淺，其他測(cè)段較深。分界面之下為中風(fēng)化泥巖，因探測(cè)深度限制，僅揭露約20 m層厚。

在測(cè)線里程樁號(hào)74105處存在一鉆孔(編號(hào)ZK28)，位置如圖7所示。根據(jù)鉆探資料顯示，粉質(zhì)粘土根據(jù)其塑性狀態(tài)分為2層，層底深度分別為7.9 m和54.1 m，與前文根據(jù)反演橫波速度劃分的層位一致；下部地層為密實(shí)細(xì)砂與礫砂，與橫波速度剖面反映的特征一致。因鉆孔深度僅為60 m，未揭露下部基巖層。

圖7 微動(dòng)探測(cè)成果地質(zhì)解析Fig.7 Geological interpretation of microtremor survey

4 結(jié) 語(yǔ)

本文以哈爾濱某高鐵線路為研究對(duì)象，應(yīng)用微動(dòng)方法對(duì)測(cè)段進(jìn)行路基探測(cè)，并結(jié)合鉆孔資料進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，得出以下結(jié)論：

1)采用SPAC法可較好地提取頻散曲線，但臺(tái)陣布設(shè)方式需根據(jù)場(chǎng)地條件及探測(cè)要求進(jìn)行綜合考慮，嵌套三角形臺(tái)陣提取的頻散曲線更加精確，直線型臺(tái)陣布設(shè)更加便利。

2)微動(dòng)探測(cè)可穿透較厚的覆蓋層，二維橫波速度剖面能很好地反映地層巖性的變化特征，結(jié)合鉆探資料可精確刻畫(huà)地下地質(zhì)層位分布，減少鉆探工作量，節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本，且該方法施工方便、對(duì)場(chǎng)地條件要求較低，具有較高的科學(xué)價(jià)值和推廣意義。

3)微動(dòng)信號(hào)頻率低，可探測(cè)深部數(shù)km的結(jié)構(gòu)特征，但高頻信息量少，淺部地層分辨率較低，在實(shí)際應(yīng)用中可在測(cè)點(diǎn)處補(bǔ)充人工源面波勘探，從而更精確地揭示地下層位分布特征。