陳 實,牛 輝,陶鵬飛,張 靜,胡尊平

(新疆維吾爾自治區(qū)地質(zhì)調(diào)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(yōu)點,對城市復雜環(huán)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(zhì)調(diào)查項目提供了重要地質(zhì)技術資料[1-3]。同時,該項技術近年來廣泛應用于采空區(qū)勘查、煤礦陷落柱調(diào)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(zhì)調(diào)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(shù)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(nèi)多家單位研制出集數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)傳輸為一體的三分量式微動數(shù)據(jù)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(fā)現(xiàn)不同參數(shù)的觀測臺陣獲得的頻散曲線有所差別。為了討論不同參數(shù)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(shù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)信息豐富,應用范圍最為廣泛(圖1)。外業(yè)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(shù)據(jù)采集工作。

圖1 微動技術臺陣測點布設方式

在數(shù)據(jù)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(shù)(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(wěn)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(shù),某一時刻的微動信號可以看作是平穩(wěn)隨機過程的樣本函數(shù),設這一樣本函數(shù)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(shù)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(shù),可得到:

(4)

用空間自相關法處理天然源面波數(shù)據(jù)時,首先將實測微動記錄分為若干個數(shù)據(jù)段,剔除有明顯干擾的數(shù)據(jù)段,將各個有效數(shù)據(jù)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(shù),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(zhì)分層及地層速度反演工作,并利用已知的鉆孔及地質(zhì)先驗信息完成剖面的地質(zhì)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(shù)據(jù)采集、二維剖面數(shù)據(jù)成圖,單個測點獲取的頻散曲線為該測點臺陣范圍內(nèi)不同深度地層速度的綜合反映。因此,筆者根據(jù)頻散曲線的形態(tài)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(xiàn)了大邊長、任意形狀的觀測臺陣,可在外業(yè)工作現(xiàn)場實時顯示頻散曲線,避免盲目工作。

本次微動技術試驗區(qū)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(nèi)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(shù)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(shù)據(jù)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(qū)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(xiàn)大深度探測目標的技術路線,項目組選用國內(nèi)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(qū)范圍不斷擴大,盲區(qū)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(wǎng)無法覆蓋全部檢波器,采集現(xiàn)場無法實時監(jiān)測頻散曲線質(zhì)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(tǒng)計了邊長與深度的對應關系(表1)。其中深度系數(shù)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(shù)的衰減模型來計算本區(qū)內(nèi)微動技術有效探測深度H與臺陣最大邊長L的經(jīng)驗公式。經(jīng)過對比對數(shù)函數(shù)與指數(shù)函數(shù)的數(shù)學特性,該對應關系基本滿足指數(shù)線性方程。按最小二乘法求取擬合曲線常數(shù)后,得出本區(qū)內(nèi)微動技術有效探測深度H與臺陣最大邊長L的經(jīng)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(shù)據(jù)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(shù)隨邊長增大呈指數(shù)型衰減、淺地表高頻數(shù)據(jù)不足。此外,新疆烏魯木齊在地理位置上屬于內(nèi)陸遠海區(qū),低頻信號能量較弱,故在本區(qū)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(shù)關系略小于內(nèi)地沿海地區(qū)。

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(shù)據(jù),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(xiàn)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(xiàn)明顯回拐,數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(jù)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(xù)信號中提取兩次信號之間的時間間隔[9]。在其他參數(shù)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(nèi),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(nèi)采樣間隔過大造成低頻帶采樣數(shù)據(jù)量較少而產(chǎn)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(shù)據(jù)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(shù)試驗成果,筆者總結出微動技術實現(xiàn)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(shù)對比試驗的分析結果,筆者在厚覆蓋區(qū)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(jīng)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(qū)范圍內(nèi)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(zhì)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(chǎn)狀、活動性及活動年代,技術成果質(zhì)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(zhì)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(zhì)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(zhì)特征,并與前人工作成果相對比,在前人工作區(qū)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(shù)為:5 ms采樣間隔、1 Hz檢波器,迭代次數(shù)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(nèi),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(zhì)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(zhì)波速變大,為400 m/s～800 m/s,其下部介質(zhì)速度為800 m/s～1400 m/s,反映介質(zhì)較致密,該層為下更新統(tǒng)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(zhì),若測點間距縮小為20 m,異常形態(tài)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(shù)為觀測臺陣的技術變量,通過場地試驗系統(tǒng)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(xiàn)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(shù)據(jù)盲區(qū)范圍較大;②本區(qū)內(nèi)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(shù)呈指數(shù)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(shù)據(jù)分辨力最好,直線型施工便捷,適用于道路等場地狹窄地區(qū),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(qū)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(qū)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(xiàn)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(shù)較多,震動數(shù)據(jù)信息體量大、內(nèi)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(shù)據(jù)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。