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宽频拖曳式地震检波器的面波精细化探测成像  PDF

  • 鲁兴林 1
  • 廖先 1
  • 胡绪权 1
  • 吴牧阳 1
  • 付志雄 2
  • 刘龙欢 1
  • 付志红 1
1. 重庆大学 电气工程学院,重庆 400044; 2. 重庆璀陆探测技术有限公司,重庆 402660

中图分类号: TH89

最近更新:2024-08-10

DOI:10.11835/j.issn.1000-582X.2022.210

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摘要

传统的主动源面波仪采用锥形速度型检波器,具有频带窄、纵向分辨率低的缺点。传统装置移动测点需人工手动逐一移动检波器,无法低成本快速采集高密度面波数据,横向分辨率低。文中提出适应于硬化路面的拖曳式地震面波数据采集方法,设计重力耦合加速度检波器,线性、阵列拖曳式检波器串结构,提出高采样以提高面波探测精度的方法,实现高密度、小道距、高采样率、宽频数据采集。分析模型数据和实测数据在不同采样率时的结果表明,高采样能压制噪声干扰增强低频能量,保证足够的探测深度;检波器采集的面波数据,能保证在足够的深度范围内精细地刻画速度层的变化,查明潜在的塌陷位置。将拖曳式地震检波器应用于城市道路塌陷探测,体现高效采集、精细探测的优势。

近地表横波速度分层(≤20 m深)是城市地下空间探测的重要部分。瑞雷面波探测方法是利用频散信息反演近地表横波速度结构,具有探测深度深、分辨率高、成像直观的优点,已广泛应用于近地表横波速度分[

1-3]。面波探测的步骤包括数据采集、频散曲线提[4]、频散曲线反演和解[5-8]。数据采集是面波探测的关键步骤,直接影响后期数据处理和解释的精度。按照数据采集模式分类,面波方法主要分为主动源和被动源。被动源面波数据采集时应用短周期小型地震仪采集,能适应不同观测系统和地形地[9-10],但工作效率和成像分辨率低,主要用于城市道路病害、深部基岩面探测、中深层速度结构分层等领[11]。工程勘察领域,特别是城市道路病害、塌陷、堤坝渗漏检测领域,被动源面波成像精度难以满足需求。与被动源面波方法相比,主动源面波探测深度浅、施工效率高、横向分辨率高。主动源面波数据采集时主要采用动圈式速度型检波[3,12],体积大、频带窄、灵敏度低。压电式加速度检波器体积小、频带宽、灵敏度高,耦合方式更简单有[13-15]。传统锥形速度型检波器在施工时需要人工手动逐一移动检波器,存在施工效率低、采集成本高、数据密度低和横向分辨率低的问题。面波探测需要兼顾工作效率、探测深度和分辨率。主动源面波方法具有高分辨率特点,但普遍缺乏高性能检波器,在施工方法和宽频数据采集方面依旧需要提高,尤其在城市道路病害、堤坝渗漏检测方面,迫切需要施工效率高、灵敏度高、频带宽的高性能检波器。

传统的锥形检波器无法较好地适应城市道路、堤坝等硬化路面环境,拖曳式地震是解决硬化路面面波精细化探测的发展方向。适用于城市道路环境的陆地拖缆和耦合检波器已有研究报[

16-17]。Yue[18]研制浅层拖曳式地震探测系统,配置船形速度型检波器,具有高效、低成本和高可靠性的优点,并且成功应用于沿海浅滩的探测。已有的拖曳式地震检波器在施工效率方面有明显提高,但在应对城市环境噪声干扰强、施工周期短、高分辨的需求时,优势并不明显。在城市道路、堤坝结构的面波探测时,需要依据探测目标大小和深度,合理布设观测系统,便于达到最优的探测精度。若要实现深层目的层的速度分层,需要布设长排列、大偏移距观测系统。若要实现浅层目标体的三维成像,需要布设三维阵列式、短排列、小偏移距观测系统。这就要求拖曳式地震检波器在施工现场有快速组装、拆卸和快速移动的能力,能依据探测目标体快速布设对应的观测系统。目前能满足上述需求的拖曳式地震检波器鲜有研究,迫切需要研究具备上述功能的高性能拖曳式检波器。

城市环境内噪声干扰严重,包括车辆、行人、建筑施工,严重影响主动源面波数据质量。强干扰噪声能在现场实时识别,能重新采集补救。但随机噪声与面波数据相互混叠,数据采集时无法避免随机噪声的干扰。随机噪声影响面波频谱,造成低频成分能量受损,从而影响探测深度。后期数据处理方法,如曲波变[

19]、各向异性分段梯度滤[20]、傅里叶滤[21]、聚类和经验小波变[22]、L1范数正则化的阈值滤波方[23]等,能有效滤除随机噪声,但也会损害面波的频散特性,影响面波的成像精度。数据采集参数会影响面波成像精度。采集参数中偏移距和道间距对面波频谱和探测深度的影响已有研究,却忽略了采样率的影响。随机噪声干扰严重时,尚不知采样率对面波频谱和探测深度的影响。

随着城市道路病害、堤坝渗漏检测等硬化路面面波探测的有序开展,迫切需要研制能适应城市硬化路面施工的高性能检波器。文中研究适应于硬化路面的拖曳式地震检波器,设计重力耦合加速度检波器,线性、阵列拖曳式检波器串结构,实现了高效、低成本、小排列间距、小道间距、高采样率数据采集。小道间距有助于优化面波频谱。小排列间距有助于提高横向分辨率。文中试图从采样率角度压制随机噪声对面波频谱的影响。模型数据中加入不同比例的随机噪声,详细讨论了采样率对面波频谱的影响。应用实测数据详细讨论采样率对面波频谱和探测深度的影响。文中研制的拖曳式地震检波器应用于城市道路塌陷调查,论证在高效采集和精细探测方面的优势。

1 重力耦合加速度检波器

1.1 重力耦合

传统的面波仪主要配置锥形检波器,工作效率低,并且在硬化路面耦合效果不理想。文中设计新的重力耦合加速度检波器,实现检波器与地面完整耦合。所提出的检波器能快速拖曳行进,施工效率高。检波器结构如图1(a)所示,总重量为1 689 g,平面尺寸为132 mm×90 mm。为适应城市环境内花坛、草坪等非硬化路面环境,在检波器基座下方设计锥体结构(A),锥体高度80 mm。硬化路面施工时锥体放平,延伸长度32 mm,如图1(b)中B所示。

图1  重力耦合检波器结构图

Fig. 1  Gravity-coupled geophone structure

拖曳式地震仪配置48个检波器,检波器之间挂接式连接,方便快速组装和拆卸。如图2(a)和(b)为检波器断开和连接状态。图2(c)为组装完成的24道检波器正在沥青路面上拖曳式行进。因检波器的底座为金属,与柏油路面的摩擦力较小,24串检波器可轻松实现快速移动。图2(d)为组装的3排16道(48个)阵列式检波器数据采集示意图,可实现三维探测。固定道间距的排列有明显的优势:1)提高现场施工效率;2)F-V变换时能避免道间距不均匀带来的误差,保证F-V谱(面波频谱的一种表现方式)的准确[

24]。重力耦合方式实现检波器与硬化路面的快速完整耦合。拖曳行进式采集方式能实现低成本小道距采集,为后期高密度成像提供硬件基础。

图2  检波器连接图和数据采集图

Fig. 2  Geophone connection and data collection

1.2 宽频特性

文中所设计的重力耦合检波器为单分量加速度型,内部的传感器采用压电式一体化芯片。芯片稳固安装在检波器基座,各个方向受力均匀,为宽频面波数据采集提供硬件基础。加速度检波器的频率响应为0.1~6.0 kHz,灵敏度为2.5 V/g,动态范围为126 dB,谐振频率为18 kHz。噪声小于1 μV,幅度一致性优于±0.2%,相位一致性为±0.01 ms。

应用文中设计的检波器在北方某堤岸采集面波数据。实验区地层结构大致是:0.0~0.5 m为沥青路面层,0.5~3.0 m为回填黏土层,3.0 m以下为卵石层。数据采集时共用24个检波器,道间距为0.5 m,偏移距为5.0 m,采样间隔为41.7 μs,每道采样点为4 096,震源为24磅大锤。如图3(a)和(b)为典型的单炮记录,符号A为面波。因周围环境噪声干扰小,面波的信噪比较高,频散特征明显。应用相移[

25]计算对应的F-V谱,如图3(c)和(d)所示。F-V谱能量连续且频谱较宽,低频能达到5 Hz,高频能达到120 Hz。频谱的宽频特性能同时保证浅层分辨率和探测深度。

图3  面波和频谱图

Fig. 3  Surface wave and spectrum

2 随机噪声分析

城市环境内随机噪声不可避免,文中试图从数据采集角度压制随机噪声对面波频谱的影响。本部分应用数值模拟,详细分析在不同程度的随机噪声时,采样率对F-V谱的影响。建立均匀层状速度模型,如图4所示,Up是纵波速度,Vs是横波速度,ρ是密度。模型大小为50 m×50 m,均匀网格大小为0.5 m,偏移距为3 m,以主频为200 Hz的雷克子波为震源子波,采样间隔为40 μs,采样长度为120 ms。以时域有限差分法实现瑞雷面波模拟,并加入水平自由地表条[

24],以完全匹配层为边界吸收条件。

图4  速度模型

Fig. 4  Velocity model

图5(a)为震源点为0 m时的单炮记录。依次加入10%、30%、50%随机噪声,得到如图5(b)~(d)的单炮记录。图5中符号A为直达波,B为反射波,C和D为面波。随机噪声会影响面波的分辨率。相比于无噪声的单炮记录(见图5(a),红框D),含50%的噪声的单炮记录(见图5(d),红框D)中弱能量的面波被随机噪声掩盖。

图5  Z分量单炮记录

Fig. 5  Z-component single-shot record

图5中单炮记录的采样间隔为0.04 ms,通过重采样处理,采样间隔变换为0.16 ms和0.24 ms的单炮记录。将所有单炮记录通过相移法变换为F-V谱,结果如图6所示。采样间隔为0.04 ms时,F-V谱几乎完全相同(图6(a)~(d),A和B);采样间隔为0.16 ms时,F-V谱高频部分几乎完全相同(B),低频部分有微小的差异(图6(e)~(h),A);采样间隔为0.24 ms时,F-V谱高频部分几乎完全相同(B),而低频部分有明显的差异(图6(i)~(l),A)。随机噪声和采样间隔变化时,F-V谱的低频成分容易受到影响,而高频成分无明显变化。随机噪声越强,采样间隔越大,F-V谱的低频成分能量越低。F-V谱的低频成分与探测深度有关,低频成分的损失,会造成探测深度浅。城市环境作业时易受到环境噪声干扰,为保证有足够能量的低频成分用于反演尽可能深的目标层位,需要高采样率的数据。

图6  不同采样间隔时加入不同比例的随机噪声的F-V

Fig. 6  F-V spectrum of random noise with various proportions at different sampling intervals

3 工程应用

因连日降雨导致地表水渗漏等原因,重庆市某居民小区发生明显的地表塌陷,塌陷区域直径有8 m,深度超过3 m。因居民楼修建的需求,近地表覆盖层为回填黏土、砂砾土,厚度约10 m。基岩类型为砂岩,砂砾岩,塌陷区附近地表也有明显的变形。为准确探明潜在的塌陷区,在柏油路面应用拖曳式地震仪开展面波勘探工作。

3.1 工作布置

所用的拖曳式地震仪器为TS-24仪器,配置文中设计的24道重力耦合加速度检波器。震源为24磅大锤。测线设计68.0 m,拖曳式地震排列长度为11.5 m,排列的道间距为0.5 m,偏移距为3.0 m,排列移动间距为1.0 m。采样间隔为0.041 ms,采样长度为8 192。重力耦合方式突破了传统的锥形检波器的耦合方式,实现硬化路面检波器与地面的完整耦合。所设计的挂接连接方式,能实现快速组装拆卸,施工效率高,现场采集68炮大约需要60 min。如图7(a)为测线布设图,图7(b)为现场塌陷照片,图7(c)为拖曳式地震数据采集照片。

图7  测线图和数据采集照片

Fig. 7  Survey line and data collection photos

3.2 数据分析

图8为原始单炮记录,符号A为面波,红框B有明显的随机噪声。面波(A)有明显的相似性,但随机噪声(B)却有明显的差异。反射波不易识别,几乎被强能量的面波(A)和随机噪声(B)所掩盖。近地表的成像主要以面波信息为主。

图8  原始单炮记录

Fig.8  Raw single-shot records

应用相移法提取面波记录的F-V谱,结果如图9所示。F-V谱特征较好,基阶面波频谱集中在10~80 Hz之间。依次拾取频散曲线(见图9,黑线)。

图9  F-V

Fig. 9  F-V spectrum

应用阻尼最小二乘反演方法实现频散曲线反演,计算得到横波和深度,结果如图10所示。最大深度在10~16 m之间。受到表层沥青路面的影响,2 m以内速度相对较高,深度大于2 m时,横波速度随着深度递增。横波速度随深度的变化规律,符合现场地层的变化特征。反演深度超过10 m能达到探测的需求。

图10  速度-深度曲线

Fig. 10  Velocity-depth curve

3.3 采样率影响分析

原始数据的采样间隔为0.041 ms,重采样处理为采样间隔0.082 ms和0.164 ms的单炮记录。再变换为F-V谱提取频散曲线,结果如图11所示。采样间隔逐渐变大时,F-V谱有明显的差异。采样间隔为0.041 ms和0.082 ms时,F-V谱中低频和高频成分无明显差异(图11(a)~(e));采样间隔为0.164 ms时,F-V谱中低频成分能量损失(A),而高频成分无明显变化(图11(c)和(f))。低频成分的损失,严重影响到探测深度。图12显示采样间隔为0.164 ms时,横波速度的最大深度不超过8 m。采样间隔为0.041 ms和0.082 ms时,横波速度的相似性较高,最大深度能达到10 m,能满足勘探的最低要求(见图12)。

图11  F-V

Fig. 11  F-V spectrum

图12  深度-速度曲线

Fig. 12  Depth-velocity curve

图11图12所示,依次拾取计算所有单炮记录不同采样率时的横波速度曲线,结果如图13所示。在距离10~18 m(A),36~44 m(B),47~56 m(C)和64~76 m(D)差异最明显。图13(c)显示采样间隔为0.164 ms时,横波速度的反演深度不足,尤其在区域C和D处最明显。横波速度为350 m/s和600 m/s的速度界面被认为物性分界面,依次追踪这2个速度界面,结果如图13(d)所示。图13(a)~(c)显示,随深度递增,横波速度也递增,符合地层的变化规律。低速层(350~600 m/s)主要是回填土层和相对不密实层,高速层(≥600 m/s)主要是回填密实层和砂砾石层。低速层较厚,横向变化快的区域,容易形成塌陷。低速层相对较薄,横向变化平稳的区域,形成塌陷的可能性较小。图13(a)显示,区域A和B中低速层较薄,横向变化相对平稳,而区域C和D中低速层较厚,横向变化相对较快。由此推测区域A和B发生塌陷的可能性较小,而区域C和D更容易发生塌陷。现场的地质资料显示区域C为已知塌陷区,区域D地表有明显的变形。等值线对比能直观显示不同采样率时横波速度的纵向和横向变化。采样间隔为0.041 ms和0.082 ms时,等值线的纵向和横向差异变化较小,仅在细节方面有微小差异(图13(d))。反演深度的不足间接影响横向分辨率。采样间隔为0.164 ms时,塌陷位置C处横波速度(600 m/s)的深度较浅,横向差异较小,使得真实塌陷区的位置和深度不易识别。不同采样率的面波成像结果表明高采样率能提高面波反演深度,间接地提高横向分辨率。实验区内采样间隔最低要达到0.082 ms才能精细化描述潜在塌陷区位置和速度的横向变化特征。

图13  横波速度剖面

Fig. 13  Shear velocity profile

4 结 论

为实现硬化路面的高效、低成本、高采样率、高密度地震数据采集,文中提出拖曳式地震数据采集方法。配置重力耦合加速度检波器,实现检波器与硬化路面的完整耦合。依据模型数据和实测数据,总结得出:

1)重力耦合加速度检波器能实现快速组装拆卸和快速移动,施工效率高,采集成本低。加速度检波器灵敏度高、频带宽,能采集到宽频的面波信号。文中实验区内面波的低频能达到5 Hz,高频能达到120 Hz,能同时保证浅层分辨率和探测深度。

2)传统探测认为面波探测精度和深度与道间距、偏移距和排列长度有关,却忽略采样率的影响。低采样率且随机噪声干扰严重时,会损害面波频谱的低频成分,导致探测深度不足。文中从数据采集分析得出高采样率能压制随机噪声,增强低频能量,保证足够的探测深度。

3)城市面波成像的范围在20 m以内,需要精细地描述横波速度的横向变化特征,准确定位异常体的位置。所设计的重力耦合加速度检波器为高密度、高采样率的宽频面波数据采集提供硬件基础,尤其适用于城市道路病害和堤坝渗漏检测领域。文中仅从原始单炮记录中提取面波频散曲线,同时也可以提取反射波实现叠加成像,反射波和面波相互弥补,可提高探测准确性。

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