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
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
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
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。
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 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 检波器连接图和数据采集图
Fig. 2 Geophone connection and data collection
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 面波和频谱图
Fig. 3 Surface wave and spectrum
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 速度模型
Fig. 4 Velocity model
如

图5 Z分量单炮记录
Fig. 5 Z-component single-shot record

图6 不同采样间隔时加入不同比例的随机噪声的F-V谱
Fig. 6 F-V spectrum of random noise with various proportions at different sampling intervals
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。
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 测线图和数据采集照片
Fig. 7 Survey line and data collection photos

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 F-V谱
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 速度-深度曲线
Fig. 10 Velocity-depth curve
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 F-V谱
Fig. 11 F-V spectrum

图12 深度-速度曲线
Fig. 12 Depth-velocity curve
如

图13 横波速度剖面
Fig. 13 Shear velocity profile
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。
参考文献
林志平, 林俊宏, 吴柏林, 等. 浅地表地球物理技术在岩土工程中的应用与挑战[J]. 地球物理学报, 2015, 58(8): 2664-2680. [百度学术]
Lin Z P, Lin J H, Wu B L, et al. Applications and challenges of near surface geophysics in geotechnical engineering [J]. Chinese Journal of Geophysics, 2015, 58(8): 2664-2680. (in Chinese) [百度学术]
夏江海, 高玲利, 潘雨迪, 等. 高频面波方法的若干新进展[J]. 地球物理学报, 2015, 58(8): 2591-2605. [百度学术]
Xia J H, Gao L L, Pan Y D, et al. New findings in high-frequency surface wave method [J]. Chinese Journal of Geophysics, 2015, 58(8): 2591-2605. (in Chinese) [百度学术]
Cheng F, Xia J H, Shen C, et al. Imposing active sources during high-frequency passive surface-wave measurement [J]. Engineering, 2018, 4: 685-693. [百度学术]
吴华礼, 陈晓非, 潘磊. 基于频率-贝塞尔变换法的关东盆地S波速度成像[J]. 地球物理学报, 2019, 62(9): 3400-3407. [百度学术]
Wu H L, Chen X F, Pan L. S-wave velocity imaging of the Kanto basin in Japan using the frequency-Bessel transformation method [J]. Chinese Journal of Geophysics, 2019, 62(9): 3400-3407. (in Chinese) [百度学术]
Lu Y X, Peng S P, Du W F, et al. Rayleigh wave inversion using heat-bath simulated annealing algorithm [J]. Journal of Applied Geophysics, 2016, 134: 267-280. [百度学术]
Sun C Y, Wang Y Y, Wu D S, et al. Nolinear rayleigh wave inversion based on the shuffled frog-leaping algorithm [J]. Applied Geophysics, 2017, 14(4): 551-558. [百度学术]
Wang X, Shen H Y, Li X X, et al. Rayleigh wave dispersion curve inversion with the artificial bee colony algorithm [J]. Journal of Environmental and Engineering Geophysics, 2021, 26(2): 99-110. [百度学术]
高旭, 于静, 李学良, 等. 自适应权重蜻蜓算法及其在瑞雷波频散曲线反演中的应用[J]. 石油地球物理勘探, 2021, 56(4):745-757. [百度学术]
Gao X, Yu J, Li X L, et al. Rayleigh wave dispersion curve inversion based on adaptive weight dragonfly algorithm [J]. Oil Geophysical Prospecting, 2021, 56(4):745-757. (in Chinese) [百度学术]
Dai K S, Liu K, Li X F, et al. Application of passive multichannel analysis of surface waves method at sites close to underground railways-problems and a case study [J]. Journal of Applied Geophysics, 2019, 164:191-199. [百度学术]
Pang J Y, Cheng F, Shen C, et al. Automatic passive data selection in time domain for imaging near-surface surface waves [J]. Journal of Applied Geophysics, 2019, 162: 108-117. [百度学术]
Xu P F, Ling S Q, Long G, et al. ESPAC-based 2D mini-array microtremor method and its application in urban rail transit construction planning [J]. Tunnelling and Undergro und Space Technology, 2021, 115: 104070. [百度学术]
Ben D, David G, Giulio C, et al. Surface wave surveys for imaging ground property changes due to a leaking water pipe [J]. Journal of Applied Geophysics, 2020, 174: 103923. [百度学术]
任立刚. 速度与加速度检波器地震资料响应特征分析及应用[J]. 地球物理学进展, 2018, 33(5):2159-2165. [百度学术]
Ren L G. Analysis and application of velocity and acceleration geophone’s seismic response characteristic [J]. Progress in Geophysics, 2018, 33(5):2159-2165.(in Chinese) [百度学术]
Zhang J, Liu S D, Wang B, Yang H P. Response of triaxial velocity and acceleration geophones to channel waves in a 1-m thick coal seam [J]. Journal of Applied Geophysics, 2019, 166: 112-121. [百度学术]
文学康, 袁莹, 唐建明, 等. 速度、加速度检波器在超深层地震勘探中应用效果分析——以川南赤水地区为例[J]. 地球物理学进展, 2020, 33(4):1489-1496. [百度学术]
Wen X K, Yuan Y, Tang J M, et al. Analysis and application of velocity and acceleration geophone in ultra deep seismic exploration: a case study of Chishui area in south Sichuan basin [J]. Progress in Geophysics, 2020, 33(4):1489-1496. (in Chinese) [百度学术]
Bojan B, Alireza M, Christopher J, et al. Multicomponent broadband digital-based seismic landstreamer for near-surface applications [J]. Journal of Applied Geophysics, 2015, 123: 227-241. [百度学术]
Wadas S H, Polom U, Krawcayk C M. High-resolution shear-wave seismic reflection as a tool to image near-surface subrosion structures-a case study in Bad Frankenhausen, Germany [J]. Solid Earth, 2016, 7(5): 1491-1508. [百度学术]
Yue H Y, Zhang B W, Wang K, et al. A towed-type shallow high-resolution seismic detection system for coastal tidal flats and its application in Eastern China [J]. Journal of Geophysics and Engineering, 2020, 17(6): 967-979. [百度学术]
Hojjat H L, Ali G. Curvelet-TV regularized Bregman iteration for seismic random noise attenuation [J]. Journal of Applied Geophysics, 2014, 109: 233-241. [百度学术]
Wang D H, Gao J H. A new method for random noise attenuation in seismic data based on anisotropic fractional-gradient operators [J]. Journal of Applied Geophysics, 2014, 110: 135-143. [百度学术]
Zhou J X, Lu W K, He J W, et al. A data-dependent Fourier filter based on image segmentation for random seismic noise attenuation [J]. Journal of Applied Geophysics, 2015, 114: 224-231. [百度学术]
Chen W, Song H. Automatic noise attenuation based on clustering and empirical wavelet transform [J]. Journal of Applied Geophysics, 2018, 159: 649-665. [百度学术]
Cao J J, Cai Z C, Liang W Q. A novel thresholding method for simultaneous seismic data reconstruction and denoising [J]. Journal of Applied Geophysics, 2020, 177: 104027. [百度学术]