基于微動方法的淺層結構探測實驗設計與實施

田 有，李洪麗，屈麗娟

（吉林大學地球探測科學與技術學院，長春 130026）

0 引言

微動探測法是地表淺層結構勘探實驗方法，其具有高效、低成本、無污染、抗干擾等優(yōu)點，已經(jīng)成為城市無損勘探的熱門研究方向之一［1］。微動探測作為有效的城市工程勘察手段，在地質分層、斷層構造探測、巖溶探測、不良地質體探測及無損檢測等領域發(fā)揮著重要作用。近年來，微動探測技術雖然取得了較大的發(fā)展，但是多圍繞基階瑞雷面波進行反演研究，對于高階面波的反演應用較少。微動信號能量組成以基階面波為主，還含有高階面波、體波、散射波等多種形式的能量波。研究發(fā)現(xiàn)，高階面波也攜帶大量的地下淺層結構信息，尤其對于淺層目標探測區(qū)域，高階頻散曲線對地下淺層的結構變化與地質參數(shù)更為敏感，不僅能對淺部低速層有更好的響應，還能加快收斂速度，提高地層結構反演結果的分辨率。為了減少不同頻率下面波的頻散現(xiàn)象對反演結果帶來的不利影響，提取高階面波頻散曲線，高階頻散曲線與基階頻散曲線聯(lián)合反演將會大大提高反演解的精確性［2-3］。基于此，采用基階和高階頻散曲線聯(lián)合反演的微動面波法。

將野外科研項目“長白山火山密集臺陣觀測與地殼結構精細結構成像”中的微動探測內容引入本科實踐教學，為學生提供一次近地表淺層結構探測的實踐機會［4］。

1 實驗原理與方法

微動是時刻存在于地球表面的微弱震動，也是一種包含體波與面波的復雜震動，其中面波能量占70%以上［5］。微動探測法是在背景噪聲成像理論的基礎上發(fā)展起來的一種新型地球物理探測手段，為城市地下空間精細探測提供了新思路［6］。由此，將上述科研項目內容設計成適合學生操作完成的“基于微動方法的校園淺層結構探測實驗”項目。

1.1 微動實驗原理

雖然微動不易被人類察覺，但是帶來大量的地下幾米到幾百米的淺層結構信息。據(jù)此設計微動探測實驗，探測儀器為三分量地震儀。微動探測法根據(jù)臺站布設方式可分為單臺法和陣列法，本實驗中采用陣列法進行探測。該方法不受城市內部人為因素干擾，如電磁波、噪聲等。提取微動中面波頻散信號后對面波頻散曲線進行反演成像，就可以獲得探測區(qū)域淺層地下精細結構［7-9］。

1.2 面波頻散曲線提取方法

面波頻散曲線提取，簡單來說，就是求出各頻率（或周期）的面波成分與其相速度的關系［10］。提取方法主要分為空間自相關法和頻率-貝塞爾變換法。為了提取高階面波頻散數(shù)據(jù)，獲得更高精度的校園淺層結構，采用第2 種方法進行面波頻散曲線的提取，即頻率-貝塞爾變換法。該方法適用于陣列中心下方地層結構的探測，在滿足水平層狀模型假設的前提下，臺站位置可根據(jù)探測區(qū)域地表條件隨機布置［11-12］。

1.3 面波頻散曲線反演方法

三分量地震儀觀測臺站提取到的瑞雷面波相速度頻散曲線，根據(jù)瑞雷面波相速度與地層厚度、密度、縱波（P）速度和橫波（S）速度之間的關系，對提取數(shù)據(jù)進行反演，最終獲得探測區(qū)域地下淺層橫波速度結構。瑞雷面波頻散曲線反演方法有很多，可根據(jù)探測區(qū)域具體情況進行選擇，由于本實驗在校園內進行，很容易建立初始模型，因此采用擬牛頓法（BFGS）進行反演較為合適。由于反演結果精度主要受橫波速度和地層厚度的影響，密度和縱波速度變化的影響相對不明顯，因此對于擬牛頓法而言，一般只要給定地層厚度就可進行橫波速度結構反演［13］。

擬牛頓法是在牛頓反演法的基礎上拓展而來，可按照以下步驟進行運算：

步驟1設定初始模型x0和初始矩陣b0；設置模型所需要的精度ε，此時k＝0。

步驟2如果滿足（gk為目標函數(shù)的梯度），達到設定條件，迭代就停止；否則，繼續(xù)計算模型下降方向

步驟3沿著下降方向搜索步長因子αk，迭代模型為：xk＋1＝xk＋αkdk，然后校正bk＋1使得擬牛頓條件成立。

步驟4進入下一次迭代，若滿足k＝k＋1，則返回步驟2［13］。

2 實驗數(shù)據(jù)采集與處理

2.1 實驗數(shù)據(jù)采集

實驗所用儀器為30 臺三分量地震儀，如圖1 所示，實驗前需要對儀器進行一致性校驗。為了便于放置實驗儀器，盡可能地滿足地層水平均勻的假設前提，實驗地點選定在校園西側草坪。自西向東平行布設1～3 號共3 條測線，測線間距分別設定為9 m（1 和2號線間距）與8 m（2 和3 號線間距）；每條測線上均勻布設10 臺三分量地震儀，臺站間距為5 m。儀器數(shù)據(jù)采集時長設定為6 h，采樣頻率設定為100 Hz。

圖1 三分量地震儀

2.2 實驗數(shù)據(jù)處理

實驗數(shù)據(jù)處理流程是：從30 臺三分量地震儀6 h觀測數(shù)據(jù)的垂直分量中提取瑞雷波相速度基階和高階頻散曲線，然后對頻散曲線進行反演，最終獲得地下淺層橫波速度結構。

2.2.1 數(shù)據(jù)預處理

對于30 臺三分量地震儀采集到的原始數(shù)據(jù)，需要進行數(shù)據(jù)導出與格式轉換。將原始數(shù)據(jù)存儲格式由“.mseed”文件轉換為便于進一步處理的“.sac”格式，再利用sac軟件對數(shù)據(jù)垂直分量進行去均值、去趨勢和1～20 Hz帶通濾波處理。將處理后的各臺站采集的微動數(shù)據(jù)按測線1～3 分成3 組，每組10 臺儀器兩兩之間進行互相關計算和疊加，得到互相關譜；在不同頻率下對互相關譜進行頻率或者波數(shù)掃描并進行積分變換，獲得頻散能量分布圖（頻散譜）。如圖2 所示，從上到下分別為測線1、2 和3 的頻散能量分布。此過程計算方法較多，根據(jù)以往經(jīng)驗選取梯形積分公式插值和漢克爾函數(shù)進行頻譜計算。

圖2 3條測線頻散能量分布

2.2.2 頻散曲線提取

為滿足二維勘探的需要，選取分別與3 條測線方向垂直且經(jīng)過3 條測線中點的剖面作為研究對象，進行頻散曲線的提取。為提高結果精確度，選擇人機交互式提取方法。手動選取若干個能量最大點，計算程序將自動搜索并補齊頻散曲線范圍，按預先設定要求提取各階頻散曲線。

2.2.3 淺層地下結構反演

利用擬牛頓法對提取的基階和高階頻散曲線進行聯(lián)合反演。反演過程中，假設地層密度、縱波速度已知，給定一個簡單參考模型，對地層進行等間隔劃分，主要對層厚和各層橫波速度進行反演。單個初始模型的梯度類反演算法容易陷入局部極小值，因此采用以參考模型為中心值，在±0.1 km／s的擾動區(qū)間內隨機生成20 個初始模型參與反演，同時限制反演的上下限為±0.2 m／s。分別對提取到的上述3 條測線的基階和高階頻散曲線進行聯(lián)合反演，獲得3 條測線中心點處地下30 m內的橫波速度結構圖，如圖3～5 所示。

圖3 測線1中點處地下橫波速度結構

圖4 測線2中點處地下橫波速度結構

圖5 測線3中點處地下橫波速度結構

利用反演得到的速度結構模型進行正演計算，得到理論頻散曲線，如圖6～8 所示?？梢钥闯?，無論基階還是高階理論頻散曲線，都與實際提取出的頻散點擬合程度很高，說明反演結果較好，方法適用。進而通過插值方法，可以獲得垂直于3 條測線中心點的速度結構剖面，如圖9 所示。

圖6 測線1中對應理論頻散曲線與實際頻散點擬合圖（上面曲線代表高階頻散數(shù)據(jù)，下面曲線代表基階頻散數(shù)據(jù)）

圖7 測線2中對應理論頻散曲線與實際頻散點擬合圖（上面曲線代表高階頻散數(shù)據(jù)，下面曲線代表低階頻散數(shù)據(jù)）

圖8 測線3中對應理論頻散曲線與實際頻散點擬合圖（上面曲線代表高階頻散數(shù)據(jù)，下面曲線代表低階頻散數(shù)據(jù)）

圖9 橫波速度剖面

3 實驗結果分析

經(jīng)過數(shù)據(jù)采集、預處理、互相關計算、頻散曲線提取、橫波速度結構反演等實驗步驟，獲得了實驗區(qū)域3條平行測線中點垂直于測線方向的速度結構剖面圖。從圖9 可以看出，該實驗區(qū)域地下3 m 深度附近存在明顯的低速異常，推測該區(qū)域地下可能有管道通過，埋深在地下3 m左右。查閱實驗區(qū)域的現(xiàn)有探地雷達探測資料，顯示該區(qū)域地下深度3 m處確實存在管道，如圖9（a）所示。管道布設方向與測線方向近似平行，埋深3 m左右，實驗結果與實際相符。此外，由剖面圖還可以看出，橫波速度整體呈現(xiàn)出隨著深度的增加而增大的變化趨勢，但變化不均勻，這表明實驗區(qū)域淺部地層并不十分平整，推測可能是由校園建設中多次挖掘、填埋導致的結果。

4 結語

科研項目引入實踐教學已經(jīng)成為高等教育中培養(yǎng)具有良好科研素質創(chuàng)新型人才的主要途徑［14-16］。通過本實驗的設計與實施，使學生了解了該方法的野外觀測、數(shù)據(jù)處理、反演解釋和應用的全過程，增加了學生實際操作技能以及數(shù)據(jù)處理與地質構造解釋能力，達到了通過理論與實踐相結合來提升學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)目標。