F—K变换与主动源面波法在南昌市昌东地质调查中的应用_尹玉茹.pdf

第 卷 第期 年月 ，中文引用格式：尹玉茹，黄光南，汤洪志，等变换与主动源面波法在南昌市昌东地质调查中的应用工程地球物理学报，（）：英文引用格式：，（）：FK变换与主动源面波法在南昌市昌东地质调查中的应用尹玉茹，黄光南，汤洪志，杨子敬（东华理工大学 应用地球物理系，江西 南昌 ）收稿日期：基金项目：国家自然科学基金（编号：，）第一作者：尹玉茹（），女，硕士研究生，主要从事地震走时计算和地震数字处理方法研究工作。：通讯作者：黄光南（），男，博士，副教授，主要从事地震走时层析成像和地震数字处理方法研究工作。：摘要：主动源面波勘探被广泛地应用于浅地表地层的速度调查工作，此次南昌城市地质调查利用主动源面波勘探方法，运用于东湖区道路的地下空间探测。为了压制干扰波，优化数据处理结果，获得可靠的地下地层分布情况，利用频率波数（）滤波方法对地震数据进行处理。滤波方法是根据频率和视速度的内在关系，同时考虑这两方面的影响因素来对数据进行滤波，由于面波的频率较低、视速度也较低，采用滤波器处理原始数据，分离其他干扰波。可以较好地滤除原始数据中的高频电磁干扰波以及反射波获得纯面波数据成分，达到压制相干线性噪声的目的，将后续处理过程中频散曲线拟合的误差值降低到 以内。随后进行的频散分析和速度反演中得到的面波速度反演结果取得了良好的地质分层效果，可以得到明显的分层结果，由上到下是人工填土低速层，粉质沙土及分选性好的细砂和中砂沉积物于中间层位，底部则为分选性较差的粗砂、沙砾沉积物。该方法在浅地表地层的速度调查中快速、准确地得到了地下空间地层分布情况，取得了良好的应用价值，值得在工程实践中推广使用。关键词：主动源；面波勘探；频散曲线；横波速度中图分类号：文献标识码：文章编号：（）：，（，）：，第期尹玉茹，等：变换与主动源面波法在南昌市昌东地质调查中的应用 ，（），：；引言南昌市位于赣江及抚河的下游，东北滨临鄱阳湖，西北背靠梅岭。南昌地势总体西北高、南东低。梅岭到赣江以西部分主要以岗地丘陵为主，地形起伏比较大。该地区是典型的滨湖冲积平原，地层成因类型复杂、岩性岩相和厚度变化大，以浅的范围内存在富水砂卵砾石层、软土和红层软岩等不良地质体、基岩面起伏大、隐伏断裂发育，工程地质问题复杂，严重制约城市地下空间的开发利用。而赣江东岸的平原区松散层主要以砂砾卵石层为主，结构松散中密，颗粒级配普遍不良，砂砾石层不均匀系数大多小于，富水性好，渗透性强，在一定水动力条件下易产生流砂和管涌，进而引发地面塌陷和基坑失稳。南昌市赣江两岸，以及象湖、青山湖、艾溪湖等主要湖泊的滨湖地带，范围内发育软土，软土总体呈北东向展布，空间分布不连续，厚度和埋深变化较大，多以单层透镜状存在。赣江东岸原始地势低洼的池塘洼地和暗滨、赣江沿岸等地带，堆填有大量杂填土，堆填厚度随原始地形高低变化较大，分布极不均匀。测区基岩以白垩系古近系红层为主，在工程应用上，红层归属于软岩，抗压强度较低。岩石中泥质含量高，由于黏土矿物遇水膨胀、失水收缩的作用，普遍具有风干易裂，再吸水便完全散裂的特征。浅部红层软岩中软弱夹层普遍存在（主要为青灰色钙质泥岩、紫红色泥岩或紫红色砂砾岩），软弱夹层的工程地质性能更差，部分有溶蚀现象的青灰色钙质泥岩及砂砾岩具有一定的富水性。昌东地区的地质条件为“填土粉质黏土砂卵砾石层红层”组合的地层结构，勘查区域更是具有城市区域的典型特点，电磁、震动干扰严重。本次勘探采取的是多道瞬态主动源面波法，主动源面波勘探最早使用的是稳态法，但由于其具有施工程序较为繁琐，采集过程需多次移动检波器，施工效率低下等缺点，很快被新发展出来的瞬态法代替。首先提出并应用的瞬态法是表面波谱分析法（，简称 ），由于该方法使用的检波器数量少，其工作效率低下，且在采集的数据中干扰波的成分较多，后期处理较为麻烦，在时代的发展中逐渐被淘汰。世纪 年代美国堪萨斯大学提出多道瞬态瑞雷波勘探方法，该方法可以很好地压制干扰波，因此在工程上得到了广泛的应用。工 程 地 球 物 理 学 报（）第 卷主动源面波勘探分辨率高、能量强，简单易行且效率较高。在工程应用中，该方法的震源激发也比较便捷，常使用锤击或爆炸震源激发，由于地震波中的低频瑞雷波缺失，而高频瑞雷波传播深度较浅，导致该方法勘探深度较浅，因此广泛地应用于浅中部地层勘探，比如说工程地质勘查、隧道仰拱结构检测、地基加固效果评价、公路以及铁路路基质量检测，包括公路采空区探测以及利用瑞雷波对堤坝隐患的探测 等方面。在工程地基 勘探方面与其他勘探方法相比，在勘探精度、施工便捷性以及经济成本方面具有较大的优势。但是由于瑞雷波在非均匀介质中传播时易受到多种干扰因素的影响，其中产生的干扰波会对地震数据处理以及最终的地层成像效果产生不利影响，因此需要采取特殊的滤波手段来滤除干扰波，使地层成像更接近真实情况。而传统的一维滤波方法对地震数据的滤波处理虽然可以滤除部分干扰波，但无法满足面波数据处理的精度需求。本文采用二维频率波数（）滤波方法，在域中将不同的地震波信号进行区分，对干扰波进行压制，达到优化数据处理结果的目的，获得更为贴近真实情况的地层成像结果。主动源面波勘探原理瑞雷波是在不同介质的分界面上，由波和 波互相干涉产生的，其能量主要集中于自由界面附近。瑞雷波在传播时，其质点的运动轨迹为沿椭圆轨迹逆时钟旋进。瑞雷波具有低频、低速、强振幅的特点，其能量很强，在水平方向衰减很慢，比体波慢得多，其振幅在垂直方向则随着远离自由表面而迅速衰减。瑞雷波由不同频率与振幅的简谐波叠加形成，相速度为各简谐波自身的传播速度，群速度则是简谐波叠加后形成的总振动波剖面的传播速度。在非均匀介质中，瑞雷波的相速度与频率有关，不同频率的瑞雷波按其自身的相速度传播，导致分振动所叠加的群速度不等于其相速度，二者关系为（）式（）中，为群速度（）；为相速度（）；为单频波的波长（）。这种相速度随频率改变的现象即为频散现象。瑞雷波的频散特性与波场分布的空间内介质的物质成分、结构、密度、孔隙度等因素有关，正是因为该频散特性的存在，才使得瑞雷波勘探具有可行性。瑞雷波在地下空间传播过程中受到多种干扰因素的影响，一维滤波方法在这种情况下存在不足，不能完全压制干扰波，而频率波数（）滤波是根据频率和视速度的内在关系，同时考虑这两方面的影响因素的二维滤波方法。对于二维波动函数，利用二维傅里叶变换公式，可以求出该函数对应的频率波数谱函数，（）的表达式为，（），（）（）（）而，（），（）（）（）式（）、式（）表明，地震记录，（）是由多个频率波分量，（）（）叠加形成的。其中，（）是 该 信 号 的 频 率 波 谱；为 频 率（）；为波数（）。而地震记录，（）的表达式为，（）（）（）其中，为传播时间（）；为检波点与炮点的距离（）；（）为地震子波或时的地震记录；为视速度（）；为最大炮检距（）。可以获悉各分量的频率波谱的能量集中范围依赖于视速度与最大炮检距，根据与的不同，在域中将不同的特殊信号进行区分，且根据处理需要，压制干扰波，保留有效波，达到优化数据处理结果的目的。主动源面波勘探的流程如图所示，主要步骤为数据采集、数据处理以及频散分析和速度反演。具体如下：）进行数据采集之前，根据工程勘探目的及勘探场地条件进行设计，包括测线的排布以及数据采集的参数设置，在正式采集前还需进行检波器的一致性检测。一般来说，采用重锤或炸药震源进行人工激发，可使得地表附近的介质产生频带较宽的瑞雷波，从而获得质量较好的面波数据。在震源纵向方向等间距排列检波器，同时避开地形起伏较大的区域，并且保证检波器与地面介质第期尹玉茹，等：变换与主动源面波法在南昌市昌东地质调查中的应用耦合充分，保障数据采集的可靠性。）在数据采集结束后，对数据进行滤波处理，使用二维滤波器，尽可能消除干扰噪声，保留有效信息，提高后续频散分析以及频散曲线提取质量。）使用频散分析方法获得频散能量谱，并拾取频散曲线。拾取频散曲线时应注意瑞雷波频散能量图的高阶不连续性，即在频散曲线上表现为“”型的拐点，若采用基阶模式频散曲线反演，可规避拾取频散曲线时产生的模式误判，减少数据处理过程中的人为误差。随后对频散曲线进行反演得到二维横波速度剖面。图主动源面波勘探基本流程 实际数据处理图振幅频率 3.1滤波处理本次勘探采取多道瞬态面波勘探，数据采集时设置 道接收，利于后期处理分析。经过对不同方法的比对，选择利用 落锤进行人工激发。本文使用 软件进行数据的滤波处理。首先载入数据，观察原始数据，根据原始数据的品质及干扰波的类型选取滤波参数。如图所示，可以看到原始数据中，左上侧红色标记部分为有图原始数据地震记录 效面波信号，右侧黑色波纹状信号为宽频带电磁干扰信号，该信号对原始地震记录的采集质量产生了较大干扰，且涵盖了整个有效数据的频带宽度。如图振幅频率图中红色谱线所示，原始地震记录的中宽频带电磁干扰信号的频率主要分布在 之间。针对面波低频低速的特点，选择带通滤波以及低通滤波对原始数据进行处理。为了将宽频带电磁干扰信号滤除，设计带通滤波器的信号通过区间为 。滤波效果如图中黄色谱线所示，高频宽频带电磁干扰信号被完全滤除，提高了后续步骤的处理精度。对于面波勘探来说，有效数据只有面波，其他反射波等信号都视为干扰波 ，为了将地震数据中的面波数据有效地提取出来，使用滤波进行处理，由于面波与其他干扰波（反射波以及折射波）的相性差别较大，即在频率波数域中，面波与其他的干扰波（反射波与折射波）将存在于波谱分布图中的不同位置，使得在原始时空域中无法进行有效的区分并切除。在进行滤波 工 程 地 球 物 理 学 报（）第 卷图滤波滤除的地震信号 图滤波后的地震记录 之后，可以整体滤除这些干扰波，即图中显示的所有被滤除的信号。完成滤波后可以得到图所示的地震信号，同时，如图中蓝色谱线所示，不仅完全滤除了高频干扰波，还压制了线性相干噪声，有效地减少了后续频散分析及提取频散曲线操作步骤中的误差。3.2频散分析以及反演本文使用频率波数法对数据进行频散分析，如图所示。频率波数法是将时空域的能量谱通 过二维 傅里 叶变 换转 变 为 频 率 波 数（）域的能量谱，根据数据的频率谱来选择合适的频散分析参数以及频散曲线提取参数来提取瑞 雷 波 频 散 曲 线。可 以 看 到，滤 波 后 数 据图（）的 频 率 波 数 能 量 谱 图 比 原 始 数 据图频散分析谱 图（）的频率波数谱图能量团更为清晰，干扰波高能量团明显减少，有效地减少了频散曲线提取过程中的误差，但由于在滤波增益过程中，浅部的不规则噪声信号由于整体增益得到加强，引入了虚假信号，在实际面波处理过程中再切除浅部干扰信号，得到噪声信号影响更少的滤波第期尹玉茹，等：变换与主动源面波法在南昌市昌东地质调查中的应用数据频散分析图（），进一步减少频散曲线提取过程中干扰信号的影响，避免前期处理产生的误差对后续数据处理产生不利影响。为了使反演结果更为贴合实际及减少反演过程的误差，适当结合在该工区进行的浅层反射波资料处理与解释的结果背景，根据该地质解释剖面的情况设置反演初始模型，主要关注地质分界面及断层，将频散曲线的基本拟合误差控制在的范围之内，如图所示。依据提取到的频散曲线进行反演，在反演过程中，虽然该地区横向变化较小，但仍应根据不同位置的变化对反演初始模型进行微调，以期得到误差更小、更为精细的反演结果，部分数据反演演示图如图、图所示。对所有的频散曲线进行反演得到一维横波速度，再对一维横波速度进行插 值 得 到 两 组 数 据 的 二 维 视 横 波 速 度，如图、图 所示。图频散曲线拟合误差 图视横波速度曲线 图反演模型 图 原始数据反演结果 工 程 地 球 物 理 学 报（）第 卷图 滤波数据反演结果 根据数据反演结果，测区分层效果良好。可见分层明确，地质分界面对应效果良好，由地表的低速层到 再到 的各个层位可以明显观察到速度逐步增加，且在横向上速度变化较小，说明该时期测区的沉积环境相对稳定。通过对比工区浅层反射波资料处理与解释的结果，得出的低速层为人工填土，的层位区间则是粉质沙土及分选性好的细砂和中砂沉积物，为分选性较差的粗砂