利用波速儀開展被動源面波探測的實驗研究

胡書凡， 趙永輝， 劉易南

(同濟大學 海洋與地球科學學院，上海 200092)

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利用波速儀開展被動源面波探測的實驗研究

胡書凡， 趙永輝， 劉易南

(同濟大學 海洋與地球科學學院，上海 200092)

針對被動源面波探測實驗缺乏特定的觀測儀器和相應的分析軟件這一問題，采用常規的波速儀進行被動源面波信號的采集，并基于擴展空間自相關法，設計了一種應用于連接式檢波器的工作方式。在該工作方式下，觀測系統布設簡單，數據采集便利，可以獲得更多半徑下的空間自相關系數，使得提取得到的面波相速度更加精確，得到頻散曲線的精度更高。同時，利用Matlab編制了一套方便、快捷的被動源面波數據處理軟件，完成數據采集、數據處理、空間自相關系數的計算,頻散曲線的提取以及橫波速度結構的反演計算等。

被動源面波； 波速儀； 擴展空間自相關； 數據處理軟件

0 引 言

微動是一種非常復雜、不規則且無規律的震動，主要來源于人類活動和自然現象(包括海浪、大氣壓的變化、河流的流動、風、雨等)[1]。當微動在不同位置同時進行觀測時，這些信號并不是完全隨機的，在記錄中包含了很多相干波。Toks?z等闡述了微動是面波和體波的集合，且面波占70%以上的能量[2]。這些特點使得被動源面波探測地下結構成為可能。

利用微動信號來估計地下速度結構的方法稱為被動源面波法。目前，常用的方法有空間自相關法[3-5]、F-K法[6-7]、HV譜比法[8-9]、折射微震法[10]。其中，空間自相關法在提取面波頻散曲線過程中，相速度v與頻率ω不是單值函數關系，在擬合過程中一個頻率ω對應多個相速度v，使得求取v變得十分困難[11]。F-K法需要測點較多，各測點間距盡可能不同，盡量分布均勻，工作量大；HV譜比法目前應用實例還不多，是一種半定量的方法；折射微震法需要盡量多的接收道，并且精度較低[12]。Okada在空間自相關法的基礎上提出了擴展的空間自相關法(ESPAC)，空間自相關系數是一個隨半徑變化的函數，此時，v與ω是一一對應的關系。并且，由于空間自相關系數只隨半徑的變化，因此可以將不同時間的數據合并在一起，同時無需特定的排列方式。

被動源面波作為環境與工程地球物理等課程的教學內容，需開展相應的教學實驗，而沒有特定的觀測儀器，以及方便、可供學生使用的分析軟件是當前實驗教學中的主要難點。針對上述問題，本文嘗試并實現了利用常規的波速儀進行被動源面波信號采集，并基于擴展的ESPAC設計了一種應用于連接式檢波器的工作方式；同時，利用Matlab編制了一簡潔、高效的被動源面波數據處理軟件，成功地從微動記錄中求取得到了空間自相關系數，提取出了頻散曲線，并能夠快速反演出淺層地下速度結構分布。

1 ESPAC基本原理

AKI提出的空間自相關系數定義為：中心測點與圓周上各測點微動信號的空間自相關函數的方位平均，可以用第一類零階貝塞爾函數表示：

(1)

式中:ω0為角頻率;v為相速度;r為中心測點距圓周測點的半徑。規格化后的空間自相關系數由下式求得：

(2)

在ESPAC中，ρ(ω0,r)是一個隨半徑變化的函數，固定頻率ω0，v(ω0)=v0，A=ω0/ v(ω0)，則有：

ρ(ω0,r)=J0(Ar)

(3)

因此，利用ESPAC提取頻散曲線的基本流程為：①ω=ω0，計算ρ(ω0,r)隨半徑的變化；②利用第一類零階貝塞爾函數擬合在頻率ω0下的ρ(ω0,r)，提取頻散曲線。

2 數據采集及處理

2.1 實驗儀器及處理軟件

本次實驗采用常規的WZG-6A波速測試儀，具有場地常時微動觀測功能，通道數6道，檢波器主頻為4.5 Hz，實驗儀器如圖1所示。

圖1 實驗儀器示意圖

2.2 觀測系統的布設

使用半徑分別為1、2、3 m的圓形排列進行了數據采集。單個半徑下，將第1道置于中心測點，其余5道置于圓周上，距離相等的觀測點相當于同一個半徑，圖2列出了所有相同半徑組合，最小距離為圓的半徑r。

圖2 圓形排列下(6點)不同距離組合

在數據采集過程中，半徑為1 m的觀測系統布設完成后，進行該半徑下的數據采集，采集后中心測點位置不動，圓周上檢波器沿半徑方向依次外延至2 m及3 m，并分別進行數據采集，工作方式示意圖見圖3。

圖3 工作方式示意圖

2.3 數據采集

野外數據采集如圖4所示，使用大纜將檢波器與主機連接，從而記錄微動信號。

圖4 野外數據采集

數據采集所使用的采樣間隔為5 ms，采樣個數為16 384個，圖5所示為1 m半徑下的一段原始微動數據。圖6為第一道微動數據的頻譜。

圖5 原始微動數據

圖6 原始微動數據頻譜

2.4 頻散曲線的提取及反演

提取頻散曲線前應對數據進行預處理，其目的是消除儀器自身及采集過程中周邊環境的干擾，預處理包括圓滑、去均值、去趨勢項以及帶通濾波。預處理后的數據和頻譜分別如圖7、8所示。

圖7 預處理后的微動數據

數據預處理后則為頻散曲線提取階段。首先計算固定頻率f下的空間自相關系數，然后用第一類零階貝塞爾函數進行最小二乘擬合，得到該頻率下的v，部分頻率擬合結果如圖9所示。最后將不同頻率下的相速度繪制在一起，即為頻散曲線，由于本次觀測時間較短，被動源面波震源的分布較不均勻，因此在這里做了平滑處理，結果如圖10所示。將頻散曲線進行反演，即可得到橫波速度結構，這里選取了一種簡化反演方法，該方法理論簡單、計算較快、易于操作，得到的反演結果如圖11所示。

圖8 預處理后的微動數據頻譜

圖9 不同頻率的空間自相關系數及擬合結果

圖10 被動源面波頻散曲線

3 結 語

作為環境與工程地球物理課程中教學的一個重要

圖11 簡化反演法得到的反演結果

內容，被動源面波方法在城市等強噪音環境的勘探優勢越來越明顯。但鑒于實驗儀器及數據處理軟件的限制，此類型的課堂教學實驗難以開展。常規的波速儀一般用大纜將主機與檢波器相連接來傳輸數據，而對于二維排列，連接式檢波器的布設具有很大的局限性。使用本文所述的工作方式進行布設更加靈活，在波速儀只有少量觀測通道的限制下，可以獲得更多半徑下的空間自相關系數，從而擬合得到的面波相速度更加精確，提取出面波的頻散曲線精度更高，消除了被動源面波實驗在儀器方面的限制。同時，基于Matlab編制了一款被動源面波數據處理軟件，具有數據讀取、數據處理、頻散曲線的提取及反演計算等功能，簡單易學，消除了實驗教學在軟件方面的限制。因此可以廣泛開展此類實驗，解決了本科生實驗教學的難題，方便學生對被動源面波課堂教學的消化和吸收。

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A Passive Surface-wave Detection Experiment Using Wave Velocity Tester

HUShu-fan，ZHAOYong-hui，LIUYi-nan

(School of Ocean & Earth Science， Tongji University， Shanghai 200092， China)

Considering the lack of specific instrument and the corresponding analysis software for passive surface-wave survey, a simple, convenient and effective data acquisition system has been proposed based on the idea of the extend spatial autocorrelation method (ESPAC). Passive surface-wave data are collected by using the traditional wave velocity tester. This observation system makes it possible to get more spatial autocorrelation coefficient with different array radius, which can improve the resolution of the phase velocity extracted from passive surface-wave record. In addition, a convenient data processing program is compiled via Matlab, and it can complete data acquisition, data processing, spatial autocorrelation coefficient calculation, the dispersion curve extraction and estimation of shear wave velocity structure. This program is suitable for the undergraduate experimental teaching.

passive surface-wave； wave velocity tester； extend spatial autocorrelation； data processing program

2015-07-06

國家自然科學基金資助項目(41374146)；教育部留學回國人員科研啟動基金資助項目

胡書凡(1992-)，男，江西宜春人，碩士生，主要研究方向為淺層地震勘探。

趙永輝(1974-)，男，安徽寧國人，副教授，主要研究方向為綜合地球物理學。

Tel.：021-65986937；E-mail：zhaoyh@tongji.edu.cn

P 631.4

A

1006-7167(2016)04-0009-03