微動(dòng)線型臺(tái)陣快速探測方案設(shè)計(jì)

李得博 李井岡 廖武林

1 中國地震局地震研究所,武漢市洪山側(cè)路40號(hào),430071 2 中國地震局地震大地測量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,武漢市洪山側(cè)路40號(hào),430071 3 湖北省地震局,武漢市洪山側(cè)路48號(hào),430071

微動(dòng)臺(tái)陣探測是從臺(tái)陣采集的微動(dòng)信號(hào)中提取瑞雷波頻散曲線,反演得到地下介質(zhì)橫波速度結(jié)構(gòu)的一種新興天然源面波探測方法[1]。該方法具有抗干擾能力強(qiáng)、場地限制小、勘探耗時(shí)短等優(yōu)勢[2],在工程領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注[3-6]。利用微動(dòng)進(jìn)行二維剖面探測需要大量觀測儀器,但儀器數(shù)量相對整個(gè)測線是有限的,為克服該難題,可開展?jié)L動(dòng)式數(shù)據(jù)采集,這種數(shù)據(jù)采集方式特別適合于因有建筑物等限制,通常只能沿交通公路采用線型臺(tái)陣進(jìn)行觀測的城市區(qū)域[7]。同時(shí),文獻(xiàn)[8-9]將主動(dòng)源面波多道分析(MASW)中共中心點(diǎn)成像的概念引入微動(dòng)探測,提出共中心點(diǎn)(CMP)道集重組分析方法,可有效提高微動(dòng)探測的效率和適用性,在城區(qū)淺層地質(zhì)調(diào)查中具有較好的應(yīng)用效果。

本文根據(jù)微動(dòng)線型臺(tái)陣高效滾動(dòng)的觀測特點(diǎn)與共中心點(diǎn)道集重組的基本原理,結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),設(shè)計(jì)一套適應(yīng)于不同微動(dòng)線型臺(tái)陣的快速探測方案輸出系統(tǒng),并討論不同參數(shù)下理論輸出方案的特點(diǎn),再通過城區(qū)具體場地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)觀察,以分析其可行性和有效性。

1 方案設(shè)計(jì)

1.1 基本原理

本文方案設(shè)計(jì)原理如圖1所示,圖中空心圓為檢波器位置,實(shí)心圓為互相關(guān)中點(diǎn),共中心點(diǎn)(CMP)為用于計(jì)算互相關(guān)的檢波器對中點(diǎn)位置。通常1個(gè)排列中檢波器自相關(guān)計(jì)算僅得到1個(gè)共中心測點(diǎn);道集重組后,檢波器1、2、3組成的CMP道集1和檢波器2、3、4組成的CMP道集2可分別進(jìn)行自相關(guān)計(jì)算,得到2個(gè)測點(diǎn)。

圖1 共中心點(diǎn)道集重組分析概念圖Fig.1 Conceptual diagram of common midpoint(CMP) gather rearrangement analysis

對每組CMP道集采用SPAC法提取頻散曲線。假設(shè)微動(dòng)在時(shí)空上符合平穩(wěn)隨機(jī)過程,且以基階面波為主,經(jīng)初步計(jì)算,微動(dòng)記錄f、g的相關(guān)系數(shù)COHf,g(ω,r)為:

(1)

式中,ω為角頻率,r為檢波器對間距,Af(ω)和Ag(ω)分別為f和g的自功率譜,CCf,g(ω,r)為f和g的互功率譜,Re(·)為取復(fù)數(shù)實(shí)部。對f和g的相關(guān)系數(shù)方位平均后得到空間自相關(guān)系數(shù)SPACf,g(ω,r),其計(jì)算公式為:

(2)

式中,φ為方位角。將空間自相關(guān)系數(shù)擬合第一類零階Bessel函數(shù),最小誤差ε為:

(3)

式中,J0(·)為第一類零階Bessel函數(shù),c(ω)為瑞雷波相速度,m為檢波器對個(gè)數(shù)。

1.2 參數(shù)及流程

已知檢波器總數(shù)為Q,目標(biāo)探測深度為H,橫向探測精度為D,理論探測長度為Xg。1個(gè)排列中包括多組CMP道集,每組CMP道集中參與空間自相關(guān)計(jì)算的道數(shù)(即分組道數(shù))為a,臺(tái)間距為d,測點(diǎn)數(shù)為b。規(guī)定測線前進(jìn)方向?yàn)榍胺?第1次排列結(jié)束后依次移動(dòng)后方N道至測線前方,沿測線如此重復(fù)滾動(dòng)n次,完成(n+1)個(gè)排列,可得到總測點(diǎn)數(shù)S、實(shí)際探測長度X、儀器布設(shè)里程L和預(yù)估探測總用時(shí)T。

根據(jù)野外觀測及工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn):1)目標(biāo)探測深度約為最大計(jì)算距離的5倍,最大計(jì)算距離指CMP道集中自相關(guān)計(jì)算中心與最遠(yuǎn)檢波器的距離;2)1次排列同步采集時(shí)長為30 min,單次移臺(tái)損失時(shí)長約為10 min。為保證數(shù)據(jù)質(zhì)量,通常采集時(shí)長不小于15 min,周圍環(huán)境有明顯干擾時(shí)可適當(dāng)延長觀測時(shí)間;數(shù)據(jù)采集所用儀器集成度高、輕量便攜,單次移臺(tái)損失時(shí)間僅依據(jù)臺(tái)陣規(guī)模和作業(yè)人數(shù)來確定,一般為5～10 min。

圖2 參數(shù)計(jì)算流程Fig.2 Flowchart of parameter calculation

圖3 方案輸出系統(tǒng)界面Fig.3 Interface of scheme output system

1.3 方案對比

城區(qū)淺層探測一般布設(shè)半徑數(shù)米至數(shù)十米的小型臺(tái)陣,探測深度在100 m以內(nèi)[10]。結(jié)合城市微動(dòng)探測特點(diǎn)和儀器配置情況,將檢波器總數(shù)16臺(tái)、目標(biāo)探測深度100 m、橫向探測精度(測點(diǎn)距)5 m、理論探測長度200 m作為城市道路淺層探測常規(guī)方案的輸入?yún)?shù),并以此為基準(zhǔn),對比不同參數(shù)理論輸出方案的特點(diǎn)、優(yōu)勢或注意事項(xiàng)。

1.3.1 不同檢波器總數(shù)

結(jié)合圖4和表1可知,儀器數(shù)量小于單測點(diǎn)空間自相關(guān)計(jì)算所需道數(shù)時(shí),輸出方案無效;而針對有效探測方案,隨著檢波器總數(shù)增加,分組道數(shù)相等,總測點(diǎn)數(shù)及實(shí)際探測長度基本不變,排列個(gè)數(shù)及探測用時(shí)顯著減少,探測效率大大提高。

表1 不同檢波器總數(shù)的輸出方案對比Tab.1 Comparison of output scheme for different number of geophones

圖4 不同檢波器總數(shù)的輸出方案Fig.4 Output scheme for different number of geophones

1.3.2 不同目標(biāo)探測深度

結(jié)合圖5和表2可知,目標(biāo)測深超出5倍最大計(jì)算距離時(shí),輸出方案無效;針對有效探測方案,隨著探測目標(biāo)深度增大,總測點(diǎn)數(shù)及實(shí)際探測長度基本保持不變,分組道數(shù)、排列個(gè)數(shù)及探測總用時(shí)顯著增加。值得注意的是,目標(biāo)深度過淺導(dǎo)致分組道數(shù)減少,可能引起測點(diǎn)頻散成像的分辨率下降,實(shí)際觀測中應(yīng)予以考慮。

表2 不同目標(biāo)探測深度的輸出方案對比Tab.2 Comparison of output scheme for different target detection depths

圖5 不同目標(biāo)探測深度的輸出方案Fig.5 Output scheme for different target detection depths

1.3.3 不同橫向探測精度(測點(diǎn)距)

結(jié)合圖6和表3可知,當(dāng)測點(diǎn)距過小、探測深度較淺時(shí),為達(dá)到目標(biāo)測深,需更多檢波器參與自相關(guān)計(jì)算,致使超出儀器總數(shù),輸出方案無效;針對有效探測方案,隨著橫向精度(測點(diǎn)距)增加,分組道數(shù)、排列個(gè)數(shù)及總測點(diǎn)數(shù)減少,相應(yīng)的總探測耗時(shí)減小,實(shí)際探測長度不隨測點(diǎn)距發(fā)生顯著改變。橫向精度(測點(diǎn)距)過大雖能正常輸出方案,但對應(yīng)分組道數(shù)減小可能導(dǎo)致測點(diǎn)頻散成像的分辨率下降,實(shí)際觀測中應(yīng)予以考慮。

圖6 不同橫向探測精度的輸出方案Fig.6 Output scheme for different lateral detection accuracy

1.3.4 不同理論探測長度

結(jié)合圖7和表4可知,理論探測長度小于1個(gè)排列長度時(shí),無需臺(tái)陣平移,輸出方案無效;針對有效探測方案,隨著理論探測長度增加,分組道數(shù)不變,頻散分辨率不變,但排列個(gè)數(shù)、總測點(diǎn)數(shù)及總用時(shí)呈線性增加,相應(yīng)的工作量增大,實(shí)際探測長度趨近于理論值。

表4 不同理論探測長度的輸出方案對比Tab.4 Comparison of output scheme for different theoretical detection length

圖7 不同理論探測長度的輸出方案Fig.7 Output scheme for different theoretical detection length

2 現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)

2.1 場地及儀器

選取武漢市中心城區(qū)某瀝青道路(30.541°N,114.346°E)作為實(shí)驗(yàn)觀測場地(圖8),場地總長80 m,可探測長約60 m,路面平整,周邊區(qū)域道路縱橫、建筑密布、車流量大,天然源較為豐富。

圖8 實(shí)驗(yàn)場地Fig.8 Experimental site

實(shí)驗(yàn)采用節(jié)點(diǎn)式UGL-3C檢波器,該設(shè)備集成度高、性能較好。UGL-3C記錄通道數(shù)為3道,固有頻率為4.5 Hz,內(nèi)置GPS自動(dòng)授時(shí)可保證臺(tái)站間時(shí)間同步性。選定采樣率為250 Hz,臺(tái)站有效同步觀測時(shí)間不小于30 min。實(shí)驗(yàn)開始前將16臺(tái)儀器加裝三角錐,增強(qiáng)與地面耦合,并進(jìn)行一致性檢測(圖9),結(jié)果表明,在有效頻段(1～25 Hz)內(nèi)儀器的一致性較好,符合微動(dòng)探測要求。

圖9 一致性檢測結(jié)果Fig.9 Consistency test results

2.2 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集時(shí),采用與檢波器匹配的UGL-3C探測系統(tǒng),該系統(tǒng)由主設(shè)備、路由站和檢波器組成[11],其優(yōu)勢在于:1)自動(dòng)識(shí)別儀器編號(hào)與臺(tái)陣序號(hào)并進(jìn)行配置;2)實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)采集質(zhì)量并顯示各節(jié)點(diǎn)工作狀態(tài);3)人為發(fā)送控制指令啟動(dòng)采集且數(shù)據(jù)通過Wi-Fi無線傳輸至主設(shè)備,能很好地配合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集。

本文數(shù)據(jù)采集觀測方案由微動(dòng)線型臺(tái)陣快速探測方案程序給出。由方案分析可知,檢波器總數(shù)越多探測越高效,因此將全部16臺(tái)檢波器均用于觀測;在有限長場地實(shí)現(xiàn)排列多次滾動(dòng)觀測分析,確定探測深度為40 m,重點(diǎn)考慮橫向探測精度(測點(diǎn)距)。由圖10可知,當(dāng)測點(diǎn)距為1 m時(shí),儀器數(shù)量過少,不足以達(dá)到預(yù)估探測深度;當(dāng)測點(diǎn)距為3 m時(shí),臺(tái)站布設(shè)里程為105 m,超出場地總長,不符合要求;當(dāng)測點(diǎn)距為4 m時(shí),1次排列就有60 m,無法實(shí)現(xiàn)連續(xù)滾動(dòng)觀測;而當(dāng)測點(diǎn)距為2 m時(shí),在該實(shí)驗(yàn)場地可滾動(dòng)觀測3次,完成4次排列,實(shí)際探測長度為62 m,儀器布設(shè)里程為78 m,符合場地要求。

圖10 現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)輸出方案Fig.10 Output scheme of field experiment

為提高數(shù)據(jù)質(zhì)量,減小近源干擾,實(shí)驗(yàn)選在05:00～07:00時(shí)段進(jìn)行。首先沿測線將所有檢波器按2 m臺(tái)間距依次布設(shè),并通過Wi-Fi路由站連接至主設(shè)備;然后設(shè)置臺(tái)間距、分組道數(shù)等排列所需參數(shù),啟動(dòng)采集;采集中檢波器狀態(tài)信息和瑞雷波垂直分量數(shù)據(jù)可無線傳輸至主設(shè)備,在此過程中可實(shí)時(shí)監(jiān)控各位置測點(diǎn)的完成進(jìn)度;30 min后第1次排列采集結(jié)束,最終獲得8個(gè)測點(diǎn)格式為SG2的數(shù)據(jù)文件,包含臺(tái)陣中臺(tái)站的相對位置信息和波形數(shù)據(jù)。第1次排列數(shù)據(jù)采集過程如圖11所示。

圖11 第1次排列數(shù)據(jù)采集過程Fig.11 Data acquisition process in the first array

第1次排列采集結(jié)束后,按圖10(b)所示觀測方案,將后方8臺(tái)檢波器移至測線最前方對應(yīng)臺(tái)站位置,進(jìn)行下1次排列的數(shù)據(jù)采集,依次循環(huán)向前滾動(dòng)3次,共完成4次排列,得到32個(gè)測點(diǎn)數(shù)據(jù)。在此過程中,通過主設(shè)備可一鍵設(shè)定坐標(biāo)并啟動(dòng)采集,僅需保證移臺(tái)時(shí)檢波器位置準(zhǔn)確,可節(jié)省記錄坐標(biāo)和等待授時(shí)的時(shí)間。采集結(jié)束后,整條測線共得到32個(gè)實(shí)際測點(diǎn),探測長度為62 m,與理論參數(shù)一致,實(shí)際用時(shí)約2.5 h,與預(yù)估時(shí)長相符。

2.3 數(shù)據(jù)處理

在數(shù)據(jù)采集過程中已將截取和解編的測點(diǎn)數(shù)據(jù)以SG2格式文件通過Wi-Fi無線傳輸至主設(shè)備。對于單測點(diǎn),僅需讀取CMP道集中帶有坐標(biāo)及時(shí)長等參數(shù)的臺(tái)站波形記錄(圖12(a)),經(jīng)濾波、去均值及去傾斜等預(yù)處理后即可計(jì)算出各臺(tái)站對空間自相關(guān)系數(shù),擬合不同間距臺(tái)站對空間自相關(guān)系數(shù)(圖12(b))與第一類零階Bessel函數(shù)單調(diào)遞減部分,得到測點(diǎn)頻散譜(圖12(c))。

圖12 實(shí)測頻散曲線提取過程Fig.12 Extraction process of measured dispersion curve

對于城區(qū)淺層地下空間結(jié)構(gòu)探測,通常僅需了解地層剖面速度的相對變化,利用式(4)計(jì)算一維視橫波速度,可避免反演多解性,較快地反映地層速度的相對變化[12]:

(4)

式中,vx,i為第i個(gè)頻率值的視橫波速度,vr,i為第i個(gè)頻率值的瑞雷波速度,ti為對應(yīng)頻率值的周期。依次循環(huán)計(jì)算32個(gè)測點(diǎn)的頻散曲線,再運(yùn)用克里金插值法進(jìn)行橫向插值,即可快速獲得橫向精度為2 m的微動(dòng)二維視橫波速度剖面(圖13)。

圖13 二維視橫波速度剖面Fig.13 2D apparent S-wave velocity profile

3 結(jié) 語

微動(dòng)線型臺(tái)陣探測具有抗干擾性強(qiáng)、場地限制小、勘探耗時(shí)短的特點(diǎn),在城市地層勘探方面具有較大優(yōu)勢。通過研究微動(dòng)線型臺(tái)陣快速探測方案,能夠根據(jù)場地條件和設(shè)計(jì)要求確定主要采集參數(shù),制定合理觀測方式,提高外業(yè)觀測效率,為臺(tái)陣布設(shè)和平移提供參考,適用于城市淺地表、長距離、高精度勘探。

微動(dòng)線型臺(tái)陣快速探測方案可借助高集成探測系統(tǒng)(如UGL-3C)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控、無線傳輸及自動(dòng)截取等功能,后期可進(jìn)一步優(yōu)化探測過程,使該方案具有更高的應(yīng)用價(jià)值,以滿足城區(qū)淺層微動(dòng)精細(xì)化和快速化探測需求。