应用案例
面波勘探全能王:Sigma4+地震仪
发布时间:2020-12-14

概述

本文重点介绍瑞雷面波的勘探方法及应用领域。文中首先介绍了面波勘探的基本流程、几种常见的面波勘探方法,以及在不同领域的应用,最后介绍了美国Seismic Source公司的Sigma4+地震仪,该产品在面波勘探领域具有良好的普适性。

 

随着工程建设场地复杂程度以及施工难度的提高,岩土工程的施工与设计对地下层位的厚度、横波速度、岩石物理学参数提出了更高的精度要求。

面波勘探技术具有探测精度高、土层划分较精细、干扰小、成本低等特点,近几十年发展迅速,并广泛应用于浅地表勘查。

 

01 面波勘探的主要技术方法

    面波勘探的研究始于上世纪60年代。经过几十年的发展,面波勘探技术和处理方法已经相当成熟。主动源面波勘探由稳态发展到瞬态,再由瞬态的表面波谱方法发展到多道瞬态面波勘探方法,勘探精度及勘探效率也在逐渐提高,应用的领域也越来越广泛。

    与主动源不同,被动源方法在工程应用方面起步较晚,但发展速度较快,方法也越来越成熟,包括空间自相关法、频率波数法、HV谱比法等。

01

主动源面波勘探方法

01 稳态面波法

稳态面波的应用相对较早,它主要是通过激振器发出某一频率的正弦波,然后使接收点的距离等于激发频率对应的波长,此时示波器将显示相同相位的波形。将检波器移动到n倍波长时,n个测点连成的时距曲线的斜率就是对应频率的面波速度。通过激发不同频率的信号,然后将这一系列频散点连接起来即为频散曲线 。在得到频散曲线后,根据瑞雷波与剪切波的速度关系,以及面波反演中的半波长法,就可以得到二维横波速度剖面。该方法由于采用的是经验法得到的横波速度结构,因此存在一定的误差。由于稳态面波法设备笨重,在地形复杂地区很难操作,给施工带来一定的麻烦,后来这种方法的应用逐渐减少。

02 表面波谱分析方法(SASW)

表面波谱分析法通过震源激发地震波信号以后,将会产生一较宽频带的信号,然后利用两个检波器进行接收,并根据两个检波器的距离以及单一频率的相位差,可求得此频率的相速度,进而得到频散曲线。SASW方法可以同时检测多层介质中各层的厚度及速度,测量速度快,精度相对较高。但由于工区噪声、信号衰减、以及空间假频和近场效应的影响,一般测得的数据频带范围广。为了提高频带的分辨率,实际数据采集过程中,要调整近源检波器与源的距离,使其和道间距相等 。表面波谱法相对于稳态法而言,施工简便,更能适应地形的复杂多变,但是由于一直沿用2个垂直分量检波器接收,道数较少,在干扰波复杂的地区很难达到较好的勘探效果。

03 频率波数法(F-K)

频率波数法是通过二维傅里叶变换将频率空间域的信号转化成频率波数域,然后得到一个炮集记录的能量分布情况,再根据振幅能量最大的特点提取频散曲线 。但传统的频率波数法存在一定的缺陷,对高阶的能量分比率较差,进入21世纪以后,在传统方法的基础上对其进行了改进优化:将传统的频率–波数域波数形式改造成频率–速度域形式,然后引入多重信号分类算法将空间谱相关矩阵分解为信号子空间和噪声子空间两个部分,最后利用噪声子空间部分生成最终的面波频散图像,大大提高了精度。经过改进后的频率波束法,可以提高高阶面波的分辨率,但是由于对于检波器的要求比较高,采集过程中检波器必须沿着测线等间距分布,中间不能有空道,否则就会影响其成像精度。

04 τ-p法

τ-p法是一种离散化的线性拉东变换。它将时间和空间域的地震数据按照不同的截距时间 τ 和斜率p作切割线,然后倾斜叠加投影到 τ-p 域,接着进行一维傅里叶变换,将 τ-p 域结果映射到 f-p 域,再根据速度与慢度的关系,将 f-p 域的结果映射到f-v域,就可以看到面波能量的频散现象,并根据能量团最大的特点提取频散曲线 。

τ-p法对面波高阶的分辨率较高,并且经过改进之后,对于提取瞬态瑞雷波频散曲线具有失真小、可靠性高、压制假频和端点效应好等优点。

05 相移法

该方法可以说是频率波数法的改进,它的不同在于未变换到波数域而直接利用了空间相位信息来计算相速度。具体做法是把变换到频率域后的面波记录表示成振幅与相位的乘积,然后将振幅项进行归一化处理,此时会形成单炮的频散能量图,依据能谱提取频散曲线。相移法对基阶面波频散曲线的提取效果较好,并且经过伍敦仕改进之后的互相关相移法,提高了常规相移法在面波频散成像方面的品质,更加能适应对基阶面波的分辨。

06 倾斜叠加法

倾斜叠加法只和偏移距有关,与检波器的排列方式无关,该方法利用频率扫描函数与炮集记录进行卷积将频率分解,把时间变为频率,接着用倾斜叠加的方式得到每个速度的叠加能量值,使瑞雷波频散曲线的精度得到较大幅度的提高。倾斜叠加法为三维面波勘探的理论打下了基础,未来更加能够适应三维面波勘探任务。

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被动源面波勘探方法

01 空间自相关法(SPAC)

空间自相关法关键在于计算自相关系数,然后根据系数计算相速度,目前主要分为时域计算频域计算两种方式。时域计算首先是将连续记录的数据进行截取,分成若干的道集记录;然后对每一道数据进行窄带滤波,计算不同频率时圆心与圆周上各点的空间自相关系数,并且进行方位平均;最后使用不同观测半径的自相关系数计算相速度。频率域的计算过程是去掉了窄带滤波这个过程,只进行一次傅里叶变换就可以在时域里进行计算,大大提高了计算效率。SPAC方法只需较少的接收点就能反映较宽的频率范围,特别是对低频段的信息分辨率较高,但很难分辨高阶面波。

02 频率波数法(F-K)

F-K法相对于传统SPAC法,台阵布设比较灵活,十字型、L型、圆形等都可以。传统的频率波数法是利用中心频率不同的窄带滤波器,提取相似性较好的各数据段中不同频率的F-K功率谱,根据功率谱上最大的峰值坐标,计算得到不同频率的相速度值。由于被动源波场一般都比较复杂,F-K频谱上经常会出现多个峰值,使得分辨率降低,给提取频散曲线带来一定的困难。后来在此基础上对传统的方法进行了改进,主要是将各个方向上的F-K频散谱叠加,然后在叠加后的频散谱上提取频散曲线。具体的做法是将连续记录的数据截取成记录长度一样的道集记录,然后经过二维波场变换生成频散谱,再将所有方向上的频散谱叠加合成新的频散谱。F-K法能分辨高阶面波,但采集过程中需要较多的接收点,而且当信号源来自各个方向时,分辨率会显著降低。

03 HV谱比法(HVSR)

HVSR法主要是在自相关分析的基础上,计算同一观测点水平分量和垂直分量的谱比,并依据谱比估算地下横波速度特征,同时可以根据谱比峰值对应的卓越频率推测地层地下构造,是一有效的半定量的地震场地评价方法。HV谱比法相对于其他方法,采集相对方便,能适应各种的地形,但是不能完全定量的反演地下横波速度结构,目前国内外的应用还比较少,大多用在区域地质构造调查中。

 

 

02 面波勘探的基本流程

面波勘探主要是应用其频散特性,即在均匀水平层状介质中,其速度会随着频率变化,频率越低,传播的速度就会受到越深的地层介质的影响。其基本流程包括三方面(如图1):通过野外观测获得不同频率的面波数据;再利用一定的处理方法提取频散曲线;最后经过反演方法获得二维横波速度结构,从而得到不同深度的介质属性。

 

01 面波数据采集

原始数据采集时要根据勘探深度及目的来设定,主动源面波勘探主要以线型为主(如图2),道间距要小于最小勘探深度;偏移距一般根据地层波速来设定;最大源检距采集到的面波要保证能被记录到;最佳激振方式(锤击、炸药)要根据勘探深度和薄层厚度来确定。而被动源数据采集一般要布设台阵(如图3),台间距的1~5倍为有效探测深度(此处不同文献描述各不相同,仅做参考)。同时,台阵有方向选择性,对于平行于排列方向的波的分辨力最好,因此目前圆形台阵与三角形台阵在实际应用中比较常见。

02 频散曲线提取

频散曲线的提取是面波勘探最关键的一步,其精度的高低将直接影响后面的反演。目前主动源面波频散曲线提取的方法比较多,但每一种方法有自己的优缺点,比如τ-p法对高阶模态的提取效果较好,而相移法对基阶模态的提取效果较好,实际应用中两者可以优势互补。F-K法对高阶面波敏感程度更高。倾斜叠加法可为三维面波勘探提供方法技术支持。高分辨率线性拉东变换可以降低噪声模型的数据限制,提高能量谱的分辨率。被动源面波中SPAC法应用的较多,这主要是因为它对低频段信息分辨率高,而且频率范围宽;F-K法能够区分高阶面波,但要求的接收点较多,而且当信号源来自各个方向时,分辨率会显著降低。HV谱比法采集相对方便,能适应各种的地形,但不能完全定量的反演地下横波速度结构。

 

03 横波速度反演

最早面波反演用的是半波长经验法,这种方法算出的结果一般误差较大,后来发展为通过建立正演模型不断进行拟合,调整与实际频散曲线的误差,得出反演结果的方式。随着近些年最优化理论的发展,目前反演方法主要分为最小二程法和全局搜索算法,前者对初始模型要求比较高,后者较低,但收敛速度会变慢 。实际应用时应根据工区的地质情况和勘探目的,合理的选择反演方法。


 

03 Sigma 4+ 地震仪

Sigma系列地震仪是Seismic Source公司出品的性能极为优越的无线连续记录地震系统,该系列最新型号Sigma4+可在无需任何数字传输电缆的情况下,可完美地实现传统设备所有功能,包括震源控制系统、灵活的数据采集系统、GPS时间同步系统、远程控制系统、数据记录质量检查系统、以及地震数据收集功能

 

 

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———Sigma 4+地震仪———

 

Sigma4+地震仪包括3通道和4通道两种型号,可选外接任意主频检波器或内置2Hz主频检波器,多台设备可组合扩展至数百个通道,该设备轻便小巧,坚固耐用,通过连接不同主频检波器,可完美兼容所有的面波勘测方法,其无线设备特性可不受地形约束展开阵列,灵活开展测量。

 

应用

领域

  • 油气勘测
  • 诱发地震监测
  • 地质岩土工程
  • 振动/声学监测
  • 地震监测

 

解决方案

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  • 油气勘测用户:反射波法
  • 诱发地震监测用户:长期/短期监测、地面测量-井中监测、地面测量-注入监测(水力压裂、废液注入/处理)
  • 地面测量:矿井挖掘监测
  • 工程地震用户:反射波法、折射波法、MASW、RiMi、SPAC、HVSR
  • 振动/声学监测用户:有人值守/无人值守监测、速度/加速度监测、强震动监测
  • 地震监测用户:宽频带地震仪

 

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Sigma 4+已经几乎被用于所有类型的记录工作:结合多种震源,从简单的2D测线到复杂的3D成像应用。Sigma的独特特性使其可以完美地应用于三分量测量、单点接收、地质技术、被动源勘探、微震、以及永久监测。Sigma可以在多种震源下单独应用或与有线设备联合部署使用。

 

本文主要参考文献:

[1]  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.  

[2]  尹晓菲, 胥鸿睿, 夏江海, 等. 一种基于层析成像技术提高浅地表面波勘探水平分辨率的方法[J]. 地球物理学报, 2018, 61(6): 2380-2395.  

[3]  杨成林. 瑞雷面波勘探原理及其应用[J]. 物探与化探, 1989, 13(6): 465-468.  

 

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