2024, Vol. 44
2. 湖北省地震局, 武汉市洪山侧路48号，430071;
3. 武汉地震工程研究院有限公司, 武汉市洪山侧路40号，430071
面波勘探是一种新兴的环境与工程地球物理勘探方法，利用其频散特性和相速度与岩土力学性质之间的相关性，可以解决诸多岩土工程勘察和工程地质问题。根据震源类型的不同，面波勘探可以分为主动源面波勘探和被动源面波勘探。主动源面波勘探采用人工震源激发，基于所产生的高频面波的频散特性，反演浅地表横波速度结构[1]。其中，瞬态面波MASW法应用最为广泛，已在路基检测[2]和地下低速异常体[3]探测中取得较好的应用效果。该方法是一种无损检测方法，适用面较广，但其缺乏低频信号，导致穿透深度有限，有效勘探深度在30 m以内[4]。被动源面波勘探是基于互相关理论的背景噪声成像方法，在浅地表工程勘察中的应用通常也称为微动探测。该方法利用自然界微动中的面波信号，这些信号携带大量与地表介质密切相关的信息，使用SPAC法提取其中的频散信息，可反演地下横波速度结构。因被动源面波信号采集自天然源，频带较宽，探测深度可从几十米至地壳浅部数千米[5]，但缺点是不能提供高频相速度数据[6]，导致浅层地层分辨率有限。
为了获取从表层到深层的详细地层信息，可以将主动源面波和被动源面波相结合[7-10]，从中提取更宽频带的频散曲线，以同时满足浅层分辨率和勘探深度的要求。本文探测区位于贵州独山变电站内，存在各种设备，会产生不同频率的连续噪音，且环境中存在较强的电磁干扰，常规的浅层地震反射波法、直流电法和电磁法均会不同程度地受到这些干扰的影响。考虑到在灰岩地区基岩面起伏较大，主动源瞬态面波探测深度有限，故采用主-被动源面波联合探测的方法对变电站地基进行地球物理勘探，精细刻画变电站内浅层横波速度结构。
1 频散成像基础理论20世纪90年代，美国地质调查局开展利用MASW法确定浅地表横波速度的研究[11-12]，之后MASW法便成为环境与工程地球物理研究的热点之一，且被认为是浅地表横波速度结构成像研究中最为便捷实用的方法。
MASW法数据处理过程较为简单，其最关键的步骤是从主动源面波信号中提取频散信息。常用的信号处理方法有τ-p变换、f-k变换、相移法、倾斜叠加法、高分辨率拉东变换法、频率-贝赛尔变换法等[13]。这些方法在高频段抗干扰能力强，具有较高的分辨率，其中f-k变换方法在低频段也能获得较准确的结果[14]，是目前应用非常广泛的方法之一。
从天然微动信号中提取频散曲线的方法最早可追溯至20世纪60年代，Aki[15]提出空间自相关理论，此后基于天然源面波的研究逐渐从理论走向实际应用，并发展出频率-波速[16]、多道面波分析[17]等多种频散曲线提取方法。近年来，夏江海团队通过改进算法，提出多道被动源面波分析法[18]、相位加权叠加法[19]和被动源伪线性阵列分析法[20]等，在一些典型案例中取得较好的效果。本文选择SPAC法作为被动源面波的分析方法。该方法能以较少的台站和较小的半径获得相对精确的地下横波速度结构[21]，且野外施工成本低、效率高，可在一定程度上减少钻探工作量[22]。
2 研究区地质特征概述研究区位于贵州高原南部黔南布依族苗族自治州，根据1 ∶20万区域地质调查报告(独山幅)及区域地质图(图 1(a))，场地附近无断层通过。测区内除东北部缓丘地段出露基岩外，其余地段均被第四系粘土覆盖，厚度0~15 m。岩土层按其地质年代和成因类型自上而下可划分为第四系人工填土层(Qml)、第四系残坡积土层(Qel+dl)和泥盆系上统望城坡组泥质灰岩(D3w)3个部分(表 1)，D3w又可分为强风化层和中风化层2个部分。
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图 1 测区地质构造及测点布置 Fig. 1 Geological structure of the survey area and the layout of the measuring points |
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表 1 测区地层特征 Tab. 1 Stratum features of study region |
探测区位于独山县尧梭村一个正在运行的高压变电站内。选用主-被动源相结合的方式对设计测线进行联合探测(测线布置见图 1(b))，重点以前期已有的2个钻孔附近的勘探点为例进行分析，探讨本文方法的有效性与实用性。
3.1 数据采集采用Geode多道地震采集系统采集瞬态面波数据，根据勘探目标深度，采集参数选择24道低频4 Hz检波器接收，道间距选择2 m，检波点共计129个，人工锤击铁板激发地震波，炮间距4 m，沿测线方向滚动测量(图 2(a))。
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图 2 地震节点布置示意图 Fig. 2 The schematic diagram of seismic nodes |
为了保证检波器与水泥路面充分耦合，将检波器倒置并涂满石膏，待石膏硬化固定后开始采集面波数据。采用50套ALLSEIS-1C/LF宽频地震节点仪采集微动探测数据，仪器内置宽频(1~240 Hz)高灵敏度检波器，固有频率为5 Hz。选用小间距线性阵列布置，台站间距为2 m，每个检波点位置与主动源面波一致，采样率为4 ms，采样时长为45 min。用类似高密度电法滚动测量的方式，一次性布设50套地震节点仪，稳定采集45 min后继续向前滚动，完成剖面测量(图 2(b))。
3.2 数据处理采用有缆地震仪采集主动源面波数据，存储的单炮数据可直接利用f-k变换计算频散曲线。采用无线节点地震仪采集被动源面波数据，需要根据目标层深度(约30 m)进行数据整理。以勘探点为中心，每11个台站信号依次组成阵列，勘探点间距设置为4 m，与主动源面波保持一致，利用SPAC法提取频散曲线。整条测线共63个勘探点，长238 m(距离起点10~248 m)。
图 3为计算所得各勘探点频散曲线，由图可知，主动源面波相速度有效频带主要集中在14~100 Hz，高频部分相速度反映表层的速度结构，低频部分相速度则反映深部地层速度结构。通过最大波长的一半[23]换算可知，主动源面波勘探深度约15~20 m。
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图 3 各勘探点的频散曲线 Fig. 3 Dispersion curves of each exploration point |
被动源面波频散曲线簇在18~35 Hz范围内与主动源面波基本重合；当频率超过40 Hz时，对应相速度与主动源频散曲线相比偏差逐渐增大。由于主动源面波高频信号更好，因此在高频部分主动源面波频散曲线能更真实地反映表层速度结构。被动源面波频散曲线低频可到10 Hz附近，通过换算可知，勘探深度约30~40 m。
综上，结合主-被动源面波数据可拓宽所提取的频散曲线频带。其中，较低频的被动源面波频散曲线可有效提高面波勘探深度；高频部分的主动源面波频散曲线可在一定程度上减小表层勘探盲区，提高表层的分辨率。
3.3 频散曲线合并主-被动源面波数据合并一般有2种方式：1)先将两者的频散能量叠加，再拾取频率对应的相速度峰值；2)先分别拾取两者的频散曲线，再利用数值拟合方法将2条曲线合并。
对于第1种方式，以zk5钻孔附近的勘探点sw-22为例，计算被动源(图 4(a))与主动源(图 4(b))频散能量。图 4(c)为主-被动源面波合并后的频散能量图，由图可知，主动源面波频散能量图中叠加被动源面波频散能量后，其低频段频散能量得到有效加强，且高频段频散能量几乎不变。
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图 4 频散能量图 Fig. 4 Dispersion energy |
在频散能量图中拾取频率对应峰值，如图 5所示。图 5(a)为主动源和被动源面波频散曲线，在15~35 Hz范围内，两者相速度值偏差很小，其所反映的地层结构基本可认为是一致的。图 5(b)中蓝色曲线为第1种频散能量叠加的合并方式，合并后提取的频散曲线与合并前2条频散曲线基本重合。图 5(b)中红色曲线为数值拟合后的频散曲线，即第2种合并方式。对比可知，2种方法所得频散曲线在大于15 Hz部分完全重合，仅在低频部分存在较小偏差。其中，第1种合并方式得到的频散曲线更接近于人工拾取的被动源面波频散曲线，故本文选择频散能量叠加进行主-被动源面波联合探测。
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图 5 频散曲线对比 Fig. 5 Comparison of dispersion curves |
对每个勘探点的频散曲线进行反演，即可估算地下介质的横波速度，从而获得测线下方视S波速度结构剖面。为了充分说明联合主-被动源面波精细化探测的有效性，重点以钻孔附近的勘探点为例进行频散曲线的反演计算。
图 6(a)为勘探点sw-22反演视S波速度模型，根据反演结果，有效反演深度为40 m。在0~6.7 m深度，视S波速度在231~262 m/s之间，钻孔揭露该层主要由素填土和粉质粘土(可塑)组成；在6.7~9.5 m深度，视S波速度逐渐增大到461 m/s，主要为强风化泥质灰岩；深度13.1 m以下，视S波速度大于714 m/s。参照《GB 50011-2010建筑抗震设计规范》中剪切波速500 m/s为土石分界线，可大致确定覆盖层厚约为10.1 m，由此可得强风化泥质灰岩厚约2.2 m，与zk5钻孔揭露的7.7 m层厚相差甚大。
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图 6 钻孔附近勘探点反演结果 Fig. 6 Inversion results of the exploration points near boreholes |
zk2钻孔附近勘探点sw-55的反演结果如图 6(b)所示。在0~6.9 m深度，视S波速度在243~357 m/s之间；在6.9~12.6 m深度，视S波速度逐渐增大到476 m/s；深度16.3 m以下，视S波速度大于547 m/s。推断覆盖层厚约为13.8 m，由此可得强风化层厚约2.8 m，与zk2钻孔揭露的3.7 m层厚也存在偏差。
本次探测中，S波速度剖面中强风化层顶板以下2~3 m剪切波速即超过500 m/s，因此将VS=500 m/s作为强风化层与中风化层的分界线可能并不合适。通常影响场地土剪切波速的因素不仅有土质类型、形成条件、物性等，还有埋藏深度和土层的覆盖压力[24]。根据勘察报告和现场调查，变电站修建时进行了开挖和回填。分析认为，强风化层在长期埋藏作用下呈现较为密实的状态，故在强风化顶板以下3 m左右反演视S波速度超过500 m/s。
3.5 探测研究区地层结构特征对各勘探点频散曲线进行反演，得到视S波速度二维断面(图 7)。从反演断面图可以看出，有效解译深度约为35 m，该剖面视S波速度分布均匀，横向较为连续，纵向递增分层明显，整体上可分为3层。在测线里程84 m和220 m处附近分布有2个钻孔zk5和zk2，通过钻孔资料标定可赋予该剖面地质意义(图 8)。
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图 7 反演的二维S波速度剖面 Fig. 7 Inverted 2D S-wave velocity section |
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图 8 主-被动源联合探测成果地质解析 Fig. 8 Geological interpretation of active and passive combination detection |
表层为新近素填土，松散，东侧较厚，向西逐渐减薄至1 m左右，视S波速度低于250 m/s，层底深度1.0~4.1 m；第2层为粉质粘土(可塑)，视S波速度范围为250~400 m/s，层底深度7.5~11.0 m，该土层东侧较薄，向西逐渐增厚；第3层为强风化泥质灰岩，视S波速度范围为400~750 m/s，因风化或溶蚀不均，层底界面起伏较大，深度在12.0~19.7 m之间；底层为中风化泥质灰岩，视S波速度大于750 m/s。
4 结语本文将主动源瞬态面波和小间距线性阵列被动源面波相结合，对贵州独山变电站地层模型进行探测研究，获得二维视S波速度剖面，结合钻探资料对比标定，对反演剖面进行岩性解译，结果表明：
1) 主动源MASW法未能提供低于14 Hz的相速度数据，而被动源SPAC法最大可用频率不超过35 Hz。因此，本文将主动源MASW法和被动源SPAC法频散能量叠加，得到一条复合频散曲线，该曲线具有覆盖被动源面波数据的最低频率到主动源面波数据的最高频率的宽频带，既能保证表层的分辨能力，避免形成较大的勘探盲区，又可以有效提高反演深度，获得更加精细化的横波速度剖面，结合少量的钻孔信息便可了解整条测线下方地层的岩性结构特征。与钻探相比，野外施工成本低、效率高，其探测成果可为在复杂城区开展不良地质体探测工作提供重要的参考依据。
2) 利用少量钻孔信息作为控制点，对视S波速度剖面进行对比标定分析，可极大提高对剖面的认识程度，使地质分层更加接近于真实的地层结构特征。以强风化底界面为例，目前国内相关规范中均以VS=500 m/s作为土石界面，在应用中通常视作强风化的底板界面。而在本案例中，通过频散曲线反演所得VS=500 m/s等值线与实际钻探揭露的强风化底板界面存在较大偏差，强风化泥质灰岩埋深超过2~3 m时剪切波速值即超过500 m/s，结合测线附近的钻孔资料分析可知，强风化和中风化分界面在视S波速度剖面中大致对应于VS=750 m/s等值线。
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2. Hubei Earthquake Agency, 48 Hongshance Road, Wuhan 430071, China;
3. Wuhan Institute of Earthquake Engineering Co Ltd, 40 Hongshance Road, Wuhan 430071, China