天然源震动成像技术在城市隐伏断裂勘察中的应用

牛永效 王官超 祁晓雨 马传广 秦海旭

(中国铁路设计集团有限公司,天津 300308)

引言

断裂与地震等地质灾害紧密相关[1],对高速铁路选线、工程类型选择、运营安全影响较大[2]。 隐伏断裂隐伏于地下,地表无出露,野外调查困难[3],需要采用物探等技术手段查明其位置和产状[4]。

国内外相关学者在断裂物探技术研究与应用方面开展了大量工作。 季淞达结合山西某铁路,研究天然源大地电磁法、直流电测深法和电阻率联剖法相结合的综合物探技术,并对其应用效果进行探讨[5];周学明采用小道间距、小炮距、高覆盖次数的高分辨浅层反射技术对某铁路隐伏断裂进行勘察[6];刘保金等研究了三分量浅层地震反射技术在北京黄庄—高丽营隐伏活动断裂勘察中的应用[7];李富等研究高密度电阻率法、大地电磁测深和氡气测量3 种方法联合的综合勘探方法,并在安宁秧财沟断裂中进行应用[8]。

以往研究工作主要侧重于建筑物及干扰较少地区的隐伏断裂勘察。 在城市地区,周围环境复杂,建筑物密集、道路纵横、高压线及车辆震动等干扰因素大[9],传统的地震反射、地震折射、大地电磁、瞬变电磁、高密度电法等勘察方法实施困难。 针对上述困难,研究了一种天然源震动成像勘察新技术,该技术利用节点式地震仪对天然源背景噪声进行观测[10],直接对单道三分量地震记录进行特征频率提取[11],随后进行频率-深度转换并对地下地质体进行成像,无需开展不同地震道之间的交互处理[12]。 该技术利用自然界震动信号为震源[13],无需人工震源、频带宽[14]、勘探深度大,不受地形地质条件和人文干扰因素的影响[15]。 对天然源震动成像的基本原理和数据处理流程进行深入研究,并结合某新建铁路项目进行应用。 该项目穿越某隐伏活动断裂,为保障工程建设和运营安全,需查明隐伏断裂的分布。 工点周围建筑物密集、车辆震动及高压线等干扰因素大,传统地震物探及电磁类物探方法实施困难,故利用天然源震动成像技术对该隐伏断裂进行勘察。

1 基本原理

与传统地震方法(包括地震反射、折射等)主要利用时间域地震波传播走时特征不同[16],天然源震动成像是一种频率域地球物理勘探新方法。 该方法的数据处理流程中,利用单点三分量检波器采集天然源震动信号,进行噪声压制、道均衡等预处理后[17],提取特征频率、成像,具体处理流程如下。

(1)步骤1

通过中值滤波的方式剔除原始数据上分布零散的异常振幅噪声。 对于给定的某数字信号序列x(i)进行滤波处理时,需要首先定义1 个为奇数的窗口长度L,L= 2×N+1(N为正整数,以确保窗口长度为奇数)[18],对于某一采样点i,其对应窗口内的信号样本为x(i-N)……x(i)……x(i+N),其中x(i)为窗口中心的样本值,对L个信号样本值从小到大排列,中值(i处)定义为中值滤波器的输出值,有

式中,y(i)为中值滤波输出;Med为滤波算子。

(2)步骤2

将各道乘以不同的权衡系数后输出,能量小的道乘以大权,能量大的道乘以小权,使各道的能量达到均衡[19]。 假设待均衡的记录道数为M,总的平均振幅为

每道的平均振幅为

式中,i为道序号;j为道内采样点序号;N为记录道内采样点总个数;fi,j为第i道第j个采样点均衡之前的振幅值。

根据式(3)可以计算出第i道上的权系数

对第i道的每个采样点来说,Wi为常数,第i道均衡后的振幅值为

(3)步骤3

进行特征频率提取,特征频率f表征地层厚度、密度和速度的关系,其表达式为

式中,f为特征频率;h为地层厚度;ρ为密度;Vp为纵波速度;Vs为横波速度。

杨先生不做声了。他摸出包烟，抽出两根，递给大梁一根。他说：“马占山将军牌的烟。这烟现在金贵，汉口市面上也早都冇得卖的。这还是慢成带给我的，我搁了好几年。么样儿，是不是有点儿霉味？”

(4)步骤4

基于各道获取的特征频率,利用改进的遗传算法(GA)在深度域进行成像[20],获得成果剖面,第n层的厚度Hn计算式为

式中,δn为泊松比。

2 工程应用实例

结合某新建高铁项目的城市隐伏活动断裂勘察,进行天然源震动成像应用研究,并对其应用效果进行评价。

2.1 数据采集

研究工区环境复杂,建筑物密集,高压线及车辆震动等干扰因素大,现场数据采集采用节点式三分量检波器,频带宽0.3~150 Hz,采样间隔1 ms,采样时长60 min,点距10 m。

2.2 数据处理

野外原始记录见图1,由图1 可知,野外原始记录中包括自然界的天然源震动数据,也有周边车辆震动等产生的干扰数据(如图1 中圆圈位置所示),其中天然源震动能量较小,干扰数据能量较大,需去除干扰数据。

图1 野外原始数据

由于数据量较大,下面以其中1 个记录为例,介绍数据处理过程。

原始数据去噪前后的对比见图2,其中,X、Y、Z分别代表3 个方向的天然源震动数据,由图2 可知,经过去噪处理后,原始记录的异常振幅噪声、面波、单频干扰等均得到了有效的去除和压制,可大幅提高原始记录的信噪比。

图2 原始数据去噪前后对比

经过去噪、道均衡处理后,天然源震动数据可分为48 段,把每段数据分别进行傅里叶变换并叠加,有

式中,Fn为第n段记录的频谱,x、y、z分别为3 个方向的分量数据;ε1、ε2、ε3分别为3 种分量的权系数,某一时间段的天然源震动数据见图3。

图3 某时间段内天然源震动数据

通过傅里叶变换并叠加后得到的频谱见图4,由图4 可知,频谱图中有很多峰值,这些峰值即为天然源震动信号的特征频率。

图4 天然源震动信号特征频率

提取特征频率后,基于改进的遗传算法进行成像和高程校正,得到每一层的厚度Hn与对应的振幅值,形成成果剖面,并结合地质资料对成像结果进行解释。

2.3 成果解释

该工点的天然源震动成像成果剖面见图5,不同颜色代表不同的相对振幅值,相对振幅值大小与岩土体的软硬有关,相对振幅值等值线的变化与岩土体的完整性相关。 由图5 可知,第四系覆盖层与下伏基岩之间界面成像清晰,分布连续,覆盖层厚度与附近钻孔第四系松散地层厚度一致,参考附近钻孔资料,推断下伏基岩为砂岩。 在里程1 100 m 左右,2 层相对振幅值等值线不连续,左侧砂岩厚度较薄,上界面埋深小,右侧砂岩厚度较厚,且上界面埋深大,推断存在一逆断层F1。 经收集地质资料对比验证,该处存在一处逆断层,与天然源震动成像勘探成果推荐位置基本吻合。

图5 天然源震动成像成果剖面(单位:m)

3 结论

(1)天然源震动成像技术可直接利用自然界震动信号,无需人工震源,具有信号源丰富、频带宽、勘探深度大等优点。

(2)天然源震动成像利用分布式单点三分量检波器,现场布置灵活,无需不同道之间的交互处理,受地形条件和人文干扰因素的影响小,在建筑物密集,高压线及车辆震动等人文干扰因素大的城市地区具有明显优势。

(3)结合某高铁项目,利用天然源震动成像技术查明150 m 深度范围内的第四系覆盖层埋深、基岩界面、逆断层的位置、产状(逆断层)。 应用结果表明,该技术对深厚覆盖层条件下的城市隐伏断裂具有较高的勘探精度。