山区公路微动探测方法应用试验研究_刘志清.pdf

2023 年第 38 卷 第2期2023，38(2):0823-0831地球物理学进展Progress in Geophysicshttp:/wwwprogeophyscnISSN 1004-2903CN 11-2982/P刘志清，赵振国，李添才，等2023 山区公路微动探测方法应用试验研究 地球物理学进展，38(2):0823-0831，doi:106038/pg2023GG0379LIU ZhiQing，ZHAO ZhenGuo，LI TianCai，et al2023 esearch for the application of microtremor survey method to high-way construction in mountainousareas Progress in Geophysics(in Chinese)，38(2):0823-0831，doi:106038/pg2023GG0379山区公路微动探测方法应用试验研究esearch for the application of microtremor survey method to high-wayconstruction in mountainous areas刘志清1，赵振国1，李添才2，王晨涛1，肖西卫1，连鑫葆1LIU ZhiQing1，ZHAO ZhenGuo1，LI TianCai2，WANG ChenTao1，XIAO XiWei1，LIAN XinBao1收稿日期2022-09-15;修回日期2022-12-17投稿网址http:/www progeophys cn第一作者简介刘志清，男，1980 年生，硕士，高级工程师，研究方向工程地质勘察、岩土工程等 E-mail:94239322 qq com1 中交公路规划设计院有限公司，北京1000102 北京城建勘测设计研究院有限责任公司，北京1001011 Zhong Jiao Highway Planning and Design Institute Co，Ltd，Beijing 100010，China2 Beijing Urban Construction Exploration and Surveying Design esearch Institute Co，Ltd，Beijing 100010，China摘要复杂山区的公路建设运营对地球物理探测提出了巨大挑战 非侵入式微动探测方法无需主动震源，作为地震类方法的一种，其独特的优势已经体现在地热资源探测、城市地下空间精细探测等领域 针对目前山区公路建设运营中对地球物理探测的重大需求，本文研究微动探测方法的应用效果 首先，根据研究区地形设计了十字形与直线型进行野外微动数据的采集，进而利用空间自相关法从微动信号中提取瑞雷波频散曲线，最后获得视 S 波速度剖面 通过与高密度电法探测结果对比发现微动探测方法在山区可以有效的识别隐伏构造和不同的岩性层、刻画高速异常地质体等 在灵活改变观测系统的情况下，针对山区公路建设对地质信息的要求，该方法可以提供关键的精细地质结构信息 通过本研究，初步证实了微动探测方法在山区探测的有效性，为后续复杂条件下的地球物理探测提供了新的有效探测手段关键词山区公路;微动探测方法;隐伏断裂;异常体中图分类号P631文献标识码Adoi:10 6038/pg2023GG0379AbstractHighway construction and operation in complexmountainous areas launch one challenges to geophysicalexploration As one kind of seismic method，non-invasivemicrotremorsurveymethoddoesnotneedartificialsources It has applied various filed such as geothermalexploration and the fine detection of urban undergroundspaceIn view of the great demand of geophysicaldetection in mountain highway construction and operation，the application effect of microtremor survey method isstudied in this paper Firstly，it deployed cross and lineobservation system based on the observation condition tocollected the microtremor signal Then，the ayleigh wavedispersion curve was extracted using SPAC method Atlast，the apparent S-wave velocity section was achievedComparison between the result of microtremor surveymethod and high density electrical method，it shows thatmicrotremor survey method can effectively identify theburied fault and different rock layers，describe the highwave velocity anomalies Under the condition of flexiblechange of observation system，this method can provide keygeological structure information for the requirement ofgeological information in mountain highway constructionThrough this study，the effectiveness of microtremor surveymethod in mountain area is preliminatively confirmed，which provides a new effective detection method forsubsequentgeophysicalexplorationundercomplexconditionsKeywordsoad in mountain;Microtremor survey method;Buried fault;Anomaly地球物理学进展www progeophys cn2023，38(2)0引言地质条件的不连续变化导致工程地质问题的不可预测性，特别是在山区复杂地形地质条件下，地基的稳定性评估存在极大的不确定性 在山区公路建设的过程中，由于地形险峻，空间窄小，钻探装备和人员难以到达线路位置，密集开展地面地质调绘和钻探极其困难且费用高昂 如此造成的地质资料空白或稀少，给山区公路工程设计、施工和运维带来很大的地质安全隐患，严重影响设计参数及工程造价不同于钻探，地球物理探测可以相对较快地进行野外实地探测，其已经成为线路比选、钻探、取样或其他有针对性的现场测试的基础 现阶段，传统的有效地球物理方法主要为电磁法 由于电磁法施工便利和受起伏地表影响较小，现在普遍使用电磁勘探技术，该法无须使用与大地接触的电极，且能更快提供与电阻率法大致相当的效果(底青云等，2013)为了克服山区高陡地形，地面勘探难以接近的地方，近几年来，航空电磁法得到广泛实践应用(殷长春等，2015)为了提高信号强度和勘探深度，目前复杂山区常采用地空结合的半航空电磁勘探方式，即地面发射、空中接收的工作方式(熊盛青，2020)同时与之同步的正演、反演算法均得到了迅速发展(武欣等，2019)该方法兼具航空与地面电磁的优势，机动灵活、经济(Lin et al，2019)微动技术是山区公路地球物理探测中较新开发的方法之一 在许多工程地质勘探方面，微动技术被认为是勘探地下几米到几百米甚至几千米地质构造的精选方法(田宝卿和丁志峰，2021)它以自然界的各种微弱震动作震源(微动信号的震源来自于地球表面任何地点、任何时间都存在的微弱震动)，借助于按一定规则布设的阵列地震检波器进行野外微动原始数据的采集，通过提取微动信号中的面波信息取得对应的面波频散曲线，然后利用其频散特征进行反演获得地下 S 波速度结构 因其绿色环保，野外工作简便快捷、不受各种电磁波干扰及施工场地限制、抗干扰能力强等特点，已经在轨道交通工程中得到实际应用，例如，滑坡、采空区、岩溶、地质构造、岩土界面等勘探 此外，利用微动技术，可以计算场地卓越周期，了解观测点下方的地质条件、地基的振动特性，并对地基进行分类和评价，在工程地震领域具有良好的经济效益(Tian et al，2019)微动探测方法源于对背景噪声的深入研究所形成的一种方法，其核心环节为从垂直分量信号中提取瑞雷波频散曲线，提取方法主要包括频率波数法(F-K)和空间自相关法(SPAC)频率波数法起源于采用观测台网数据监测核试验而研究出的一类方法(Capon，1969)空间自相关法为 Aki(1957)首次提出并应用于台阵数据的面波频散曲线提取 空间自相关法是目前浅层探测中常用的提取频散曲线方法 例如 Matsuoka 等(1996)在日本几个地方通过微动勘探获取的结果与测井曲线及相关资料进行了对比验证了空间自相关法的可靠性;Chvez-Garca 等(2005)在墨西哥地区采用空间自相关法获得了相速度的频散曲线，通过其反演的表层横波速度获得了对应地层的传递函数，此函数跟实际的地震响应有着很好的一致性 Okada(2003，2006)对空间自相关法进行了改进使得该方法更有效的应用于工程探测 Cho 等(2004，2006)对空间自相关法进行深入研究，分析各类因素对该方法获得结果的影响，为空间自相关法的应用打下扎实基础 现如今，日本利用高频段和低频段的微动信号，推断地下浅部数米 深部数公里地质结构，已经将微动探测方法成功应用于多种地质结构探测领域国内自 1986 年，王振东最早开始了针对微动的研究(王振东，1986)冯少孔基于实验数据开展了微动探测方法在土木工程领域应用的可行性研究其通过与测井方法比较，该方法在施工、成本、耗时方面优势明显，对环境不会造成影响，尤其适合应用在城市勘探工作中，通过其与钻孔联合使用，借助少量钻孔可以准确的获取地下三维的速度结构模型(冯少孔，2003)何正勤等(2007)基于台站数据使用此法进行数据处理得到了地壳浅部 1 2 km 的 S波速度结构，通过与钻探结果的对比表明该方法有效、可靠，并且总结了该方法的优点 近年来，针对城市工程建设对探测分辨率要求高、且城区探测场地小的特点，基于小台阵的微动数据采集与处理技术已在地铁工勘、城市地质调查中发挥重要作用 可在城市较窄路面条件下有效探测基岩面起伏、岩溶、孤石等不良地质体，为地铁设计建设、浅地表工程建设提供重要信息(Tian et al，2020)针对复杂地形条件下的微动探测方法与应用效果目前并不清楚 本文以云南某复杂地形地区的高速公路探测为例，基于改进的十字形阵列或直线型阵列，以空间自相关法为基础进行频散曲线的提取，通过微动探测结果与高密度电法探测结果的对比分析探测效果4282023，38(2)刘志清，等:山区公路微动探测方法应用试验研究(www progeophys cn)图 1微动探测方法的流程图(Tian et al，2022)Fig 1Workflow of the microtremor survey method(Tian et al，2022)图 2研究区地质地层图(全国地质资料馆:云南省 150 万地质图)Fig 2Geological stratigraphic map of research area(National Geological Archive:1500，000 geological map of Yunnan Province)528地球物理学进展www progeophys cn2023，38(2)图 3微动探测野外观测阵列示意图(a)及观测现场实景图(b)Fig 3Observation array of the collected of microtremor field data(a)and real scene of observation(b)1微动探测方法基本理论微动探测中的核心环节为提取瑞雷波频散曲线，因此本文简要介绍提取频散曲线的空间自相关法 根据探测目的不同，微动探测方法可以细分为微动测深技术和二维微动剖面技术 假设两个观测的绝对坐标分别为 A(0，0)和 B(r，)，两点之间的空间自相关函数定义为:S(r，)=20exp irkcos()h(，)d d=g(，r，)d，(1)式中 代表方位角，代表角频率，r 为两观测点间的距离此外，空间自相关系数为:(，r)=g(，r)/h0()=J0(rk)，(2)因此可以获得:(f，r)=J0(2fr/c(f)，(3)式中 J0为零阶贝塞尔函数，r 为两观测点间的距离，f 为频率，c 代表相速度，据此我们可以在固定距离和频率下，计算出对应的相速度 c采用空间自相关法从微动信号中提取出探测点的瑞雷波频散曲线后，对应的两种技术后续处理流程存在差异 微动探测方法的基本流程如图 1所示微动探测法采用遗传算法(GA)，由提取出的瑞雷波相速度频散曲线反演勘探点(台阵)下方的 S波速度结构，获得对应岩层的不同地球物理参数 二维微动剖面探测技术则是利用每个探测点的瑞雷波频散曲线基础上，采用经验公式(4)将瑞雷波相速度(Vr)转换为视 S 波速度(Vx)随后将所有探测点转换后的 Vx随深度的变化曲线进行插值光滑、成图得到视 S 波速度剖面图，据此识别相关的地质异常体(田宝卿，2014)公式(4)为:6282023，38(2)刘志清，等:山区公路微动探测方法应用试验研究(www progeophys cn)图 4微动数据波形图(a)原始微动野外数据;(b)经过带通滤波后的微动数据Fig 4Waveform of microtremor field data(a)aw microtremor field data;(b)Microtremor signal after bandpass filteringVx，i=tiv4r，i ti 1v4r，i 1ti ti()11/4，(4)式中 Vr代表瑞雷波相速度;ti代表周期;Vx代表视 S波速度2研究区地质概况研究区位于青藏、滇缅、印尼巨型“歹”字型构造体系东支中段与三江南北向构造体系复合部位，728地球物理学进展www progeophys cn2023，38(2)图 5拟合贝塞尔函数曲线图Fig 5Fitting curves of Bessel function图 6提取的面波频散曲线图Fig 6Dispersion curves of extracted一系列南北向及北北西向构造到此开始呈现出散开状态，形成了主体为北北西向构造带与南北向构造带的区域构造基本框架(李雄等，2020)部分地区由于东西向构造的复合致使总体构造形态比较复杂，但区域构造轮廓仍较清晰(图 2)该研究区褶皱与断裂发育，以断裂构造为主，褶皱次之 主要构造线以近南北向为主，东西向、北东向次之 研究区第四系至寒武系地层出露较为齐全，第四系冲洪积层、残坡积层为上覆地层，冲洪积层主要分布于山间冲沟和河流河谷、阶地段;残坡积层多分布于斜坡坡麓地段 区内沉积地层主体呈北北西向条带状展布，晚古生界基性喷出岩与早中生界中酸性喷出岩分别呈层状或不规则岩体产出 崇山群变质杂岩体作为研究区下伏基底，主要由晚古生代地层岩石组成，由于后期遭受中生代和新生代变质变形作用后形成了中-深变质系岩体 下伏基岩主要有下第三系、白垩系、侏罗系、三叠系、石炭系、志留8282023，38(2)刘志清，等:山区公路微动探测方法应用试验研究(www progeophys cn)图 7微动探测结果与高密度电法结果对比图Fig 7Comparison of microtremor survey method and high density electrical method系、奥陶系、寒武系、元古界，燕山期，以沉积岩、变质岩为主，局部地段分布有燕山期花岗岩3数据采集与处理在研究区内，根据实际观测场地条件，探测测线多面临断崖峭壁，布设均匀分布型阵列困难，考虑野外实际场地人文活动干扰较小，野外观测设计了十字形与直线型观测阵列获取微动野外数据 台间距10 m，观测距离组合 10 m 20 m 30 m 60 m 70 m，采样平率 250 Hz，观测时长 30 min(图 3a)用于对比验证微动探测有效性采用高密度电法，主要针对浅层地质结构识别的精细程度 高密度电法在浅部勘探分辨率较高，最大可达 150 200 m 但该方法缺点是需人工布设电缆与电极，在地形较为复杂的的地区施工效率很低，难度也较大，很可能会出现漏插电极或漏电的情况 在本研究中高密度电法测线与微动测线重合(微动测线如图 3b 中所示)，现场数据采集采用 10 m 电极距，排列布设 30根电极 高密度电法野外采集的数据利用仪器自带软件进行地形校正、数据反演等处理，最终获得电阻928地球物理学进展www progeophys cn2023，38(2)率剖面反演解释图山区进行地球物理探测必须考虑地形对探测结果的影响，因而对微动的野外原始数据(如图 4a)首先进行了基本的预处理，主要包括校正、归一化等，图 4b 为进行了带通滤波后的波形图 然后在考虑起伏地表的影响下对台阵两两配对组合进行空间自相关系数的计算，拟合零阶贝塞尔函数曲线(图 5)后最终获得频散曲线，研究区获得的频散曲线示例如图 6 所示 当获得了所有微动探测点所对应的频散曲线后，利用经验公式(4)将每个探测点的频散曲线转换为视 S 波速度随深度变化的曲线(Vx-H)，所有探测点的 Vx-H 曲线进行横向与垂向的插值平滑，最终获得视 S 波速度剖面图4结果讨论与对比分析将微动探测获得的视 S 波速度剖面图与高密度电法获得的视电阻率剖面进行对比分析(图 7)微动视 S 波速度剖面显示第一层岩性相对均匀，厚度20 m 左右，视 S 波速度 700 900 m/s，在整个测线布置区域横向起伏不大 第二层厚度 10 m 左右，视S 波速度 1200 m/s 左右，在测线的右端变薄，根据研究区已知的地质地层资料推断为泥岩、板岩 在地面里程+150 处深部相对低速，推测为断层或破碎带 F1，倾向线路右侧，受该断裂影响高程 1600 1520 m 存在大片低速体;高程 1580 1630 m 处发现两处相对高速区，推测为石英砂岩同样，高密度视电阻率剖面结果上显示地面里程+150 处视电阻率相对低阻且延伸至深部，高程1600 1660 m 处发现两处相对高阻，推测为石英砂岩 相较于微动探测方法获得的探测结果，高密度探测深度相对有限由以上分析可见此处高密度电法和微动异常位置和深度基本吻合，能相互验证，证明微动探测方法在山区公路复杂地形条件下的探测尝试效果较好，可以为复杂公路的建设及运营保养提供可靠的地球物理信息5结论复杂山区的公路建设与后期运行维护一直以来是工程难题 地球物理探测对于路线方案比选和重要工点的工程地质、水文地质评价以及公路防灾至关重要 有效的地球物理探测结果可以提供关键的地质结构信息 在传统地球物理探测方法应用于复杂山区条件下的公路探测愈加乏力的情况下，引进近年来发展起来的被动源面波探测方法-微动探测方法，在选定的研究区进行微动探测实验，同时为了验证微动探测方法是否有效，在研究区布置了高密度电法用以验证 由实验结果可知微动探测方法在复杂山区可以有效识别断裂破碎带等隐伏构造，对于地层中的高速侵入岩体反应灵敏 同时，该方法在同时满足探测深度与精度要求下，可以有效的刻画隐伏构造展布形态、地质异常体分布形态等但需要注意的是微动探测方法以岩石 S 波速度差异为前提的地球物理探测方法，速度差异小的岩性界面或构造，探测难度大或无法分辨 S 波速度与岩性并非唯一对应，微动剖面上的速度分层与钻孔所见的地质层位不一定吻合，用单一速度值分层可能会导致解释错误 微动剖面的视 S 波速度与地质界面(或异常体)的对应关系，最好根据钻探结果标定，缺少钻孔标定会增加微动剖面的定性、定量解释的不确定性致谢特别感谢中国地震局地球物理研究所田宝卿博士对本研究实践工作的鼎力帮助 本项目在实施过程中得到了中交公路规划设计院有限公司北京岩土工程技术分公司的大力支持，在此一并致谢eferencesAki K 1957 Space and time spectra of stationary stochastic waves，withspecial reference to microtremorsBulletin of the Earthquakeesearch Institute，35(3):415-456CaponJ1969High-resolutionfrequency-wavenumberspectrumanalysis Proceedings of the IEEE，57(8):1408-1418Chvez-Garca F J，odrguez M，Stephenson W 2005 An alternativeapproach to the spac analysis of Microtremors:exploiting stationarityof noise Bulletin of the Seismological Society of America，95(1):277-293Cho I，Tada T，Shinozaki Y 2004 A new method to determine phasevelocities of ayleigh waves from microseisms Geophysics，69(6):1535-1551Cho I，Tada T，Shinozaki Y 2006 Centerless circular array method:inferring phase velocities of ayleigh waves in broad wavelengthranges using microtremor records Journal of Geophysical esearch:Solid Earth，111(B9):B09315Di Q Y，Fang G Y，Zhang Y M 2013esearch of the SurfaceElectromagnetic Prospecting(SEP)systemChinese Journal ofGeophysics(in 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