微动法在划分岩溶塌陷隐患区域中的应用.pdf

第 69 卷增刊 1Vol.69Supp.12023 年6 月Jun.,2023地质论评GEOLOGICALREVIEW481微动法在划分岩溶塌陷隐患区域中的应用一梁东辉1,2,3)，徐虎1,2,3)，谭磊1,2,3)，刘福达1,2,3)，江树海1,2,3)1）浙江广川工程咨询有限公司，杭州，310020；2）浙江省水利河口研究院（浙江省海洋规划设计研究院），杭州，310020；3）浙江省水利防灾减灾重点实验室，杭州，310020注：本文为浙江广川工程咨询有限公司国家高新技术企业技术研发项目（编号：Y2206）的成果。收稿日期：2023-04-10；改回日期：2023-04-30；责任编辑：周健。DOI：10.16509/j.georeview.2023.s1.214作者简介：梁东辉，男，1990 年生，硕士，工程师，主要从事地球物理探测技术研究；Email：。关键词：关键词：岩溶塌陷；微动；谱比积分；HVSR岩溶塌陷是一种常见的地质灾害，给人民的生命和财产造成了严重的安全影响，划分岩溶塌陷的隐患区域可指导工程建设的选址和设计，为地质灾害的防治提供技术支持。微动法是近年来广泛应用的被动源地震勘探方法，为研究其在划分岩溶塌陷隐患区域的作用，选择某典型岩溶塌陷区为试验场地进行微动法测量。本文提出了一种微动数据处理方法谱比积分法，该方法首先将三分量微动数据进行 HVSR（horizontal-to-vertical spectral ratio）法处理，然后对得到的 HVSR 曲线在 120 Hz 范围内进行积分运算，获得该测点的谱比积分值。依次对场地每个测点的微动数据进行谱比积分法处理，绘制试验场地谱比积分等值线平面图，与现场塌陷调查资料对比分析。结果显示，试验场地的塌陷坑基本分布在谱比积分值较大的区域，说明微动谱比积法可用来划分岩溶塌陷隐患区域。1场地概况及测量布置试验场地的地貌类型为冲积平原，地表为农田、果园和竹林，地形平坦，高程 2731 m，测区内无基岩出露，东侧和南侧有河流经过，中部有一条高压线横穿测区，走向为 110。试验场地内的5 个钻探揭示的覆盖层厚度在 9.014.2 m 之间，主要成分为粉质黏土、中砂、细砂，下伏地层为石炭系石磴子组灰岩，岩溶裂隙、溶洞较发育。根据现场调查，试验场地共有大大小小的塌陷坑 25 个，多成圆形，半径 0.55 m。为了探索微动法在划分岩溶塌陷隐患区域的可行性，对试验场地进行微动法测量，共布置 20条平行测线，测线走向为 30，测线间距和测点间距均为 10 m，使用 RTK 测量仪器准确定点。依次对每个测点进行微动法测量，采用三分量微动仪，采样频率设置为 128 Hz，采样时长 20 min。2方法原理微动又称为地震背景噪声，是地球表面时刻存在的微弱震动，由自然因素或人文活动引起。在主动源地震勘探中，微动信号被认为是无意义的干扰信号，然而，研究表明，看似无规律的微动信号携带丰富的地下地质结构信息，可用来做被动源地震勘探。因为微动法不需要特定的震源，对环境无破坏，近年来在国内外得到广泛的应用。微动法按照测量时检波器的布置形式分为台阵测量和单台测量。台阵测量利用多个检波器垂直方向的同步震动信号，通过空间自相关法（SPAC）、频率波数法（FK）、地震干涉法等提取面波频散曲线；单台测量采用三分量检波器，通过 HVSR 法（Nakamura，1989）处理，将得到的 HVSR 作为传递函数的近似，获取场地卓越频率。目前，微动技术广泛应用于地下地质结构的探测中（韩晨等，2022）。三分量微动原始数据包括三个正交分量的振动数据，即两个水平分量（南北方向和东西方向）和一个垂直分量。因此微动信号水平分量和垂直分量之比有两个，即NSZ/SS和EWZ/SS，其中NSS、EWS和ZS分别是南北方向、东西方向和垂直方向的振幅谱。微动 HVSR 可按照NSZ/SS和EWZ/SS的算数平均值、几何平均值或均方根平均值来计算，三种方法计算出来的 HVSR 形态基本一致。本文按几何平均值计算，公式为：地质论评 2023 年 69 卷 增刊 1482NSEW2ZRHVSSSS(1)一个可信的 HVSR 曲线要满足以下 3 个条件（SESAME，2004）：（1）0w10/fl；（2）ww0200lnf；（3）A000()20.520.5Hzfforfff if f；A000()30.520.5Hzfforfff if f。其中0f为峰值频率，wl为时窗长度，wn为参与计算的窗口数量，A为 HVSR 的标准差。处理实测微动数据时，首先选择合适的时窗长度，按时窗长度将数据分成若干段，分别对每段按照式（1）进行计算，去除干扰较大的数据段，将剩余数据段的 HVSR 取平均值即为此测点的 HVSR结果。图 1 为第 6 测线 240 测点和第 11 测线 120测点的微动 HVSR 曲线图。图 1 微动 HVSR 曲线图（a）第 6 测线 240 测点；（b）第 11 测线 120 测点计算测点 HVSR 在 120 Hz 范围内的积分，如式（2）所示，其中 SRI表示谱比积分，df表示频率间隔。20RI1()*dfSfHVSfR(2)依次将试验场地所有测点的微动数据按照式（1）和式（2）进行处理，然后绘制场地谱比积分等值线图，如图 2 所示。3结论根据图 2 可知，试验场地的 25 个塌陷坑中有21 个分布于谱比积分值大于 40 的区域，占总塌陷坑的 84%，另外 4 个塌陷坑也位于谱比积分值较大的区域边缘；在谱比积分值小于 32 的区域则没有出现塌陷坑。这一现象说明，本试验场地岩溶塌陷的发生与谱比积分值存在正相关性，较高的谱比积分值预示着有较大可能性发生塌陷。试验场地覆盖层为粉质黏土、细砂、中砂，基岩为灰岩。在地质条件类似的其他场地，可以应用微动谱比积分法来进行岩溶塌陷隐患区域的划分。图 2 试验场地微动谱比积分等值线图1河流及流向；2塌陷坑；3高压线；4房屋；5测点；6钻孔及编号参考文献/References韩晨,梁锋,李海龙,王涛,张敏,唐灵.2022.基于背景噪声的自相关与HVSR联合成像在广东惠州城市浅层结构探测中的应用.地质论评,68(4):14131422.Nakamura Y.1989.A method for dynamic characteristics estimation ofsubsurface using microtremor on the ground surface.Quarterly Reportof RTRI,30(1):2533.SESAME.2004.Guidelines for the implementation of the H/V spectral ratiotechniqueonambientvibrationsmeasurements,processingandinterpretation.SESAME European research project.LIANG Donghui,XU Hu,TAN Lei,LIU Fuda,JIANGShuhai：Research on the application of microtremor indelineating potential karst collapse hazard zonesKeywords:karst collapse;microtremor;spectral ratiointegration;HVSRHVSR=