工程双源面波勘探及其应用

工程双源面波勘探及其应用

毛健伟聂碧波郭乃根孙秀容夏学礼

上海申丰地质新技术应用研究所有限公司

上海201106

内容提要：为了提高面波勘探的勘查深度，将多道瞬态面波勘探和微动勘查集成为一轻便的系统，使面波勘探的勘查深度加深至100∽300米，基本满足了工程上的需要。在多道瞬态面波勘探数据采集时应首先对面波波场进行分析，采用大偏移、大道距对提高频散曲线的提取精度十分重要。使用该系统在同一点两种方法采集数据得到的频散曲线有着十分好的重复性和唯一性，并能得到验证。工程双源面波勘探在浅部煤层采空区中的应用取得了很好的效果。在煤层埋藏较浅，得不到煤层反射波的煤层采空区调查中有着较好的应用前景。

关键词：面波微震双源采集系统频散

1引言

上世纪九十年代中期，北京水电物探研究所刘云祯先生首先提出了“多道瞬态面波法勘探【1】”，并研制出具有自主知识产权的多功能面波仪，开发出相应的资料处理软件。多道瞬态面波法勘探在工程界得到普遍应用。并于2004年国家颁布了“多道瞬态面波发勘察规程【2】”。通过多年的实践，多道瞬态面波法勘探在频散曲线提取中的稳定性问题【3】，频散曲线的“之”型问题【4】及勘探深度较浅等都使其应用受到限制。1998年原地质矿产部王振东先生针对多道瞬态面波勘探勘探较浅（20米左右）提出了双源面波勘探的设想【5】，拟将多道瞬态面波勘探和微动勘查在软、硬件上集成为一个系统，即同时可进行“多道瞬态面波法勘探”，又可进行“微动勘查”，取之所长，避之所短，提高面波勘探勘查深度，满足绝大部分工程的需要。

虽然“多道瞬态面波法勘探”和“微动勘查”都是应用面波在非均匀介质具有频散特性和半波长理论来研究地下地质结构，但他们在数据采集方法、使用的硬件及资料处理方法上有着较大的差别。上海申丰地质新技术应用研究所有限公司于2008年在加拿大骄佳技术公司赵冬先生的配合下，选择美国SI公司生产的S-Land数字化工程地震数据采集系统为硬件，赵东先生编制的天然原面波F－K、SPAC、ESPAC处理软件集成了工程双源面波勘探系统，并在野外进行了大量的试验，使面波勘探的勘探深度提高至100-300米。该系统之所以定名为工程双源面波勘探系统，它在两方面不同于“微动勘查”，一是它的采集硬件是多道（24或48道）而不是4或7个独立的采集单元，一个系统既可采集人工源面波，又可进行微动采集；二是它采用的传感器是2.5Hz和4.5Hz低频检波器，而不是低频摆，该系统更换检波器后还可进行地震反射和折射波法勘查，一个系统可以进行多种弹性波法数据采集，既适用又经济。

2 工程双源面波勘探数据采集与处理系统

工程双源面波勘探数据采集与处理系统中的野外数据采集系统为S-Land数字化工程地震勘探数据采集系统，由主机及两串数据链（24或48道）组成，传感器为重庆地质仪器厂生产的2.5Hz或4.5Hz检波器，主要技术参数如下：

通道数：24道、36道、48道可选

采样率：0.25ms、0.5ms、 1.0ms,、2.0ms 、4.0ms

动态范围：145dB

A/D：△-∑24位

前放增益：0 dB、12 dB、24 dB、36 dB

频宽：0.25ms, 0-1600Hz；0.5ms, 0-800Hz；1ms, 0-428Hz；2ms, 0-210Hz

通频带波纹系数<0.1dB

系统平均单道功耗<250mv

工作温度：-350C ~ +750C

记录格式：segy

主机重量：2.2kg

本系统采用数字化检波器技术，即在每一个检波器上有一个SMG，其中有前置放大和△-∑24位A/D转换，它采集到微弱的人工源面波信号和微动信号后经放大后即转为数字信号，灵敏度、保真度高，使信号不受干扰和畸变。另外，该系统频带低频响应好，动态范围大，很适用于进行双源面波法勘探。

处理软件采用加拿大骄佳技术公司的6.1高级版面波处理软件。人工源面波勘探采用Ｆ-Ｋ方法，二维F-K变换和tau-p变换，可以在FK、FV、FP域中提取频散曲线，天然源面波处理软件有F-K（频率-波数法），S-PAC（空间自相关法）及ESPAC（扩展的空间自相关法），其中F-K和ESPAC法不再局限于SPAC的圆型或三角形台阵，使用更灵活的排列布置来适应实际工作环境。

3 数据采集中的几个问题

人工源面波勘探（多道瞬态面波勘探）经近二十年的研究应用，已逐渐发展成一种重要的工程物探方法。众所周知，频散面波具有不同的频散振型，目前在多道瞬态面波勘探中主要应用基阶振型频散面波。所以在数据采集时能否采集到不受干扰的基阶振型面波对能否取得较好的勘查效果十分重要。目前在人工源面波勘探中有一个误区，由于面波的能量强易于采集和识别，往往不重视外业数据采集参数中偏移距和道距的选择。合理的采集参数是该法取得效果的关键。图1是清华大学声学实验室沈建国先生的物理试验模型。可见基阶面波、高阶面波及体波有着不同的发育空间【6】。图2是实际采集的地震记录，可见，它与物理试验模型的结果十分吻合。

图1 物理试验模型

图2 面波振型

图3是在不同地区采集的面波记录，可见（a ）图除基阶面波发育外，尚发育一组高阶振型面波，（b ）图仅发育有基阶振型面波，无高阶面波发育。研究表明，面波振型的发育状况与地下地质结构有关。所以在进行人工源面波正式数据采集前必须进行长排列干扰波调查，研究工区内基阶、高阶面波的发育空间，选择适用于勘查区的采集参数，即偏移据和道距，保证采集到不受干扰的基阶面波。

基阶面波

高阶面波

（a ）复杂地质结构 （b ）简单地质结构

图3 不同的地质结构发育有不同的面波振型

图4是面波波场干扰波调查记录，72道采集，3m 道距，体波及面波中的不同振型的发育空间清晰可辨。从图可见，与远波场相比，近震源处的波场要复杂的多，基阶、高阶振型面波与各种体波混合在一起，且基阶面波尚未完全发育，据此，选择40m 的偏移距较适合的。

图4 面波波场干扰波调查 另外在人工源面波勘探中，道距的选择对提取面波相速度的精度也十分重要。

基阶面波

高阶面波

相速度()()2x

ωνω?ωπη

??=

+

相速度的相位差2()()

x

f f πφλ???=

其中?X 是人工源面波数据采集时的道间距、可见若想提高面波相速度的测定和提取精度，采用较大的道间距是必须的。但这样又会降低面波勘探的水平分辨率，所以采用地震反射采集的多次覆盖观测系统应较好。

综上所述，在进行人工源面波勘探时，不进行长排列干扰波调查、选择较小的偏移和道间距是一个误区，直接影响它的勘查效果和相速度的提取精度。

图5是采用6m 道距、40m 偏移采集的面波记录、二维谱及频散曲线，可见其勘探深度可达60m ，频散曲线的提取精度不但较高且提取的频散曲线是唯一的。

a 面波记录

b 二维谱

c 频散曲线

图5 a 面波记录 b 二维谱 c 频散曲线

天然源面波勘查（微动勘查）

微动（或称地脉动、声幅声）是由自然现象如海浪、潮汐、风、气压等和人类活动如工厂的机械振动、汽车的运行等引起的。具有较宽的频谱范围，而主要的成分是面波，可随时随地进行观测。天然源的震源是由无数个有各种强度、频率、波形特征的震源组合而成的，时有、时无，强度或大或小，频率或高或低，具有随机的特性。但研究结果表明，在一个较长的时间内它又是平稳的。所以在采集时应有较长的时间，一般需连续采集10-30分钟左右。

微动勘查一般采用4个或7个观测台阵，选择三角型台阵，S_LAND数字化工程双源面波数据采集系统有24道（或36道、48道），所以观测系统较灵活，可以是线性、L型、十字型、U型等，但应注意的是当震源来自不同方向时最好不要选择线性排列。

和人工源面波勘探一样，应根据勘查目标选择台阵的道间距，一般的情况下，当勘查深度较大时应选择较大的排列长度。

天然源面波勘探对传感器各道一致性有很高的要求，所以在进行数据采集前要对系统的各道一致性进行测试。另外，过多的近震源体波瞬变信号，如近距离的人行走、汽车的疾驶等都会形成干扰。

4 应用

双源面波勘探在工程上的应用领域很广泛，诸如地下空洞调查、岩溶勘查、基岩埋深调查、地下不良地质体调查、煤层采空区调查等。若想使该法在工程应用中取得较好的勘查效果，首先要保证采集的原始数据是可靠的，经数据处理后供解释的结果是唯一的。

图6是在上海朱家角采用本文的工程双源面波勘探系统，布置6m道距，传感器使用2.5Hz的一线性排列，首先进行20分钟的天然源面波采集，然后偏移40m采集人工源，经处理得到的频散曲线对比。可见在50m范围内其频散曲线完全一致，在50～80m有差异，这说明两点：①在50m内人工源面波的资料是可靠的；②在本地区该排列装置天然源面波的勘探深度可增加至80m。

图6 同一排列人工源与天然源频散曲线对比

图7是在内蒙鄂尔多斯准格尔某煤矿采空区调查中一个三角型方阵（半径50m）采集

40分钟的天然源数据分段处理前20分钟，后20分钟和全部40分钟得到的频散曲线，可见其重复性较好。

a 前20分钟

b 后20分钟

c 40分钟

图7 内蒙鄂尔多斯某煤矿三角型台阵采集的频散曲线

图8是内蒙古鄂尔多斯一煤矿采空区采用线性排列，道距5m（排列长度115m），采集40分钟分时段处理得到的面波频散曲线，可见：①不同时间段的频散曲线重复性较好；②在埋深120m处的煤层采空区反映清晰；③勘探深度可达300m。但没有得到地下50m以上的资料。由于本次数据采集布置的是线性排列，当时还进行了人工源面波采集，其频散曲线如图d所示，可见在埋深30m处呈“之”字型特征，为一浅部煤层采空区的特征反映，综合利用双源面波勘探分别得到了浅部和深部的资料综合分析该处为一双层煤层采空区，与该矿的开采情况吻合。

a 前20分钟

b 后20分钟

c 40分钟

图8 内蒙鄂尔多斯育才煤矿天然源面波勘探频散曲线

(a 前20分钟 b 后20分钟 c 40分钟)

图9是在上海朱家角一“十”字形线性排列的人工源面波频散曲线（采集参数：6m 道距、40m 偏移距），可见其重复性很好，实际上由于多道瞬态面波勘探得到的频散曲线是该排列下岩土性质的综合反映，在同一场地南北和东西相交的十字测线其频散曲线应有很好的重复性。因为它反映的是地下相同的介质。其有效勘探深度超过40m 。

图9 “十”字型线性排列人工源面波频散曲线的对比

上述采用S_LAND 数字化双源面波勘探数据采集与处理系统的试验结果表明：⑴采用该系统硬件配置和处理软件、严格遵循本文提出的双源面波数据采集原则，提取的频散曲线是唯一的，避免了随机性。⑵人工源面波勘探的深度可达50m ，天然源面波勘探的深度

可达100~300m（与地域和地质结构有关）。拓展了面波勘探的应用范围，提高了面波勘探的应用效果。下面是几个应用实例：

实例一：鄂尔多斯煤矿采空区调查

在鄂尔多斯某浅部煤层采空区调查中进行浅层反射波法勘探，并同时进行了天然源面波勘探。图10a是地震反射时间剖面，图10b左是在地震反射时间剖面上解释没有采空区的频散曲线，图10b右是在地震反射时间剖面上解释有采空区处的频散曲线，可见在60m 处有一“之”字型迂折，其埋深和地震反射解释的深度相当，图10c是该剖面由天然源面波勘探得到的S波视速度剖面，在地震反射解释有采空区的对应桩号呈低速度带反映，其埋深也在60m左右，与反射解释的结果是吻合的。

a

b

C

图10 鄂尔多斯煤层采空区调查地震反射剖面、频散曲线及S波视速度剖面

实例二：内蒙东胜浅部煤层采空区调查

内蒙东胜某煤矿，煤层埋深仅40m，经试验很难取得煤层的反射波，因此选择了双源面波勘探。图11是在一已知地表塌陷处的人工源面波S波视速度剖面，在对应地表塌陷即有明显裂缝处呈低速反映，且其埋深和该矿的开采煤层吻合。

图11 人工源面波S波视速度剖面

实例三：上海朱家角基岩埋深调查

在上海的基岩埋深等值线图上，朱家角某处的基岩埋深为180m，而在一钻孔施工至20余米即遇较坚硬的岩层，为调查该处的基岩埋深和起伏形态，进行了人工源面波勘探，使用2.5Hz低频检波器，6m道距、40m偏移距，滚动采集人工源面波。图12是反演结果，可见在深26m处其横波速度已达1310m/s，显然该处的基岩埋深为26m。钻探验证结果为25m多。另一处解释结果为18m，钻探验证结果16m多。

图12 上海朱家角人工源面波反演

5 结论

1、将多道瞬态面波勘探和微动勘查集成为一轻便的数据采集和处理系统，使面波勘探的勘查深度加深至100～300m。基本满足了工程上的需求，拓展了面波勘探的应用范围。

2、在人工源面波勘探中数据采集前的干扰波调查是必须的，观测系统的选择必须保证采集到不受体波和高阶面波的干扰，适当的增大道距对提高相速度的提取精度是必要

的，为了提高水平分辨率选择滚动的采集方式较好。

3、天然源面波勘探排列方式的选择可据场地环境及干扰源灵活选择，但较长的观测时间、避开近震源体波瞬变信号的干扰等，在进行数据采集时应予注意。

参考文献

1、瞬态面波法的数据采集处理系统及其应用实例刘云祯、王振东

物探与化探 1996 20（1）

2、多道瞬态面波勘察技术规程 JCJ/T143-2004 北京中国建筑工业出版社 2004

3、多道瞬态面波勘探频散曲线唯一性问题夏学礼仇恒永孙秀容

物探与化探 2008.2

4、瑞雷波勘探中“之”字型频散曲线研究张碧星鲁来玉饱光淑

地球物理学报 VOL.45.Na2.2002.3

5、面波勘探技术要点与最新进展[J] 物探与化探王振东

6、《工程物探新技术》刘云祯主编地质出版社 2006

第一作者：

毛建伟，男，1983年生，毕业于北京防灾科技学院，毕业后一直从事工程物探工作。