广州市区浅层横波速度六分量地震探测试验.pdf
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1、工程地球物理学旅Vol.20,No.3第2 0 卷第3期2023年5月中文引用格式:郭高源,李维,张壹,等.广州市区浅层横波速度六分量地震探测试验J.工程地球物理学报,2 0 2 3,2 0(3):411-42 0.英文引用格式:Guo Gaoyuan,Li Wei,Zhang Yi,et al.Six一component seismic detection test of shallow shear wave velocity structure inCHINESE JOURNAL OF ENGINEERING GEOPHYSICSGuangzhou cityJJ.Chinese Journ
2、al of Engineering Geophysics,2023,20(3):411-420.May,2023广州市区浅层横波速度六分量地震探测试验郭高源1,李维1,张壹1,王1.,曹瑜珈3,张丁凡4(1.中国地质大学地球物理与信息技术学院,北京10 0 0 8 3;2.中国地质大学“MWMC”研究组,北京10 0 0 8 3;3.中国地震局地球物理研究所,北京10 0 0 8 1;4.杭州友孚科技有限公司,杭州浙江3112 0 0)摘要:理论上,通过平移与旋转运动联合观测的六分量地震记录,在单物理点上即可实现浅层横波速度结构的反演。本文主要目的为结合正演模拟设计六分量面波数据处理的流程,并
3、将此单物理点方法应用至广州市区所采集的数据当中。本次研究在正演模拟的阶段中,通过时频域滤波方法实现了基阶面波数据的提纯,设计了使用单物理点的六分量数据实现浅层横波速度结构反演的流程;在实际应用阶段,通过数据的波形和偏振分析,介绍了甲烷气爆震源激发下的六分量波场特征,并分析出基阶面波所在的时频区域,结合时频域滤波、基阶面波相速度反演得到了试验区的横波速度结构。其结果与区域地质调查结果有较好的对应性,说明此六分量地震观测方法在工程地震领域的应用是可行的。关键词:平动;旋转;六分量;面波;频散;基阶中图分类号:P631.4doi:10.3969/j.issn.16727940.2023.03.015
4、文献标识码:A文章编号:16 7 2 7 940(2 0 2 3)0 30 41110Six-component Seismic Detection Test of Shallow ShearWave Velocity Structure in Guangzhou CityGuo Gaoyuan2,Li Weil-?,Zhang Yil?,Wang Yun*2,Cao Yujia,Zhang Dingfan(1.School of Geophysics and Information Technology,China University of Geoscience,Beijing 10008
5、3,China;2.MWMC Research Group,China University of Geoscience,Beijing 100083,China;3.Institute of Geophysics,China Earthquake Administration,Beijing 100081,China;4.Youfu Technology Co.,Ltd,Hangzhou Zhejiang 311200,China)Abstract:Theoretically,the inversion of shallow transverse wave velocity structur
6、e can be a-收稿日期:2 0 2 2 0 8-16基金项目:国家自然科学基金项目(编号:U1839208,6 2 12 7 8 15,42 150 2 0 1)第一作者:郭高源(1998 一),男,硕士研究生,主要从事旋转地震学在工程地震勘察中的应用研究工作。E-mail:g 6 10 通讯作者:王赞(196 9一),男,教授,博士生导师,主要从事地震各向异性理论与多分量地震技术研究工作。E-mail:w a n g y u 412chieved at a single physical point from a six-component seismic record observ
7、ed by the jointtranslational and rotational motion.Therefore,this paper aims to establish a process for pro-cessing six-component surface wave data in conjunction with forward simulation,and applythis single-physical-point method to data processing acquired in Guangzhou urban area.Inthe forward simu
8、lation stage,the fundamental surface wave data is purified by time-fre-quency domain filtering,and the process of inversion of the shallow transverse velocitystructure using single physical point sextant data is established.In the practical applicationstage,the waveform and polarisation analysis of
9、the data introduces the characteristics of thesextant wavefield under the excitation of the methane gas explosion source,and analyses thetime-frequency region where the fundamental surface wave is located.The cross-wave ve-locity structure of the test area is obtained by combining the time-frequency
10、 domain filte-ring and the phase velocity inversion of the fundamental surface waves.The results corre-spond well with the results of the regional geological survey,indicating that this seismic ob-servation method can be applied in the field of engineering seismic study.Key words:translation;rotatio
11、n;six-component;surface wave;dispersion;fundamental-1 引 言随着我国城镇化进程的加快,城市地下空间的开发利用进人高潮,城市浅层地质结构和岩土力学特征的调查成为工程建设的重要基础工作1-41。尤其是广州地区的经济发展迅速,高层建筑越来越多,各种大型岩土工程项目安全施工和地基处理、地质灾害评估等的需要越来越大,使得城市工程地质勘查的工作重要性凸显5-7。地震波探测是工程物探的主要方法之一,广泛应用在城市道路塌陷隐患探测、隧道空间超前探测、地基岩土评价、活动断层调查、地下结构探测、地下水和管线勘查等多个领域8 。随着城镇化程度的提高和地下空间的大
12、规模开发利用,新老城区运行管理中均暴露出诸多的问题,对城市地震探测技术的发展提出了更高的要求。在传统的地震折射、小反射、面波法的基础上,基于密集台站或排列阵列式观测的微动9.10 1、微震与背景噪声成像11、谐振法12 等在城市地下结构探测中获得了广泛应用。理论上,基于单物理点的平动加速度和旋转速率观测来实现一维的地下横波速度结构调查是旋转地震学在工程领域应用的主要优势之二13-15,但实际应用尚未见报道,国内更是少见。因此,笔者根据2 0 2 0 年在广州市区不同物理点位工程地球物理学报(Chinese Journal of Engineering Geophysics)mode是本文研究的
13、主要目的。2观测试验2.1地质背景观测试验选在广州城区,为体现一般性,观测点位基本涵盖了广州市区的多种典型地质环境,包括佛山、顺德。试验区浅层地层以50 0 多米厚的第三系辛庄组和近40 0 m厚的中生代白垩系泥岩、砂岩、砾岩等碎屑岩为主,地表多见全、强风化带。钻孔测井显示:声波速度2 30 0 3000m/s和2 7 0 0 39 0 0 m/s;弱风化的岩层速度稍高,为32 0 0 430 0 m/s,白垩系风化带速度偏低2 2 。上覆第四系以海陆冲积层为主,淤泥与砂第2 0 卷进行的可控源人工地震六分量观测试验,探讨六分量地震观测在工程地震领域的应用。本次试验采用甲烷气爆震源,是甲烷和氧
14、气混合、能量大、易操作、受地形影响小的低成本井中绿色震源16 ;与炸药震源相比,具有频带宽、安全环保的优点17,在大尺度的地壳结构、中尺度的勘探地震和小尺度的城市地质结构探测中均有过成功的尝试18-2 0 。试验中采用的地震仪均是我国自主研发的,其中旋转地震仪为光纤旋转地震仪2 1。通过主动源激发,在单物理点上同时布设三分量平动地震仪和三分量旋转地震仪,测试单点六分量地震观测反演横波速度的具体应用效果第3期层厚度大,约2 0 50 m;基岩为白垩系、第三系红色碎屑岩沉积,属于软质岩;胶结物为钙铁硅质的碎屑岩,属硬质岩;低丘地区含花岗岩、变质岩、隐伏灰岩等硬质岩,岩溶土洞发育;沿海存在填土结郭高
15、源,等:广州市区浅层横波速度六分量地震探测试验413构2 3.2 41。受南方多雨水的气候影响,地下水动力条件复杂2 5,地下地质结构勘查显得尤为重要。本次试验共布设了12 个物理激发点,19个观测点,如图1和表1所示。图例甲烷震源点甲烷震源接收点S100SIOSIOS1S19010km(a)震源点与观测点分布的卫星图像335m727m212m(b)震源S25的观测系统Fig.1 The distribution of methane sources and observation receivers in the working area(c)震源S15的观测系统图1甲烷震源点位和观测点位在
16、试验区内的分布注:图(b)红色菱形为震源点,蓝色圆圈为检波点;图(c)黄色为震源点,蓝色为检波点。414Table 1 Details of the sources and receivers震源点接收点源检距/m方位角/接收点性质S11P11P2S22P1S33P13P2S44P14P2S99P2S1010P2S1515P115P2S1616P116P2S1717P2S1919P119P2S2525P125P2S2828P12.2观测试验本次试验使用李彩华等2 6 1设计的加速度传感器进行三分量平动加速度数据的记录。此加速度传感器具有动态测量范围大、三通道同步数据转换、高采样率的优势;且具有
17、网络通讯接口,测量的频率范围为0 2 0 0 Hz,加速度测量范围为士4g,输出灵敏度为2.5V/g,动态范围130 dB。旋转地震仪使用操玉文等2 1 设计的RotSensor3C旋转地震仪进行三分量旋转速率数据的记录;该仪器基于光学干涉原理直接测量旋转运动,仪器的本底噪声为1.2 10-?rads-1/VHz。在进行采集试验时,加速度传感器的采样率设置为2 0 0 Hz,旋转地震仪的采样率设置为2 50 Hz。3娄数据处理与分析3.1数据处理按照图2 所示流程对采集到的数据进行处理。3.2原理简介在平面波和自由地表假设条件下,Rayleigh面波和Love面波的相速度可以通过式(1)和式(
18、2)18,2 7,2 8 得到。工程地球物理学报(Chinese Journal of Engineering Geophysics)表1震源与接收点详细信息原始数据去均值、去趋势等7723591.53823541433418895218826830403331865357526274971803341793073353033591 20418220355116550212177270490199第2 0 卷农田农田土路农田城区树林树林农田城区树林树林土路土路土路城区树林树林城区农田将旋转记录重采样至2 0 0 Hz进行互相关处理,消除仪器时差进行RT旋转图2 数据处理流程Fig.2 Flow
19、 chart of data processingaz(f)CRRT(f)at(f)CL=-2R2(f)式中,Cr代表Rayleigh面波的相速度,cL代表Love面波的相速度,单位是ms-1;az代表垂向平动加速度,a代表切向平动加速度,单位是ms-;Rz代表垂向旋转速率,Rr代表切向旋转速率,单位是rads-1,正值代表顺时针旋转;均通过傅里叶变换转换为频率f的函数,的单位是Hz。式(1)和式(2)说明,,通过计算相应分量的谱比便可进行面波频散曲线的估计。需要注意的是,此方法在波场中的面波模态单一的情况下使用效果较好18 。3.3数据分析选取图1中所示的S15震源激发的数据分析波场特征,震
20、源点位与两个接收点位近似位于同一条直线上,近源点的炮检距为97 m,远源点的炮检距为334m。本次实验中仪器的采样频率设置得比较低,预处理时只能将采样率统一为200Hz,因此旋转分量的频谱中更高频的信息没有显示完整。近源点的六分量地震记录及其时频谱信息如图3和图4所示,其中aR代表径向平动加速度,单位是ms-;Rr代表径向旋转速率,单位是rads-1。可以看出,所采集的信号主频为50Hz,平动分量中垂向分量能量较强,旋转分量中切向和径向的能量较强。以10 Hz的频率间隔对原始数据进行带通滤波,滤波后信号的矢端图如图5所示,图5(a)的图像表示的是10Hz以下信号的矢端图,图5(b)图5(j)频
21、率范围增加10 Hz,图中的红色虚线表示对应数据(1)(2)第3期的极化主方向,频率在9 0 Hz以下的信号极化方式以椭圆极化为主,频率在90 Hz以上的信号极化方式以线性极化为主,说明采集到的数据主要是面波信号。另外,从图3和图4也可以看出,在近源接收时,径向旋转分量中会出现高zh/kouonbal100050三-100.10.20.30.40.5000.10.20.30.40.5Time/sTime/s(a)径向平动加速度地震记录(b)图(a)对应信号的S变换.S.u/0-100.10.20.30.40.5Time/s(c)切向平动加速度地震记录S三00.1Time/s(e)垂向平动加速度
22、地震记录图3S15震源激发的近源点平动三分量地震记录及其时频谱Fig.3Seismic records and their time-frequencyspectrum of near-source translational three component郭高源,等:广州市区浅层横波速度六分量地震探测试验Translation/ms20.450.40.350.3500.250.2000.10.20.30.40.5Time/s(d)图(c)对应信号的S变换50000.10.20.30.4 0.5Time/s(f)图(e)对应信号的S变换excited by source No.15415阶面波
23、能量远高于基阶面波的情形,此规律对后续图9和图10 中基阶面波能量的拾取具有指导意义,实际数据中将满足“垂向平动分量中能量较强且旋转分量中能量较弱”的时频区域作为基阶面波进行滤波操作。.s.pe1/X1035R-500.10.20.30.40.5Time/s(a)径向旋转速率地震记录.s.pe/50R-50.1500.10.20.30.40.50.1Time/s0.05(c)切向旋转速率地震记录X10T.s.pel/0-500.10.20.30.40.5Time/s(e)垂向旋转速率地震记录图4S15震源激发的近源点旋转三分量地震记录及其时频谱Fig.4 Seismic records and
24、 their time-frequencyspectrum of nearsource rotating three componentRatation/rad s:50104.5000.10.20.30.40.5Time/s(b)图(a)对应信号的S变换50000.10.2 0.30.4 0.5Time/s(d)图(c)对应信号的S变换5043.532.521.510.505000.10.20.30.40.5Time/s(f)图(e)对应信号的S变换excited by source No.150.30.20.050-0.050.20.1ar0-0.1-0.20.1aR(a)010 Hz0.
25、30.20.10-0.1-0.2-0.30.101400.04ar0.1L0.04 ar(f)50 60 Hz注:数值经过归一化处理。由左至右,由上至下数据分别经过了以10 Hz间隔的带通滤波。0.3卜0.20.10.100-0.1-0.10.1-0.2-0.300.04af0.04aR(b)10 20 Hz0.20.10-0.1-0.20.1aT(g)60 70 Hz图5各频段范围内数据的矢端图Fig.5 The hodogram of normalized data in each frequency band0.30.20.10-0.1-0.2-0.260.340.040:0.05aR0
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