基于背景噪声的面波勘探方法研究

【摘要】：三峡库区巴东县黄土坡古滑坡体位于巴东老城区二道沟与四道沟之间,由临江崩滑堆积体、变电站滑坡、园艺场滑坡及近期发生的一些小滑坡组成,统称为黄土坡滑坡体。国家投入大量的人力和物力用于移民搬迁、滑坡体的治理预防及研究。2012年3月,地空学院师生共17人对黄土坡滑坡体部分区域进行了为期一周的地震背景噪声观测实验,共完成四种观测：用宽频带地震台站完成顺江和垂直于长江测线各一条(a和b线),由8个宽频带地震台站随机分布组成的小型观测台阵一个(c阵列),以及在正在施工的巴东野外综合试验场隧道里由47个Texans组成的测线(d线)。该隧道位于临江Ⅰ号崩滑堆积体内。为达到对滑坡体内部剪切波速度结构进行探测的目的,笔者开展了相应的基于地震背景噪声数据的面波勘探方法研究。 近年来对地震背景噪声利用地震干涉法恢复面波格林函数,进而对区域进行层析成像和反演得到地球内部剪切波速度结构成为地震学中的热点,并逐渐发展成为较为成熟的技术。该方法目前多用于研究地壳上地幔结构,用于近地表研究的实例还较少,但这不仅仅是研究尺度上的变化,还有一系列的问题需要解决。为实现将高频的背景噪声用于面波勘探,利用d线的噪声数据进行了单台数据预处理和互相关地震干涉法恢复面波格林函数等传统地震背景噪声数据处理。首先将单个台站采集时长为24小时、采样率为500Hz的数据按30s长度截为2880段,在进行了去均值、希尔伯特黄变换去趋势、带通滤波(1-30Hz)、时间域one-bit归一化及谱白化等预处理之后,计算了台站对间的互相关函数及叠加,并将叠加后的互相关结果进行一阶微分得到台站对间的经验格林函数。 利用经验格林函数合成了17个共炮点虚震源炮集记录：分别以1-17号检波器为炮点,最小偏移距均为8m,排列长度均为232m(即30道为一个排列且“炮点”均在左侧)。然后引入多道面波分析方法(MASW),采用罗银河等(2008)发展起来的高分辨率线性拉冬变换算法提取了共炮点虚震源炮集记录的相速度频散曲线。有效相速度频散曲线最低可达2.5Hz,最高可至9Hz。由频散曲线可知研究区4Hz的相速度可达2000m/s左右,5Hz相速度在1500m/s左右,7-8Hz相速度降到1000m/s左右。为了验证该方法提取相速度频散曲线的正确性,以24号检波器为中心引入了空间自相关方法(ESPAC),仅取第一类零阶贝塞尔函数的第一个零点,计算得到了相速度频散曲线及相速度随台站间距的变化,与多道面波分析方法提取的结果进行对比,具有较好的一致性。最后利用模拟退火法对17条相速度频散曲线进行反演,得到17个记录点对应的一维S波速度结构,用克雷格插值法得到一条长128m的S波速度结构剖面图。结果揭示隧道观测部分的地下分布有两个低速层：第一个低速层出现在第15和16号检波器中点下方,深度为60m左右,然后向右延续到深度为20m,之后断续延伸至隧道底部对应于第25号检波器的位置。该低速层在剖面水平向上延伸约80m,倾角较大,平均约35。左右；第二个低速层自剖面中部深度为100m左右一直延伸至剖面终端深度为50m左右,倾角也约为35。左右。推测这些低速层是黄土坡临江Ⅰ号崩滑堆积体内两个互不相连的潜在滑动面。第二低速层下方有一高速隆起,在剖面水平向上从约50m处一直延伸至128m处,S波速度超过2200m/s,推测为完整基岩。 利用聚束方法对8个宽频带地震台站随机分布的二维台阵连续观测22小时的数据进行了噪声源分析,结果表明：2Hz时,白天的慢度谱结果有能量团指向码头方向,晚上的幔度谱能量团沿长江分布较为均匀,且白天能量明显强于夜晚,因此2Hz的噪声能量主要来自长江的江水流动、波浪及船只活动等：4Hz时,白天能量也明显强于晚间,且白天能量团所指方位既有长江方向的噪声源,也有城区方向噪声源,而晚间主要是长江方向的噪声源,这表明在该频段白天含有人类活动带来的噪声源；对6Hz、8Hz及10Hz的噪声源分析表明,白天和晚上的噪声源分布都较为分散,但在强度上白天明显强于晚间,因此该频段的噪声既有江水流动等因素的源,也有人类活动带来的噪声源,如车辆运动、工程施工等产生的振动。利用多重滤波法从宽频带地震仪台站对间互相关函数中提取了群速度频散曲线,共计24条群速度频散曲线,可供进一步研究使用。 鉴于被动源面波地震勘探有巨大的优越性：1)不必担忧传统处理手段中地震噪声的干扰,以及在城市实施爆破或使用其他人工震源所产生的扰民行为：2)对工区的地表条件要求较低,降低了地震勘探的成本以及对自然环境的破坏：3)可以与主动源相结合弥补其频带范围。在城镇中由于车辆活动、工程施工等人为因素,我们完全不必为“震源”担忧,假以时日被动源面波勘探将会在工程物探、岩土工程等方面大有可为。