复杂环境下城市工程地球物理技术方法综述

- 宣扬地学成果，传播勘查技术方法 -

复杂城市环境下地球物理勘探技术研究进展

刘铁华 ¹ ，刘铁 ¹ ，程光华 ² ，师学明 ³ ，化希瑞 ¹ ，张邦 ¹

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2  复杂城市环境地球物理勘探技术

城市环境中开展地球物理工作，其作业环境差异加大，环境的复杂性主要体现在 作业场地限制和数据干扰强两个方面 。在城市环境中开展地球物理勘探工作，需要满足几点：

①狭小空间要求；②抗干扰要求；③高效作业要求；④绿色环保要求。

图1 典型城区环境与郊区环境对比示意图

经过数十年的技术发展，得益于现在通讯和电子技术的迅猛发展， 地球物理勘探技术在密集空间适用性和技术抗干扰性方面有所成就。

2.1 密集空间探测技术

（1）地质雷达法

该方法借助发射天线定向发射的高频（10 〜 1000MHz）电磁短脉冲在地下传播，检测被地下地质体反射或透射回来的信号，基于电磁波在介质中的传播时间、速度与动力学特征实现地质探测的方法。 在城市复杂环境下 ， 所采用的地质雷达设备需要具有良好的屏蔽措施， 目前100MHz以下的地质雷达天线屏蔽效果不太理想，无法适用于城市复杂环境的探测工作，通常采用的天线频率位于100MHz 〜 400MHz之间，只应用于10m以内的管线、空洞、人防工程等浅表层地质目标体探测 。

（2）地震映像法

即单点地震反射波法，是基于反射波法最佳偏移距技术发展而来的，该方法以相同的偏移距逐步移动激发点和接受点进行地震探测。该方法对隐伏地层或目标体进行连续扫描，可现实20m以内的浅表层管线、覆盖层、岩溶等地质目标体探测。因无法确定地层速度，解释成果在深度方向精度较低，仅采用经验速度进行半定量解释。

地震映像法数据采集较快，抗干扰能力弱，勘探深度有限 。 按资料处理解释的思路不同可以分为两种解释模式：波形特征解释法和频率特征解释法。波形特征解释法通过追踪分析不同地震波(折射波、面波、反射波、绕射波等)的波场信息进行解释，来探测地下介质的变化；频率特征解释法是基于对波形剖面的时频分析结果为基础，通过分析不同时间段的频率特征进行地质结构的解释。

图2 典型地震映像法成果剖面  

图3 微动台阵法的不同装置类型

基于天然存在的被动源噪声信号的互相关函数提取格林函数，进而对地下结构成像是瑞利波研究的新途径。研究尺度从近地表结构到上地幔岩石圈构造，研究内容从瑞利波群速度、相速度特征到噪声源分布特征等。

以微动台阵为基础的短周期密集台阵微动测技术逐渐成为国内外浅部地层结构探测领域的一项重要手段。该技术相较于传统宽频带地震探测具有高分辨、省时省钱、绿色环保等优点。

微动台阵技术因其采取采集长周期微震信号后再从平稳信号中提取频散曲线的策略，天然具有抗干扰能力， 这点在复杂城市环境的勘探技术中具有明显优势 。但是，由于微动信号中高频能量较弱，因此对浅部地层结构的分辨能力较差；由于该方法通常是基于不规则方向多个观测点间信号计算的平均频散谱，导致频散谱收敛性欠缺或整体速度偏大，所获取的频散曲线速度值与真实面波速度差距较大，并且所用装置布置空间越大误差越大，最终导致探测精度降低。

2.2.3 光纤声波传感技术

近年来发展的光纤声波传感技术， 是一种由感知光纤和光学信号解调仪组成的地震观测系统， 通常被称为分布式光纤声波传感器，该系统能够以较低的成本实现超密集的观测，有望提高浅层速度结构成像的精度。 光纤声波传感技术的基本原理为： 通过探测激光脉冲在光纤内部散射体产生的相位变化，实现光纤轴向应变的测量，每一小段光纤均等效为一个单分量应变传感器，进而通过该“等效应变传感器”进行光纤所在位置的地震震动（震动引起的光纤轴向应变量） 。单一解调仪可实现几千米到几十千米范围内的常规频带地震信号采集（约100s 〜 49.5KHz） 极大地降低了观测成本。

随着光纤声波传感技术发展，其理论基础和技术流程较为完善。如何基于既有光纤进行信号采集目前还较为困难，若重新铺设专用光纤在经济、效率和质量上都很难被市场接受，距离工业化生产应用还需在应用技术上进一步研究。

2.3  多源地震勘探技术

在适用于复杂城市环境中的各种技术中，同时满足较大范围深度勘探和复杂环境适应性的技术有主动源面波法、微动台阵法和微动谱比法，其中主动源面波法可以用常规检波器或光纤声波传感器实现。 各个方法在复杂城市环境应用中各有优缺点，如果能够在各个方法之间取长补短，将会在勘探效率和质量上有所提升，基于这样的需求已有相关研究。

2.3.1 双源面波勘探技术

双源面波法要求在一条测线上布置低频检波器，分别采集多道瞬态面波数据（主动源面波数据）和天然源面波数据（直线型微动台阵数据），然后提取了人工源和天然源的综合频散曲线，反演生成了测线下方的横波速度剖面。 在整个过程中，因为天然源面波数据提取的频散谱中为视面波速度，需要格外关注人工源和天然源的面波速度关系。

多道被动源面波分析技术（Multi—ChannelAnalysisofPassiveSurfaceWave，MAPS）给双源面波实施提供了一条新途径 _。 该技术基于直线型装置情况下的被动源数据，先通过背景噪声的互相关获取与被动源信号等价的主动源数据道集，然后基于该数据道集提取频散曲线和面波成像。

双源面波勘探技术需要基于多道面波观测方式进行，要求测点布置需要沿着规则直线布置，在城市环境中仅能沿街实施工作，在同样沿线性走向的轨道交通勘探中往往实施困难。

2.3.2 多源频率域地震勘探技术

双源面波勘探技术在勘探精度和勘探深度上得到了综合改进，在复杂城市环境中开展双源面波工作仅能沿街道布置，而在房屋密集区开展工作极为困难。 针对复杂城市环境中遇到的勘探难题，在总结既有适用于城市复杂环境技术与装备的基础上 ，笔者提出了一种集成主动源面波、微动台阵技术和微动谱比技术的多源频率域地震波勘探技术， 并以该技术为基础研发了一款适用于复杂城市环境的分布式、多频段、多分量地震采集系统，实现了复杂城市环境的抗干扰、高精度地球物理勘探 （图4）。  

多源频率域地震勘探技术在双源面波勘探技术的基础上，再融合微动谱比法反演技术而形成多源频率域地震勘探技术， 可实现复杂城市环境的“局部规则、全局随机”测点布置形式，完全响应复杂城市环境中“狭小空间、抗干扰、高效率、绿色环保”四要求的高精度地球物理勘探。 总体可分为以下四步：  

1）获取多源频率域地震数据。 假设需要在某城市环境中进行固定区域的地质勘探，区域内测点设计尽量均匀分布，更多测点同步采集数据，每个测点均进行三分量低频数据采集，区域范围内主动源与被动源的联合采集测线随机布置。

2）分析区域微动数据中视面波速度的转换系数。 通常情况下，同一测线内的被动源面波计算的频散谱速度为真实面波速度的视速度，各频率视速度与真实速度存在差别。此外，主动源面波所获得频散谱表现为高频段分辨率高于低频段，而被动源数据对应频散谱表现为低频段频散谱相对更好。双源面波频散谱可通过各自频散谱与一特定转换系数矩阵后相加获得，这一过程实现了被动源面波速度的校正和两种频散谱的融合。确定转换系数矩阵时需要考虑每个测点的装置类型对系数的影响，以“转换后的频散曲线在浅部对应速度相对稳定”为系数调整的raybet雷电竞电竞app下载地址 。

3）测点单元剖分。 因为数据采集时采用多采集站同步采集，一次采集覆盖范围较大，处理时需要将测点剖分成大小合适的小单元。剖分需要满足以下几个原则：①单一测点单元内采集站个数不小于4；②最近采集站间距离小于20m为宜；③单元内各采集站位置的连线方向与附近双源面波测线方向相同或相近为宜，不能满足该条件时各采集站尽量均匀分布。

4）特征曲线计算与联合反演。 在采集的三分量数据中，每个单元内进行微动台阵频散谱和微动谱比曲线的计算。基于同一单元的频散曲线，根据经验公式建立初始模型，再进行频散曲线和谱比曲线的联合反演，反演后即可获得每个检波器位置的地层速度分布情况。最终将每个采集站的探测速度成果归位到三维空间坐标，获取地层速度形3D数据体。

在众多适用于复杂城市环境的勘探技术中， 微动谱比技术、密集台阵微动测技术、光纤声波传感技术等抗干扰探测技术在满足密集空间要求的情况下 具有作业效率高和绿色环保特点，将是复杂城市环境下勘探技术的方向。

多源地震勘探技术集成了主动源面波、微动台阵技术和微动谱比技术，在实际生产中获得了理想的勘探效果，具有广阔的应用前景。

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原文来源： 刘铁华，刘铁，程光华 ， 等.复杂城市环境下地球物理勘探技术研究进展[J].工程地球物理学报，2020，17(6)：711-720。   

封面标题、导读评论和排版整理等 ： 《覆盖区找矿》公众号.

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