基于线性阵列和ESPAC的面波联合勘探技术: 以东北黑土地地表基质结构调查为例

殷启春; 谭桂丽; 王康; 陈海江; 石致君; 孙彦海

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2506828

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (27) :11625-11635 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2506828

天文学、地球科学

基于线性阵列和ESPAC的面波联合勘探技术: 以东北黑土地地表基质结构调查为例

殷启春 ¹^,²^,³^,⁴^,⁵ ,
谭桂丽 ⁶ ,
王康 ¹^,²^,⁵ ,
陈海江 ¹^,²^,⁵ ,
石致君 ¹^,²^,⁵ ,
孙彦海 ¹^,²^,⁵^,^*

作者信息 +

Combined Survey of Surface Waves Based on Linear Array and ESPAC Method: Case of Ground Substrate Survey of Black Soil in Northeast China

YIN Qi-chun ¹^,²^,³^,⁴^,⁵ ,
TAN Gui-li ⁶ ,
WANG Kang ¹^,²^,⁵ ,
CHEN Hai-jiang ¹^,²^,⁵ ,
SHI Zhi-jun ¹^,²^,⁵ ,
SUN Yan-hai ¹^,²^,⁵^,^*

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摘要

黑土地地表基质调查是面向黑土地保护与利用开展的自然资源国情国力调查,是地质调查工作支撑服务自然资源管理与生态文明建设的全新领域。如何高分辨率、经济快速地获取地下50 m以浅的横波速度,是东北黑土地地表基质层结构调查面临的核心技术问题之一。主动源与被动源结合的面波混合源精细勘查技术,可实现两种不同震源面波勘探方法的优势互补,能够获取高分辨率的地表基质速度结构并完成地质分层。采用基于多道瞬态面波法(multi-channel analysis of surface waves,MASW)的线性阵列多次滚动观测系统,在同一测点同步采集人工源与天然源地震数据;在对多种频散分析方法进行计算对比后,优选扩展空间自相关法(extended spatial autocorrelation,ESPAC)进行处理,随后合并主动源与被动源的频散能量图,提取频散曲线后利用遗传算法迭代反演得到面波速度结构。经已知钻孔旁的标定验证,该方法可靠性良好。在调查区域采用点距约5 km的稀疏网格化观测部署,根据解译结果编制完成地表基质调查区的土岩界面埋深图。研究结果表明:ESPAC法支持利用主动源观测阵列采集被动源数据,所得频散谱在衔接段一致性良好,同时可显著提升施工效率。研究结果为地表基质结构调查以及浅层地球物理调查领域提供了技术示范。

Abstract

Ground substrate survey in black soil regions is a national assessment of natural resource conditions and national strength for the protection and utilization of black soil. It represents a new frontier where geological survey work provides support and services for natural resource management and ecological civilization. The high-resolution, cost-effective, and rapid acquisition of S-wave velocities at depths shallower than 50 m remains a critical technical challenge for investigating the structure of ground substrate layers in the black soil region of Northeast China. A mixed source surface wave exploration technique, combining active and passive sources, enables complementary advantages between these two distinct excitation methods. This approach facilitates the acquisition of high-resolution velocity structures and geological stratification of the ground substrate. A linear array with a roll-along geometry based on MASW(multi-channel analysis of surface waves) was used to acquire seismic data from both active and passive sources at identical survey points. Following a computational comparison of several dispersion analysis methods, the ESPAC (extended spatial autocorrelation) method was selected. Subsequently, dispersion energy maps from active and passive sources were merged, dispersion curves were extracted, and the surface wave velocity structure was iteratively inverted using a genetic algorithm. The reliability of the method was verified through calibration against known boreholes. Regionally, a sparse grid deployment with a point spacing of approximately 5 km was implemented, and a depth-to-bedrock map was compiled from the interpretation results. The results demonstrate that the ESPAC method enables the acquisition of passive source data using the observation array intended for active sources. The resulting dispersion spectra exhibit high consistency in the overlapping frequency bands, and survey efficiency was significantly improved. This result provides a technical demonstration for ground substrate surveys and the broader field of shallow geophysical exploration.

Graphical abstract

关键词

地表基质调查 / 多道瞬态面波法 / 扩展空间自相关法 / 面波联合勘探 / 线性阵列 / 混合源

Key words

ground substrate survey / multi-channel analysis of surface waves (MASW) / extended spatial autocorrelation (ESPAC) / combined passive-active surface wave survey / linear array / mixed source surface wave exploration

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殷启春, 谭桂丽, 王康, 陈海江, 石致君, 孙彦海. 基于线性阵列和ESPAC的面波联合勘探技术: 以东北黑土地地表基质结构调查为例[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(27): 11625-11635 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2506828

YIN Qi-chun, TAN Gui-li, WANG Kang, CHEN Hai-jiang, SHI Zhi-jun, SUN Yan-hai. Combined Survey of Surface Waves Based on Linear Array and ESPAC Method: Case of Ground Substrate Survey of Black Soil in Northeast China[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(27): 11625-11635 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2506828

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近年来,面波勘探是近地表地球物理技术中发展较为迅速的方向之一。面波勘探的基本流程是先从地面震动信号中提取面波频散曲线,再通过反演频散曲线得到地质体的横波速度结构,以此完成岩性与构造分析。根据震源类型的差异,面波勘探可分为主动源面波勘探和被动源面波勘探两个分支。主动源面波勘探依靠人工震源激发高频面波,能够获取深度小于30 m的浅部地下高分辨率信息。被动源面波勘探则利用天然震源等背景噪声产生的面波信号,可实现对中深部地质结构的探测。

主动源方法的发展先后经历了稳态面波法、瞬态表面波谱法(spectral analysis of surface waves method,SASW)、相移法、多道分析面波法(multi-channel analysis of surface waves,MASW),方法的勘探精度和效率也随之逐步提升。MASW法是目前中外通用且成熟有效的主动源面波勘探方法,中国将其命名为多道瞬态面波法^[1-5]。采用人工锤击震源的主动源方法,常规勘探深度约为30 m;即便通过加大震源能量提升探测深度,提升幅度也十分有限,相应的勘探性价比极低^[6]。被动源面波法也被称为微动勘探,是一种基于互相关理论的背景噪声成像方法,勘探深度范围可达几十米到几百米,最深甚至能达到上千米^[7]。但该方法可利用的信号频段一般低于10 Hz,因此对浅部数米范围内地层的分辨率较为有限。此外,由于天然震源的方位和距离无法预先确定,被动源面波勘探的最佳观测系统为三角嵌套阵列^[8],但三角嵌套阵列属于二维阵列,不仅对台阵布设的定位精度要求高,还对场地开阔程度有较高要求,因此施工效率较低。

结合上述两种方法优势的面波联合勘探技术,也被称为面波混合源勘探技术或双源面波勘探技术,近年来发展较快。根据所采用的阵列类型,该技术可分为以下两类。①不同阵列类型:主动源采用线性阵列,被动源采用三角嵌套阵列等中心对称阵列;②相同阵列类型:主动源与被动源均采用线性阵列。在这两类方法中,主动源法统一采用MASW技术,被动源法的阵列布置与频散分析方法则各有不同。日本应用地质株式会社最早在2002年提出,对深度20 m以浅的地层采用锤击震源开展人工源面波勘探,对深度20~100 m的地层采用10个检波器布置为3个不同半径的观测阵列开展被动源面波勘探,初步实现了双源面波勘探^[9]。Park等^[6]利用主动源与被动源联合勘探区分不同模态的频散曲线,证实该方法可以有效增大勘探深度。此后,研究人员在地下隧道探测、盆地结构研究、工程选址等领域应用不同阵列类型的混合源方法,证实该方法具有较高的分辨率与地质探测可靠性^[10-13]。但不同类型阵列方案存在以下问题:不同阵列的仪器采集位置不一致,必然会影响频散曲线的拼接效果,进而产生一定的地质分层误差;此外中心对称阵列对布设场地的空间条件要求更高,同时对定位精度也有更高要求。因此,相同阵列类型的联合勘探技术近年来逐步得到研究与应用。张维等^[14]对两种不同阵列类型的联合勘探进行了试验,认为相同阵列方案具备较大优势。基于线性阵列、多次滚动采集技术与空间自相关法(spatial autocorrelation,SPAC)频散分析的面波联合勘探方法,已经在多个工程领域取得了应用进展^[15-16]。面波联合勘探既可以拓展探测深度范围、提升探测精度,还能够有效降低实际施工成本,但该技术的数据采集方案、处理方法与应用效果仍有待进一步研究。

为建立自然资源统一调查、监测、评价制度,自然资源部依据地球系统科学理论与自然资源管理需求提出地表基质层概念,将其定义为“地球表层孕育和支持森林、草原、水、湿地等各类自然资源的基础物质”,相关信息可通过地质调查、海洋调查和土壤调查等方式综合获取;地表基质层上部为作物、林、草、水等覆盖类型,下部为包含矿产资源在内的地下资源层^[17]。地表基质层是地球系统科学领域“地球关键带”的组成部分^[18-19],主要涵盖地表覆盖层以下50 m以浅范围内,由自然作用形成的岩石、第四纪沉积物、土壤、地下水等天然物质^[20-21],是各类自然资源赋存的空间载体^[22]。

地表基质调查研究是地质调查工作支撑服务生态文明建设与自然资源管理的新兴业务领域^[23],有助于构建完整的自然资源调查与监测体系,进而查清中国各类自然资源的数量与质量状况^[24]。近年来,自然资源部在以东北黑土区为代表的重要粮食主产区开展地表基质调查工作,分析研究黑土地“变薄、变瘦、变硬”的退化问题,为自然资源管理、国土空间规划和用途管制提供了有效支撑^[25]。土、砂、砾、岩等地表基质的平面与垂向分布特征是地表基质调查的核心内容之一,具备重要研究价值。如何快速、准确获取地表基质层的厚度、垂直分层与结构特征,是地表基质调查面临的重要技术问题。

目前,地表基质调查中的非地球物理地下探测手段主要包括洛阳铲、背包钻和汽车钻,并辅以天然路堑观测。但洛阳铲与背包钻存在调查深度不足的问题,仅能达到2~5 m;天然路堑受出露位置与剖面垂直高度限制,同样存在调查深度不足的问题;而汽车钻探测成本较高,无法开展大规模钻探取样。近年来,已有研究在地表基质调查中对多种地面地球物理勘探技术进行对比,涵盖地震折射波法、探地雷达、高密度电法、面波法、瞬变电磁法等,结果表明各类物探方法各有优劣^[26-28]。在东北黑土区开展地表基质调查时,由于黑土、壤土、黏土、粉质黏土层含水率高、矿物离子含量高,会形成低阻屏蔽,且不同类型土层间电阻率差异较小,导致电法、探地雷达等常用近地表地球物理方法探测效果不佳。因此,利用面波勘探方法获取场地浅部横波速度结构、实现地质分层,具备重要应用价值。

在应用面波法时,传统主动源方法的有效探测深度小于30 m,无法满足地表基质调查50 m的深度要求;被动源方法在数米深度范围内存在探测盲区。以中心对称圆形、三角形嵌套阵列为代表的被动采集阵列易受场地条件约束,难以实现高效高密度采集。为解决上述问题,尝试在东北黑土区采用混合源与优选化数据采集阵列,对比不同频散曲线合并与提取方法,研究成果可为东北黑土地浅层横波结构调查提供技术支撑,也为50 m以内波速结构精细调查提供示范。

1 面波联合勘探原理与方法

1.1 主动源面波勘探

在地表以下传播的面波主要是瑞雷波,由P波和SV波相互干涉形成。瑞雷波的相速度是各个简谐波自身的速度,群速度是由各简谐波叠加后形成的叠加波的速度。在非均匀介质中,二者的关系表示为

(1)

$\mathit{U}=\mathit{v}-\mathit{\lambda }\frac{\mathit{d}\mathit{v}}{\mathit{d}\mathit{\lambda }}$

式(1)中:U为群速度;v为相速度;λ为波长。

频散现象就是相速度随着频率改变,反映了地下介质的物质成分、结构、流体等分布情况。瑞雷波在传播过程中受到多种干扰因素影响,一般采用频率-波数(f-k)法二维滤波。对地震记录做二维傅里叶变换,可以求出二维波动函数对应的频率-波数谱函数U(f,k),表达式为

(2)

$\mathit{U}(\mathit{f},\mathit{k})={\int }_{-\mathit{\infty }}^{+\mathit{\infty }}\int \mathit{u}(\mathit{t},\mathit{x}){\mathit{e}}^{-\mathit{j}2\mathit{\pi }(\mathit{k}\mathit{x}+\mathit{f}\mathit{t})}\mathit{d}\mathit{t}\mathit{d}\mathit{x}$

(3)

$\mathit{u}(\mathit{t},\mathit{x})={\int }_{-\mathit{\infty }}^{+\mathit{\infty }}\int \mathit{U}(\mathit{f},\mathit{k}){\mathit{e}}^{\mathit{j}2\mathit{\pi }(\mathit{k}\mathit{x}+\mathit{f}\mathit{t})}\mathit{d}\mathit{f}\mathit{d}\mathit{k}$

式中:U(f,k)为频率波谱;f为频率;k为空间波数;u(t,x)为地震记录;t为传播时间;x为传播距离即检波点与炮点的距离。在f-k域中干扰波和有效波可以得到有效区分。根据波数与波长的关系k=1/λ可得

(4)

$\mathit{k}=\frac{1}{\mathit{\lambda }}=\frac{1}{\mathit{v}\mathit{T}}=\frac{\mathit{f}}{\mathit{v}}$

式(4)中:T为周期。

因此,可从f-k域变换到了f-v域,找到对应频点的f-v极大值,从而实现频散曲线的提取。

主动源面波勘探的基本工作方法为:采用直线等道间距排列(也称为“线性阵列”),排列长度一般与勘探深度相当,排列的中点为面波勘探点;偏移距根据地层波速确定,最大源检距应以能记录到面波信号为宜。震源位于排列的延长线上,震源一般采用人工敲锤或重锤下落方式。根据测点间距要求,可采用部分道、半排列或全排列移动。采集的数据为时间-偏移距域(t-x)的多道记录u(t,x)。通过二维傅氏变换为谱U(f,k),归一化处理后沿偏移距作傅氏变换得到频率-相速度域的记录I(f,v),形成频散能量图(F-V谱图)。取其基阶部分的极大值得到基阶瑞雷波频散曲线,选用合适的反演方法得到近地表横波速度^[29-30]。

主动源方法相对被动源方法而言,可利用的频率范围较高,有效探测深度范围内具有较高的分辨率,但探测深度一般小于30 m。

1.2 被动源面波勘探

尽管主动源激发的地震记录中包含小于5 Hz的低频信号,但因炮检距有限,使得速度扫描技术不能计算出低频面波的相速度。而被动源震动(背景噪声)中含有稳定传播的低频信号,这就为计算低频面波相速度提供了基础。被动源面波方法起源于20世纪50年代从天然地震中提取面波的研究,目前学界多采用SPAC法计算地壳及上地幔的速度结构^[31]。这种方法在浅部地球物理勘探中应用较晚,但发展较快。受震源距离与方位角分布特征的限制,被动源面波方法在布设观测系统时,一般采用可接收随机无固定方向微动信号的三角嵌套阵列,再通过SPAC法提取面波频散曲线^[9]。

SPAC法采用的三角嵌套阵列,其中一个点位于中心,其余点等角度分布在圆周上。设中心点位C(0,0)与其他任意一点X(r,θ)接收的面波信号分别为u(0,0,ω,t)和u(r,θ,ω,t),其中ω为角频率。则二者的空间自相关函数Φ定义为它们在时间上的互相关为

(5)

$\mathit{\Phi }(\mathit{r},\mathit{\theta },\mathit{\omega })=\overline{\mathit{u}(\mathrm{0,0},\mathit{\omega },\mathit{t})\mathit{u}(\mathit{r},\mathit{\theta },\mathit{\omega },\mathit{t})}$

式(5)中:等号右侧,函数上方的长横线表示时间t内的平均。

进一步的,为剔除波场绝对强度的影响,保留波场的空间相干性,建立观测数据和面波相速度之间的联系,定义空间自相关系数ρ为Φ在所有方向上平均后的归一化结果,即

(6)

$\mathit{\rho }(\mathit{r},\mathit{\omega })=\frac{1}{2\mathit{\pi }}\oint (\mathit{r},\mathit{\theta },\mathit{\omega })\mathit{d}\mathit{\theta }={\mathit{J}}_{0}\left[\frac{\mathit{\omega }\mathit{r}}{\mathit{v}\left(\mathit{\omega }\right)}\right]$

式(6)中:J₀(x)为第一类零阶贝塞尔函数;v(ω)为面波的相速度。

SPAC法应用在近地表地球物理探测在中国取得了较快发展^[32-34]。但是因式(4)、式(5)中被动源面波的传播方向是未知的。在实际应用中,如果采用与MASW相同的线性阵列,当排列方向与面波传播方向一致时,那么测得的面波速度是真实的;当排列与面波传播方向垂直时,测得的面波速度为无穷大;当排列与面波传播方向斜交时,测得的面波速度介于真实速度与无穷大之间^[35]。所以SPAC法一般不能用于线性阵列。

为了克服此缺点,ESPAC法允许阵列布置采用线形、十字形、T形、L形或其他不规则方法^[7,36],拓宽了被动源探测的应用场景。

ESPAC中定义阵列中任意两点AB之间的互相关谱为

(7)

$\begin{array}{l}\mathit{C}\mathit{o}\mathit{h}\mathit{A}\mathit{B}({\mathit{r}}_{\mathit{A}\mathit{B}},\mathit{\omega })=\\ \mathit{　}\mathit{　}\frac{1}{\mathit{M}}\sum _{\mathit{m}=1}^{\mathit{M}}\frac{\mathit{R}\mathit{e}\left[{\mathit{S}}_{\mathit{A},\mathit{m}}\right(\mathit{\omega }\left){\mathit{S}}_{\mathit{B},\mathit{m}}^{\mathit{*}}\right(\mathit{\omega }\left)\right]}{\sqrt{{\mathit{S}}_{\mathit{A},\mathit{m}}\left(\mathit{\omega }\right){\mathit{S}}_{\mathit{A},\mathit{m}}^{\mathit{*}}\left(\mathit{\omega }\right){\mathit{S}}_{\mathit{B},\mathit{m}}\left(\mathit{\omega }\right){\mathit{S}}_{\mathit{B},\mathit{m}}^{\mathit{*}}\left(\mathit{\omega }\right)}}\end{array}$

式(7)中:*为复数共轭;Re为取复数实部;M为台站对AB观测数据分段数。对所有台站对N的互相关谱叠加,则可以得到平均互相关谱ρ(ω,r ),即

(8)

$\mathit{\rho }(\mathit{\omega },\mathit{r})=\frac{1}{\mathit{N}}\sum _{\mathit{i}=1}^{\mathit{N}}\mathit{c}\mathit{o}\mathit{h}({\mathit{r}}_{\mathit{i}},\mathit{\omega })$

ESPAC法的特点是保持频率不变,改变圆周半径,计算自相关系数并与贝塞尔函数拟合比较,求得自相关函数与距离变化的关系。这个方法更具有灵活性,阵列可以排列成任何形状。

1.3 面波联合勘探方法

利用ESPAC支持线性阵列的特点,采用在MASW主动源激发后直接原点位采集天然场信号。对主动源信号采用波场变换f-k法频散计算获取F-V谱,对被动源使用ESPAC法频散计算获取F-V谱。将计算结果后叠加一起,手动截取形成“串联式”F-V谱,然后提取频散曲线。对提取的频散曲线进行反演以获取横波速度结构,反演方法可分为线性方法和非线性方法。线性方法包括阻尼最小二乘法、L-M方法(Levenberg-Marquardt method)等,这类方法对初始模型有很强的依赖性。非线性反演方法有模拟退火、领域算法和遗传迭代算法等,这类方法属于全局优化方法,且不依赖于初始模型^[37-38]。本文中反演算法采用的是遗传迭代算法,其输入参数较简单,反演结果较好。

2 东北黑土地地表基质结构调查中的应用

2.1 地表基质调查区概况

实验地表基质调查区(图1) 行政位置为中国黑土资源最为丰富的地区之一——黑龙江省绥化市,位于嫩江、松花江和小兴安岭所夹持的松嫩盆地东北部。其地貌特征主要为河谷平原和高平原;地质特征主要为第四系覆盖区,其中零星出露以弱固结砂砾岩为主夹砂岩、泥岩的古近纪孙吴组,以及被薄层第四系所覆盖的二叠系花岗岩体。

为查明第四系覆盖层之下的土岩界面埋深,即第四纪与以嫩江组为主的基岩面埋深,实施了基于线性阵列和ESPAC法的面波联合勘探实验工作。同步实施了钻穿嫩江组顶界面的5个钻孔,其中3个用于深度标定,2个用于测算深度误差。下面从仪器设备、数据采集与处理、波速结构测量、单点分层深度获取到最终获取和评估调查区平面土岩界面深度的详细步骤予以阐述。

2.2 仪器设备与软件

本次勘探工作使用Node X智能节点地震仪(也称为“微动仪”)。该仪器主要技术参数包括:固有频率4.5 Hz,时间同步精度3 μs,支持GPS/北斗授时,多主机小于±3 μs,仪器同步后具备自动高精度守时功能。人工源采用AWDO33便携震源,可激发P波和S波,落锤质量33 kg,一次撞击的能量可达600 J,震动有效深度可达150 m。

野外采集的数据采用Rocket V1.4.9软件进行时间序列数据合并、管理、处理、图形显示,导出sg2或seg2格式供后期反演软件使用。反演软件采用SWAINS V1004,该软件对于嵌套三角形采用SPAC算法,对于其他观测系统则可采用ESPAC算法来计算频散谱。反演算法采用遗传迭代法^[37]。

2.3 数据采集

野外数据采集前在已知钻孔ZK01旁利用10台微动仪开展了方法实验,以确定合理的仪器参数、观测系统、震源条件和被动源采集时长,并与钻孔分层结果对比分析,提高结果的可靠性。为实现50 m以浅高精度探测的要求,综合考虑施工效率,最终选定混合源线性等道间距排列[图2(a)、图2(b)]、多次滚动布设[图2(c)]。该采集系统优点在于一次布设可同位置采集主动源及被动源信息,在提高探测精度的同时提高了野外工作效率。

组合对比了不同观测系统参数。最小偏移距实验参数包括0、5、10、15、20 m,炮间距实验参数包括5、10、15 m,检波距实验参数包括1、2、5、10、15 m,震源激发与仪器摆放条件对比:土道、田地、水泥道。最终采用的野外采集参数为:仪器采样率250 Hz,连续采集模式;道距5 m,炮距15 m,最小偏移距5 m;一次锤击激发,激发两三次,记录长度1 s。被动源微动仪位置与主动源相同,观测时间不小于20 min,观测时要求阵列内无人为干扰。

2.4 频散分析

本文中频散分析的基本流程如下。

(1)加载数据并设置联合勘探观测系统参数:采集的主动源和被动源地震记录均在x-t域中。分别加载主动源和被动源数据后设置观测系统参数以建立主动源与被动源排列之间的对应关系。

(2)主动源数据预处理与频散谱计算:为提高参与计算道的信噪比,开展的预处理内容包括:删除坏道、切除无效信号和去噪。对主动源面波记录[图3(a)]采用波场变换法获取频散谱[图3(b)]。主动源面波有效频带主要范围在7~40 Hz,估算探测深度超过20 m^[2]。本次工作尽管采用了有效震动可达上百米的便携震源,但面波频散谱依然缺乏更低频的有效信号,导致有效探测深度不足。

(3)被动源法比较不同方法计算F-V谱:频散计算时,设置速度间隔1 m/s。使用波场变换法计算频散谱发现未能得到有效主能量团[图4(b)],因此波场变换法不适用于被动源数据。SPAC法计算后发现能量团比较发散,不够收敛[图4(c)],难以有效提取频散曲线;这与前文所述SPAC法不宜用于线性阵列一致。ESPAC法计算主能量团频率范围主要为2~7 Hz[图4(d)],且能量团收敛效果好。易于提取频散曲线。

(4)计算后合并频散谱[图5],实现面波联合勘探。主动源地震记录通过波动变换法计算得到的频散谱[图5(a)],和被动源地震记录通过ESPAC法计算得到的频散谱[图5(b)]在频带上实现互补,重叠部分衔接效果较好[图5(c)],也证实了线性阵列的有效性。最后利用合并后的频散谱选用基阶面波提取实测频散曲线。

2.5 反演的地表基质波速结构特征

对实测数据提取频散曲线后,就可对其进行遗传迭代反演横波速度和深度^[32]。首先根据提取的实测频散曲线[图6(a)]定义出初始速度-深度模型[图6(b)]。随后遗传算法采用的计算参数:地球模型为平坦地球模型,参数种群大小200,迭代次数20,交叉概率90%,突变概率2%。最后对反演出的地下介质的横波速度结构[图6(b)]与测点处的钻孔(ZK01)所揭示地层[图6(c)]开展对比。

反演的横波速度与钻孔揭示地层对应关系较好。由图6(c)所示,地层在50 m范围内可以大致划分为四层。第一层底深为5.2 m,岩性为黑色壤土,反演横波速度为169 m/s。第二层底深为18.8 m,岩性为壤质黏土,反演横波速度为231~245 m/s。第三层底深为39 m,岩性为砂土,反演横波速度为270 m/s。第四层未见底,岩性为白垩纪嫩江组粉砂岩,反演横波速度为308 m/s。

2.6 地表基质调查区土岩界面埋深

为获得调查区土岩界面埋深情况,面波勘探工作采用了稀疏网格化部署(点距约5 km),共计202个测量点位。每个测量点实际为一个包括4个点距为15 m(炮间距)的短剖面。2个验证钻孔(图7)土岩界面误差分别为3.05 m和2.33 m,深度误差变化情况基本与波速误差变化范围一致。

利用每个微动勘探点的分层结果研究土岩界面分布规律。根据区内的微动测点解译的土岩界面埋深,采用克里金插值法,编制了调查区嫩江组顶界面(土岩界面)埋深图(图7)。

嫩江组顶界埋深图结果表明,绥化市调查区,自东向西,随着地形变低缓,嫩江组之上的覆盖层深度逐步加深,覆盖层岩性主要为表层壤土、壤土、壤质黏土、黏土、砂土、砂砾等。呼兰河西侧岩土界面埋深相对其他区域较浅,埋深以15~25 m为主。海伦市西南部、望奎县大部地区岩土界面明显较深,埋深以30~52 m为主。从编制的全区岩土界面图成果来看,总体呈东浅西深趋势。在海伦—绥棱—庆安一线东侧,推测受山前不均匀分布的残坡积物影响,地表基质厚度变化较大,岩土界面埋深从数米到三十米不等,厚度变化相对频繁。覆盖层整体形态较为水平,但在河流两侧变化相对较大。

综上所述,在东北黑土地地表基质调查的实例中,联合勘探技术有效提高了浅部探测精度和拓展了探测深度,施工效率高,适用于剖面和面积性测量。探测结果可用于分析岩土界面在平面上的分布特征,及其与地形地貌的变化关系,具有较高的实际应用价值。

3 讨论

3.1 本次工作可改进的措施

以本次研究采用的技术为主,还可以从两个角度改进取得更好的分层精度与地质分层效果:第一,在数据采集方面,在保持排列长度的情况下,可以采用更多的采集仪器、更小的道间距,可提升频谱能量团的收敛程度,有利于提取更精准的频散曲线。第二,影响地质分层的另外一个重要问题是松散层的压实问题。面波法可以用于测量松散层的压实度^[40],相应的,相同的岩性会因为不同的压实度具有不同的面波速度。可能的解决方案是:①将用于标定的钻孔区分不同地貌、地质分区,根据不同的岩性组合分别统计规律,可显著提高地质标定的准确程度;②通过横波速度测井或实验室工作,研究不同岩性在深度导致的压实程度和波速变化。

3.2 联合勘探技术的发展方向

采用联合反演算法可提高地质分层效果。面波勘探的原理是基于各向同性层状介质模型假设,提取基阶模式的频散曲线。但实际工作中会遇到速度异常的夹层,这样频散谱会呈现复杂形态。在面波的某些频率范围,高阶波能量会比基阶波能量更占优势,而当前对高阶面波的影响考虑是不足的。因此以能量高低为标准所提取的频散曲线精度和可靠性会降低^[41]。而且瑞利面波的高阶模式比基阶模式更容易得到,具有更大的穿透深度,对地层参数变化具有敏感性。利用基阶、高阶模式的联合反演相比单方法反演与横波测井资料相比具有更好的吻合性^[42-43]。但存在反演计算效率太低^[44]、结果缺乏稳定性^[45]等问题。此外H/V谱比法对基岩面的敏感性较高,与频散曲线的联合反演,也具有较高的应用价值。

反演算法方面,分歧型遗传算法(divergent genetic algorithm,FGA)、模拟退火算法(simulated annealing algorithm,SA)等,降低了对初始模型的依赖,提高了反演精度^[46]。这些频散和反演算法在面波联合勘探中的应用也有待进一步开展。

联合使用更多地震波方法可以提高探测效果。由于线性阵列可同时应用于采集面波和反射波数据,因此可进一步开展面波、反射波^[47]乃至折射波的联合勘探,综合面波波速反演和反射波成像的优势实现地质目标体精细探测。

3.3 联合勘探技术的应用领域

面波联合勘探方法具有抗干扰、抗屏蔽、非侵入等优势,基于线性阵列和ESPAC法的改进措施进一步增加了对各类场地的适应性、施工效率和分辨率,从而拓展应用场景。东北黑土地表基质调查区测点绝大部分位于农村、林区,缺乏有效近区天然高频信号,导致被动源方法获取的数据浅部无有效信号。采用面波联合勘探技术补充高频信号可解决此问题。在提供地下横波速度结构的基础上,除可应用于地表基质层分层外,还可用于沉积盆地结构、场地稳定性评价、地热资源评估等方面。与传统地震方法相比,利用波速差异,还可用于识别火成岩区岩体风化程度、不同地质时代岩体接触面成像、预测热导率等。

4 结论

通过以黑龙江省绥化地区为代表的东北黑土区地表基质地下结构调查中,面波联合勘探方法实验、研究与应用工作,可得出如下结论。

(1)ESPAC法计算的频谱受震源距离和方位角影响小,因此在被动源观测时,可以直接采用主动源的观测阵列。基于线性阵列的面波联合勘探技术借鉴地震勘探多次覆盖采集方法,部署一次线性阵列可以分别获得主动源和被动源数据,大大提高了施工效率。本次工作采用的线性阵列受场地限制小,可任意延长测量剖面长度,从而显著提高施工效率。这种采集方式的探测中心点和地面耦合条件一致,频散谱在衔接段一致性较好,解决了仪器采集位置不一致影响频散曲线拼接效果的问题。

(2)采用MASW和ESPAC法的面波联合勘探技术,具有浅部盲区小、探测深度大且分辨率高的特点。主动源面波法可利用频段一般为大于7 Hz的高频段,因此探测分辨率高但探测深度一般小于30 m。被动源面波法可利用频段一般为小于10 Hz的低频段,探测深度大于50 m,但浅部为盲区或分辨率低。相对单方法而言,面波联合勘探法可以同时利用来自人工源和天然源的2~40 Hz频段,甚至更低频段,从而实现了深浅探测精度兼顾。

(3)面波联合勘探技术适用于地表基质调查等浅层地下结构探测领域。该技术应用于东北黑土地地表基质调查区,通过在已知钻孔旁标定,得到地质分层依据;然后在面上使用点距约5 km的稀疏网格化部署,根据解译结果编制了地表基质调查区土岩界面埋深图,实现了50 m以内高分辨率地表基质垂直结构分层和嫩江组顶面变化特征规律,为科学划定黑土地保护利用边界、深度提供了依据,也为全国地表基质调查或近地表地球物理波速结构探测提供了有益的参考。

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基金资助

中国地质调查局东北地质科技创新中心区创基金(QCJJ2022-3)

中国地质调查局项目(DD20240100902)

有色金属成矿预测与地质环境监测教育部重点实验室(中南大学)开放基金(2024YSJS13)

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Received	Published	Revised
2025-09-23	2026-09-28	2026-02-12
Online Date
2026-10-09

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