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1 中鐵第四勘察設(shè)計研究院有限公司

2 中國地質(zhì)調(diào)查局南京地質(zhì)調(diào)查中心

3 中國地質(zhì)大學(xué)地球物理與空間信息學(xué)院

導(dǎo)讀：

近年來，地球物理勘探技術(shù)在密集空間適用性和技術(shù)抗干擾性方面不斷取得進(jìn)展。 本文系統(tǒng)地總結(jié)了復(fù)雜城市環(huán)境的勘探技術(shù)， 逐一介紹了適用密集空間探測技術(shù)和抗干擾探測技術(shù)10余種新方法的原理、優(yōu)缺點和應(yīng)用條件。

文中還介紹了 多源地震勘探技術(shù)的研究進(jìn)展。 多源地震勘探、聯(lián)合反演和成像，綜合橫波速度提取， 具有廣闊的應(yīng)用前景。

微動譜比技術(shù)、密集臺陣微動測技術(shù)、光纖聲波傳感技術(shù)等是復(fù)雜城市環(huán)境下勘探技術(shù)的方向。  

1 引言

2 復(fù)雜城市環(huán)境地球物理勘探技術(shù)現(xiàn)狀

2.1 國內(nèi)外城市地球物理勘探技術(shù)

2.2 復(fù)雜城市環(huán)境地球物理勘探技術(shù)

2.2.1 密集空間探測技術(shù)

   1)地質(zhì)雷達(dá)法

   2)地震映像法

   3)多匝小回線瞬變電磁技術(shù)

   4)射頻大地電磁法

   5)微動譜比技術(shù)

2.2.2 抗干擾探測技術(shù)

2.2.2.1 主動源地震面波技術(shù)

2.2.2.2 微動臺陣技術(shù)

2.2.2.3 光纖聲波傳感技術(shù)

2.3 多源地震勘探技術(shù)

2.3.1 雙源面波勘探技術(shù)

2.3.2 多源頻率域地震勘探技術(shù)

3 結(jié)論

1  國內(nèi)外城市地球物理勘探技術(shù)現(xiàn)狀

     國外城市開發(fā)早，但針對城市復(fù)雜環(huán)境的地球物理勘探技術(shù)相對滯后； 國內(nèi)勘探技術(shù)與城市發(fā)展步驟緊密關(guān)聯(lián)，并取得了系統(tǒng)性技術(shù)優(yōu)勢。 全球范圍內(nèi)， 發(fā)達(dá)國家或地區(qū)城市 經(jīng)過最近100年的高速發(fā)展，勘察階段場地相對單一，沒有明顯的建筑物阻擋和強(qiáng)干擾存在， 所采用地球物理勘探技術(shù)與常規(guī)方法基本一致 ， 常采用地震反射波法、高密度電阻率成像和面波法。例如， 日本 主要使用面波法、淺層地震反射法勘探； 加拿大 主要使用地質(zhì)雷達(dá)法、高密度電阻率成像法、淺層地震反射波法勘探； 新加坡 主要使用高密度電阻率成像、淺層地震反射波法、測井及井中物探。

我國 系統(tǒng)性針對城市區(qū)域地下空間的地球物理勘探工作始于2003年， 城市環(huán)境的探測過程中，地面往往為正常的城市環(huán)境，各類人文活動照常進(jìn)行，這給探測工作帶來了嚴(yán)重的限制 。經(jīng)過近20年的技術(shù)積累和工程實踐，在適用于復(fù)雜城市環(huán)境的探測技術(shù)中有所突破，具有代表性的是多匝小回線瞬變電磁法、射頻大地電磁法、光纖聲波傳感技術(shù)和二維微動剖面探測技術(shù)。

圖2為我國南方城市某公路一處巖溶檢測的地震映像法成果圖，圖2(a)為波形特征解釋法剖面，通過波形的連續(xù)性和繞射特征可以判定出巖溶發(fā)育的位置和深度，圖2(b)為頻率特征解釋法剖面，低頻區(qū)域?qū)?yīng)的是巖溶發(fā)育區(qū)。

（3）多匝小回線瞬變電磁技術(shù)

瞬變電磁法在城市勘探中遇到三個方面的困難： 線圈過大、盲區(qū)影響勘探有效深度和抗干擾能力弱，其應(yīng)用受到嚴(yán)重限制，因此發(fā)展出施工相對靈活的多匝小回線采集裝置的瞬變電磁技術(shù)，在保證勘探精度的同時，更加適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境勘探的需要。 為了降低或避免盲區(qū)的影響，在實現(xiàn)多匝小回線瞬變電磁技術(shù)時就出現(xiàn)兩種策略： 通過快速關(guān)斷技術(shù)來實現(xiàn)一次場的影響，進(jìn)而實現(xiàn)壓縮盲區(qū)的效果；另外一種方案，是采用了一對上下平行共軸的相同線圈，其中分別通以反向電流作為發(fā)射源，在兩個線圈合成的一次場零磁通平面上進(jìn)行測量對地中心耦合的純二次場(等值反磁通瞬變電磁法，編者注)。 多匝小回線瞬變電磁技術(shù)可有效消除接收線圈本身的感應(yīng)電動勢且減少旁側(cè)影響，實現(xiàn)了瞬變電磁法0 ? 100m的淺層勘探，且抗干擾能力強(qiáng)，可用于城市環(huán)境的地質(zhì)勘探。

多匝小回線瞬變電磁技術(shù)相較于常規(guī)瞬變電磁法設(shè)備所獲取的數(shù)據(jù)，原始數(shù)據(jù)質(zhì)量改善明顯，適合于城市部分地區(qū)的巖溶、覆蓋層等探測工作。 數(shù)據(jù)采集過程中，應(yīng)避免5m范圍內(nèi)的金屬、構(gòu)筑物對電磁波場的擾動影響，此類近場干擾會對數(shù)據(jù)質(zhì)量帶來直接的干擾，進(jìn)而給解釋帶來困難 。

(4) 射頻大地電磁法

射頻大地電磁法(RMT)是在地質(zhì)雷達(dá)法、可控源音頻大地電磁法(CSAMT)和大地電磁法(MT)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種淺部頻率域電磁勘探方法。 RMT以無線電臺、潛艇等發(fā)射的高頻電磁波作為信號源，通過采集遠(yuǎn)區(qū)的電磁場計算視電阻率等參數(shù)，最終實現(xiàn)淺地表電性結(jié)構(gòu)的探測。RMT探測頻帶約為1k ? 1000kHz，設(shè)備小巧，適用于城市環(huán)境100m以淺的探測。

近年來，淺地表環(huán)境中介質(zhì)的電阻率和介電常數(shù)各向異性已逐漸被人們所認(rèn)識，隨著計算機(jī)的快速發(fā)展，RMT三維反演也已經(jīng)逐漸被應(yīng)用于實際生產(chǎn)中，并在數(shù)據(jù)解釋方面發(fā)揮著重要作用。

射頻大地電磁法作為電磁法一種重要淺部頻率域電磁勘探技術(shù)，在城市環(huán)境應(yīng)用中不可避免地受到工區(qū)旁邊電磁性介質(zhì)的影響，在相對開闊或干擾穩(wěn)定的情況下開展工作為宜。

(5) 微動譜比技術(shù)

微動譜比法也被稱為微動H／V譜比法、單點H／V譜比法或Nakamura方法，是基于單點三分量數(shù)據(jù)中水平分量和垂直分量的譜比特征進(jìn)行地層屬性反演的勘探技術(shù)。 該方法簡便經(jīng)濟(jì)、對環(huán)境無干擾等很多優(yōu)點，特別適合應(yīng)用到城市中，很快在世界各地得到應(yīng)用。

基于國內(nèi)外眾多學(xué)者的實踐，認(rèn)為場地微動譜比的譜形非常穩(wěn)定，只有少數(shù)例外；在軟土場地上有一卓越峰值，在堅硬場地上幾乎是平的；微動譜比的峰點與地表和基底水平向地震動譜比的基階卓越頻率相關(guān)等。

微動譜比法理論基礎(chǔ)和結(jié)果與場地動力特性的關(guān)系一直沒有得到學(xué)術(shù)界的一致公認(rèn)，成為場地動力特性估計中最有名的爭論焦點。

實際觀測和數(shù)值模擬結(jié)果都表明，微動譜比的幅值會隨微動中各波成分變化，阻抗比和泊松比對瑞利波橢圓率幅值也有重要影響，很難直接估計場地的放大效應(yīng)。應(yīng)用中微動譜比與地震動H／V的譜形有較好的相關(guān)性，相似程度取決于場地條件。微動譜比法的分析計算看起來極其簡單，具體實施時在觀測系統(tǒng)、觀測條件、記錄的選取方法、具體計算細(xì)節(jié)、結(jié)果的分析解釋等方面都有不同的選擇，還沒有統(tǒng)一的規(guī)范。不同研究者選擇不同，結(jié)果必然會有差別，其中可能還會有一些誤用，在此基礎(chǔ)上對微動譜比法進(jìn)行研究，必然很難達(dá)成統(tǒng)一認(rèn)識結(jié)論。需通過研究，建立微動譜比法一般的數(shù)據(jù)采集、分析和結(jié)果解釋的規(guī)范。

目前，大多數(shù)研究者傾向于微動譜比的豎向信號主要成分為瑞利波，水平成分為瑞利波和勒夫波及它們的高階分量，微動譜比可以用瑞利波基階橢圓率解釋，用體波解釋微動譜比的觀點將被放棄。 盡管峰值依賴于場地速度結(jié)構(gòu)和噪聲源的位置有多種解釋，如瑞利波橢圓率、勒夫波艾力相位或S波共振等，微動譜比法總可以給出場地的基階共振頻率或卓越周期。如果基巖定義為波速大于1500m/s，微動的H／V與地震動的H／V、水平譜比的峰值頻率總是很一致； 但是微動譜比曲線的峰值小于3、覆蓋層與基巖波阻抗比非常小或基巖埋藏非常淺時，需要格外小心。

微動譜比技術(shù)因其采取采集長周期微震信號后再從平穩(wěn)信號中提取譜比曲線的策略， 且獲取的速度本質(zhì)上為真地層速度，天然具有抗干擾能力和高精度特征，這點在復(fù)雜城市環(huán)境的勘探技術(shù)中具有明顯優(yōu)勢， 但該方法在反演過程中比較依賴初始模型速度，這要求該方法需要在掌握較為準(zhǔn)確的表層速度前提下開展。

2.2 抗干擾探測技術(shù)

復(fù)雜城市環(huán)境中因充斥了各類 電磁波和機(jī)械波 干擾源，需要針對這兩類干擾源需在方法和設(shè)備上進(jìn)行突破。 抗電磁波干擾方面， 主要采用各類電磁波屏蔽技術(shù)，目前可實現(xiàn)100MHz以上的電磁波的有效屏蔽，基本滿足工程應(yīng)用要求，但該頻段探測深度有限，嚴(yán)重限制了應(yīng)用范圍。 抗機(jī)械波干擾方面， 主要干擾源為隨機(jī)的強(qiáng)震干擾，抗干擾有兩種策略：提高震源信號的抗干擾能力和提高數(shù)據(jù)特征提取技術(shù)的抗干擾能力。 基于這兩種策略就被分為兩個方面的抗機(jī)械波干擾方法： 基于城市可控震源的地震反射波法和基于被動源平穩(wěn)信號的特征信息提取技術(shù)。在基于被動源平穩(wěn)信號的特征信息提取技術(shù)中，主動源地震面波技術(shù)、微動臺陣技術(shù)、微動譜比技術(shù)和分布式光纖聲波傳感技術(shù)的抗干擾能力較強(qiáng)， 其中微動和光纖聲波傳感技術(shù)因同時具備抗干擾要求和綠色環(huán)保要求引起了業(yè)內(nèi)的注意，并得到應(yīng)用。

2.2.1 主動源地震面波技術(shù)

利用人工震源激發(fā)產(chǎn)生的彈性波在介質(zhì)中傳播，通過分析、處理和提取面波頻散信息，反演地下橫波速度等地層屬性的變化規(guī)律，進(jìn)而實現(xiàn)地質(zhì)結(jié)構(gòu)探測的方法。實施過程中，通常將單分量垂直檢波器成排列布置，在排列一端移動偏移距情況下激發(fā)震源，獲取地震面波記錄，再對獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行頻散曲線提取和反演，進(jìn)而獲得地層屬性。

主動源地震面波技術(shù)采用直線規(guī)則排列方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通常沿街道布置測點，輔以人工或機(jī)械震源，作業(yè)過程簡單、高效，對淺部地層結(jié)構(gòu)有較好的分辨能力，反演所獲取的速度為真實地層速度，具有工程設(shè)計參考意義， 但是在房屋密集區(qū)作業(yè)中無法滿足測點規(guī)則布置的要求，且勘探深度有限。

2.2.2 微動臺陣技術(shù)

地表時刻存在著的由人文活動、海浪等非地震引起的微弱振動稱為微動。其表現(xiàn)為連續(xù)的擾動，在常規(guī)地震勘探中被作為噪音背景處理。 微動臺陣技術(shù)是以平穩(wěn)隨機(jī)過程理論為依據(jù)，通過特定觀測裝置獲取天然垂直向下的微動信號，從微動信號中提取面波的頻散曲線，對頻散曲線進(jìn)行地層屬性反演的技術(shù)，具有較強(qiáng)的抗機(jī)械干擾能力。 按照數(shù)據(jù)采集的裝置類型不同，可分為“直線型”、“內(nèi)嵌三角型”、“同心圓型”、“十字型”、“L型”等（圖3），嵌三角型和直線型臺陣方式為最常采用形式。

圖4 多源頻率域地震勘探技術(shù)流程

3   結(jié)論

------------往期 精彩 回顧-------------

1. 地質(zhì)環(huán)境超前探測與成像技術(shù)研究綜述

2. 張平松教授等：智能化巷道快速掘進(jìn)超前探測技術(shù)與發(fā)展

3. 綜述：煤礦水害隱患電磁法探測新技術(shù)

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