两种可控震源的浅层地震六分量波场特征

2022-10-24郭高源张丁凡曹瑜珈吴志芳张宝剑钱荣毅

工程地球物理学报 2022年5期

李维，郭高源，王赟，张丁凡，曹瑜珈，吴志芳，张宝剑，钱荣毅

(1.中国地质大学地球物理与信息技术学院，北京 100083；2.中国地质大学 “MWMC”研究组，北京 100083；3.杭州友孚科技有限公司，杭州浙江 311200；4.中国地震局地球物理研究所，北京 100081；5.仲恺农业工程学院信息科学与技术学院，广州广东 510225；6.福建省地震局，福州福建 350001)

1 引言

三维固体空间中任意一点在受外力作用情况下发生变形和位移，除产生平移位移外(记录在平动三分量上)，还会产生旋转运动，记录在旋转三分量上[1,2]，一般称之为六分量记录。传统检波仪器只记录了平动三分量，旋转地震仪可记录旋转三分量。由于地震动的旋转分量较弱，对观测仪器灵敏度要求较高，早期由于旋转地震仪发展并不成熟，旋转运动并未引起人们的足够重视[3,4]。随着近些年现代传感和信息技术的发展，多种旋转地震仪获得了较快的发展，观测和利用地震动的旋转信号成为当前地震学研究的热点[5]。

近20年来，旋转地震观测在天然地震与火山活动监测、勘探地震和浅层地震工程勘查以及地震对建筑影响评价等多个领域获得了广泛的关注、试验和应用[6]。其中，与浅层工程勘查相关的，Igel等[7]给出了利用六分量地震的水平向平动加速度与垂直旋转率速近似求取水平相速度的新方法，成为工程地震中利用六分量观测反演浅层横波速度结构的基础[8]。Barak等[9]提出利用奇异值分解可实现不同分量上面波和体波的识别与提取，以用于不同的勘探目的。在Igel等人工作的基础上，Lin等[10]利用天然远震六分量地震记录获得瑞雷波相速度，进而反演上地壳浅层横波速度；Moro等[11，12]和讨论了利用单点或排列上观测的六分量地震记录，联合Rayleigh和Love面波进行浅层横波速度结构的反演；Schmelzbach等[13]则进一步提出利用稀疏的六分量观测替代密集排列观测，可大幅度降低采集成本，实现地下介质结构的属性反演。Sollerger等[14]证明了在单一台站平动三分量偏振分析法无法分离时域重合的波场，联合利用旋转分量有利于有效分离时域重合的波场。

由于城市地震勘查特殊环境的要求，除传统的重锤和机械式可控震源车外，电火花和甲烷气爆震源在国内不同地区的浅层工程勘查中进行了有益的尝试[15-18]。由于频带宽，主频高，且相对绿色环保，国内曾在广州城区的浅层速度调查试验了这两种震源；地震观测中，除记录了传统的平动三分量加速度外[19]，还利用北京大学研制的光纤旋转地震仪[20,21]记录了旋转三分量记录。尽管天然地震领域已对六分量记录特征进行了详细的观测、分析和研究，但在主动源激发条件下，不同类型震源及其激励的旋转运动特征研究较少。因此，有必要从不同源类型以及旋转运动特征差异的角度探索两种源和旋转观测应用于浅层勘查的适用性与可行性。

2 观测试验

2.1 地质背景

本次试验主要位于广州市区。广州市区以第四系海陆冲积层为主，淤泥与砂层厚度大，一般大于20～50 m，冲积层主要由粗砂、沙砾堆积物组成；市区珠江两岸和南沙区淤泥及砂层厚度大，在南沙区，淤泥及夹砂淤泥层厚达25～45 m；珠江三角洲的平原区沉积土厚度一般为20～60 m，最厚83 m，软土厚度在中、北部地区多为5～20 m，南部滨海平原区达25～45 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；沿海还存在填土结构[22,23]。广州地处亚热带，雨量充沛，地下水发育，是复杂地质条件产生次生灾害的主要因素之一[24]，因此，探明市区浅层速度结构是城市规划、建设和运行管理中的关键性基础工作。

2.2 数据采集

本次甲烷爆炸震源共采集了12震源点的观测数据，编号如表1所示，震源埋深均为10 m，引爆能量6.7MJ,每处震源点设置了1或2个观测点，其中3个震源点及其对应的接收点位于佛山市，9个震源点及其对应的接收点位于广州市区(图1a)，其中S25和S15的观测系统如图1(b)、图1(d)所示。电火花震源试验只有1个震源点和1个接收点，位于广州市南沙区；进行信号激发时，将电极放置在小河底固定的位置，进行一段时间内的多次激发，均使用相同震源参数，在距震源约141 m远处的固定观测点进行信号接收(图1c)。甲烷爆炸震源和电火花震源的每一个观测点都采集了南北向、东西向和垂直向下方向的平动加速度以及绕这三个轴的旋转速率，共六个分量的数据，其中平动加速度数据采样频率200 Hz，旋转速率采样频率为250 Hz。

图1 工区概况和测线布置Fig.1 Geographic map of work area注：图(a)黄色虚线外点位于广州市，其余位于佛山市；图(b)、(d)中红色为源点，蓝色为检波点;图(c)中红色为检波点，蓝色为源点

表1 甲烷震源及对应观测点情况

2.3 数据处理

将10次电火花震源信号从长时间的地震记录中截取出来，并从这10次地震信号数据在主频带的相位谱，图2中，可以看出10次数据在5～20 Hz的一致性较好，高频较差，与实际电火花震源的主频是20 Hz有关，因此对数据进行叠加处理，以获得信噪比较高的目标信号。同时对甲烷爆炸震源和电火花震源激发采集的数据进行预处理，包括去均值、去线性趋势和波形尖灭以及RT旋转，将采集到的南北向(North-South, NS)、东西向(East-West, EW)和地向(Underground, UD)数据转换为径向(Radial,R)、切向(Transverse,T)和垂向(Vertical,Z)数据，以便于进一步的分析使用。

图2 电火花震源10次采集数据的相位谱Fig.2 Phase spectra of observed data for 10 times by electric spark source

3 数值模拟与分析

3.1 建模与模拟参数

将广佛地区的地质资料、岩土地层的归一性划分方案[23]与在广州市进行的地质调查获得的地震横波勘探结果，结合波速测井划分的第四纪松散层层序划分的结果[25]，设置数值模拟的地层模型介质参数见表2。

表2 数值模拟浅层模型参数

在震源能量设置时，由于地下介质实际情况复杂且未知，且甲烷震源具有一定的埋深，因此爆炸做功能力参数[26]无法确定，本文数值模拟时，直接将甲烷震源引爆的总能量6.7 MJ视为震源处的震源振幅系数与模拟中的地震子波相乘。

根据表2的地层划分以及震源的能量设置，进行二维各向同性半空间介质中的数值模拟。在模型的上边界采用自由表面条件，模拟自由地表[27]；在左、下和右边界采用人工吸收边界条件，吸收地震波能量，模拟半无限空间。设置数值模拟的时间差分精度为2阶，空间差分精度为6阶，时间采样间隔0.1 ms，X和Z方向网格间距均为2 m。震源子波使用Ricker子波，通过将子波加载在X和Z方向的应力分量上的爆炸震源来模拟甲烷爆炸震源；由于电火花震源的方向性较好，将子波加载到Z向速度分量的Z向集中力源来模拟电火花震源；根据实际震源激发时的情况，将爆炸震源点设置于自由地表以下10 m处，Z向集中力源设置于自由地表以下4 m处，接收线放置在自由地表处，采用单边观测系统。

3.2 理论波场与观测记录对比

3.2.1 甲烷震源

选择甲烷震源的震源点S15的两个接收点的实测数据与模拟数据进行对比分析，其中，S15的近源观测点与震源相距约97 m，远源观测点与震源点距离约335 m，观测系统如图1 (d)所示。

将实测数据与二维三分量模拟数据进行对比，进行比较的分量为实测数据的R、Z方向平动分量和T向旋转分量(RT)，对应模拟数据的X、Z方向平动分量和Y方向旋转分量(RY)。对模拟数据进行减采样至与实测数据频率相同，并将数值模拟中直接记录的平动分量速度(m·s-1)进行一阶时间求导计算,得到与实测数据物理单位一致的加速度(m·s-2)，记录的旋转分量均为旋转速率(rad·s-1)。

进行爆炸源数值模拟时，将子波主频设置为20 Hz，理论地震记录如图3所示。从图3可以看出：X、Z、RY三个分量上都有能量较弱的直达、折射和反射波以及能量较强的面波。从模拟的结果中抽取与甲烷震源S15近、远观测点相同偏移距的单道记录，与实测数据对比时域波形，结果如图4与图5所示。可以看出，实际记录以面波为主，几乎看不见弱能量的反射波，说明实际地层对地震波吸收衰减作用很强。

图4 甲烷震源S15近源点单道记录Fig.4 Single trace waveform records by methane source in near receiver of source No.15

图5 甲烷震源S15远源点单道记录Fig.5 Single trace waveform records by methane source in far receiver of source No.15

从S15近源点观测数据与模拟数据的对比(图4)中可以发现：二者的地震波震相吻合较好；模拟数据和实测数据都是平动Z分量能量最强，X分量次之；模拟和实际观测的平动和旋转分量振幅相差2个数量级，能量差较大。主要原因有两个：一是模拟中使用的震源子波振幅系数为震源的引爆能量，但实际震源引爆能量绝大部分都会在源区损耗，小部分以弹性波的能量向外传播，振幅传播能量转换率远小于1，但模拟中设置为1；二是数值模拟假设均匀弹性介质，未考虑实际介质的黏弹性对地震波的吸收衰减。

图5为S15远源点观测数据与模拟数据的对比。除与图4显示相同的规律外，不同的是，远源点的平动分量实测数据较模拟数据弱了3个数量级，旋转分量弱了2个数量级。与近源点观测数据对比，振幅均进一步衰减，但平动分量振幅减小了1个数量级，而旋转分量振幅衰减非常少，并且近源点观测数据的频率明显高于远源观测点的频率，这与地震波传播时的几何扩散和吸收衰减作用相关。需要特别说明的是：近、远源点实际观测数据的对比特点——平动分量衰减较快，旋转分量衰减较慢，与天然地震领域已有的认识[5,28]是相反的。这说明甲烷爆炸震源作为浅层工程地震中的人工可控震源，在300多米的距离也可以激发足够强度的旋转运动，旋转分量的观测是可行的。

上述分析的结论也可以从功率谱的对比中得到佐证。图6为S15近、远接收点观测数据的六分量功率谱，显然，平动分量的高频信号功率衰减了许多，三个分量的功率大幅减小；旋转分量除了高频信号衰减较明显外，整体功率衰减较少，并且在10～30 Hz频带内的功率增强，由于在平动分量上该频带的功率几乎没有增强，因此可能是地层的不均匀性引起的。

图6 S15近、远接收点的六分量功率谱Fig.6 Six-component power spectra of observed data in near and far receivers of source No.15

3.2.2 电火花震源

根据电火花震源实际地震记录的频谱特征，设子波主频为15 Hz。鉴于实际采集过程中震源能量未知，因此模拟时使用与甲烷震源相同的能量参数。模拟获得如图7所示的三分量记录，图中主要能量明显为面波，反射波与直达波能量较弱。

图7 Z向集中力源理论地震记录Fig.7 Theoretical seismic records by Z-directional concentrated force source

抽取偏移距140 m的单道记录，与叠观测数据进行比较，结果如图8所示。由图8可见，模拟结果和实测数据波形、震相、走时特征差异均很大，这是由于电火花震源在水中激发，实际记录为多次连续激发叠加的结果，而数值模拟为固体层模型中的单次激发结果。由于采用相同震源能量，因此电火花理论模拟结果与爆炸震源模拟结果的振幅量级近似；但在141 m观测的电火花信号能量比甲烷震源335 m的远源点的能量更弱，比理论模拟能量进一步减弱了一个量级。因此，与甲烷爆炸震源激发的六分量记录相比，电火花震源激发的平动和旋转分量弱了许多，电火花震源激发能量有限。

图8 电火花震源单道记录Fig.8 Single trace waveform records by spark source

3.3 两种可控震源分析

3.3.1 电火花震源

对电火花震源激发的六分量地震数据进行时频谱与振幅谱分析，结果见图9、图10，图中显示电火花震源的主能量以20 Hz以下的低频为主，频带较窄，且平动分量比旋转分量强近40 dB；低频信号存在频散现象，应是以面波为主。在时频谱图9中，各个分量的能量团位于不同的低频带中：平动的R、T分量以较高频为主，Z分量以低频为主；旋转分量中的R分量以低频能量较强，T分量以高频为主，而Z分量由低频至高频都有较强能量。平动和旋转分量的不同的时频特点提示利用旋转分量可能提供额外的不同于平动分量的有效信息。

图9 电火花观测数据时频谱Fig.9 Time-frequency spectra of observed data by spark source

图10 电火花震源六分量振幅谱Fig.10 Six-component amplitude spectra of observed data by spark source注：实线为平动分量；虚线为旋转分量

利用平动R、T、Z三分量数据绘制质点矢端偏振图，通过质点在三个平面上的偏振特点判断地震波的类型。将电火花震源记录分为0～0.7 s、0.7～1.4 s、1.4～2.0 s三个时窗，根据其时频特点对感兴趣的信号进行带通滤波再绘制矢端图。图11为0.7～1.4 s的矢端图，从图11中看到质点的椭圆偏振较强，地震信号在10 Hz以下频带中含有能量很强的Rayleigh面波；1.4 s以后，如图12所示，8 Hz以下面波能量减弱，体波较强，在8～14 Hz存在较强面波信号。从各时窗的矢端图推断电火花震源的频带中，有能量较强的是Rayleigh面波，除此之外，R、T分量上较强的能量说明还存在Love面波。

图11 0.7～1.4 s时窗滤波后矢端图Fig.11 Particle polarization diagram after band-pass filtering from 0.7 seconds to 1.4 seconds

图12 1.4～2.0 s时窗的滤波后矢端图Fig.12 Particle polarization diagrams after band-pass filtering from 1.4 seconds to 2.0 seconds

3.3.2 甲烷震源

甲烷震源S25的两个接收点分别位于珠江两侧，源检距分别约为212 m和727 m，观测系统如图1(b)所示，其中近源点与震源在珠江的同侧，远源点位于另一侧。从两个观测点的六分量时频谱图13和图14可以看出：甲烷震源激发的地震信号频率丰富，与电火花震源明显不同。近、远源点时频谱特征对比显示：近源点旋转分量上高频信号能量突出，远源点观测数据除了整个频段的能量衰减外，10 Hz以下的低频信号能量相比近源点减弱非常明显，高频信号也有所减弱，估计是珠江河道对面波传播产生的影响。

图13 S25近源接收点观测数据时频谱Fig.13 Time-frequency spectra of observed data in near receiver of source No.25

图14 S25远源接收点观测数据时频谱Fig.14 Time-frequency spectra of observed data in far receiver of source No.25

从近、远接收点的六分量振幅谱(图15)可以看出：平动与旋转分量上的主频能量在近、远接收点处存在近20 dB的衰减；近源点的高频成分在远源点上明显衰减，旋转分量上的高频成分衰减更明显，与时频特点相同；在近源点50～90 Hz的高频段平动与旋转分量均存在较强能量，说明甲烷气爆震源频带较宽。

图15 S25的六分量振幅谱Fig.15 Six-component amplitude spectra of observed data by source No.25

分别对S25的近、远源点观测数据做40 Hz以上的高通滤波，绘制矢端图，如图16所示，近源点结果中看不到明显的椭圆偏振或线性偏振，应该是面波和体波产生了混叠；远源点则是以线性偏振的体波为主，估计是河流造成面波衰减，使远源点的体波得到凸显。而在近源点时频谱图14中，40 Hz以上高频信号在旋转分量中能量非常强，结合矢端图分析可以认为高频面波在旋转分量更加明显，说明旋转分量有助于提供高频面波信息。