复杂环境下城市工程地球物理技术方法综述

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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

1 中铁第四勘察设计研究院有限公司

2 中国地质调查局南京地质调查中心

3 中国地质大学地球物理与空间信息学院

导读：

近年来，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不断取得进展。 本文系统地总结了复杂城市环境的勘探技术， 逐一介绍了适用密集空间探测技术和抗干扰探测技术10余种新方法的原理、优缺点和应用条件。

文中还介绍了 多源地震勘探技术的研究进展。 多源地震勘探、联合反演和成像，综合横波速度提取， 具有广阔的应用前景。

微动谱比技术、密集台阵微动测技术、光纤声波传感技术等是复杂城市环境下勘探技术的方向。  

------内容提纲------

1 引言

2 复杂城市环境地球物理勘探技术现状

2.1 国内外城市地球物理勘探技术

2.2 复杂城市环境地球物理勘探技术

2.2.1 密集空间探测技术

   1)地质雷达法

   2)地震映像法

   3)多匝小回线瞬变电磁技术

   4)射频大地电磁法

   5)微动谱比技术

2.2.2 抗干扰探测技术

2.2.2.1 主动源地震面波技术

2.2.2.2 微动台阵技术

2.2.2.3 光纤声波传感技术

2.3 多源地震勘探技术

2.3.1 双源面波勘探技术

2.3.2 多源频率域地震勘探技术

3 结论

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1  国内外城市地球物理勘探技术现状

     国外城市开发早，但针对城市复杂环境的地球物理勘探技术相对滞后； 国内勘探技术与城市发展步骤紧密关联，并取得了系统性技术优势。 全球范围内， 发达国家或地区城市 经过最近100年的高速发展，勘察阶段场地相对单一，没有明显的建筑物阻挡和强干扰存在， 所采用地球物理勘探技术与常规方法基本一致 ， 常采用地震反射波法、高密度电阻率成像和面波法。例如， 日本 主要使用面波法、浅层地震反射法勘探； 加拿大 主要使用地质雷达法、高密度电阻率成像法、浅层地震反射波法勘探； 新加坡 主要使用高密度电阻率成像、浅层地震反射波法、测井及井中物探。

我国 系统性针对城市区域地下空间的地球物理勘探工作始于2003年， 城市环境的探测过程中，地面往往为正常的城市环境，各类人文活动照常进行，这给探测工作带来了严重的限制 。经过近20年的技术积累和工程实践，在适用于复杂城市环境的探测技术中有所突破，具有代表性的是多匝小回线瞬变电磁法、射频大地电磁法、光纤声波传感技术和二维微动剖面探测技术。

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2为我国南方城市某公路一处岩溶检测的地震映像法成果图，图2(a)为波形特征解释法剖面，通过波形的连续性和绕射特征可以判定出岩溶发育的位置和深度，图2(b)为频率特征解释法剖面，低频区域对应的是岩溶发育区。

（3）多匝小回线瞬变电磁技术

瞬变电磁法在城市勘探中遇到三个方面的困难： 线圈过大、盲区影响勘探有效深度和抗干扰能力弱，其应用受到严重限制，因此发展出施工相对灵活的多匝小回线采集装置的瞬变电磁技术，在保证勘探精度的同时，更加适应复杂环境勘探的需要。 为了降低或避免盲区的影响，在实现多匝小回线瞬变电磁技术时就出现两种策略： 通过快速关断技术来实现一次场的影响，进而实现压缩盲区的效果；另外一种方案，是采用了一对上下平行共轴的相同线圈，其中分别通以反向电流作为发射源，在两个线圈合成的一次场零磁通平面上进行测量对地中心耦合的纯二次场(等值反磁通瞬变电磁法，编者注)。 多匝小回线瞬变电磁技术可有效消除接收线圈本身的感应电动势且减少旁侧影响，实现了瞬变电磁法0 〜 100m的浅层勘探，且抗干扰能力强，可用于城市环境的地质勘探。

多匝小回线瞬变电磁技术相较于常规瞬变电磁法设备所获取的数据，原始数据质量改善明显，适合于城市部分地区的岩溶、覆盖层等探测工作。 数据采集过程中，应避免5m范围内的金属、构筑物对电磁波场的扰动影响，此类近场干扰会对数据质量带来直接的干扰，进而给解释带来困难 。

(4) 射频大地电磁法

射频大地电磁法(RMT)是在地质雷达法、可控源音频大地电磁法(CSAMT)和大地电磁法(MT)的基础上发展起来的一种浅部频率域电磁勘探方法。 RMT以无线电台、潜艇等发射的高频电磁波作为信号源，通过采集远区的电磁场计算视电阻率等参数，最终实现浅地表电性结构的探测。RMT探测频带约为1k 〜 1000kHz，设备小巧，适用于城市环境100m以浅的探测。

近年来，浅地表环境中介质的电阻率和介电常数各向异性已逐渐被人们所认识，随着计算机的快速发展，RMT三维反演也已经逐渐被应用于实际生产中，并在数据解释方面发挥着重要作用。

射频大地电磁法作为电磁法一种重要浅部频率域电磁勘探技术，在城市环境应用中不可避免地受到工区旁边电磁性介质的影响，在相对开阔或干扰稳定的情况下开展工作为宜。

(5) 微动谱比技术

微动谱比法也被称为微动H／V谱比法、单点H／V谱比法或Nakamura方法，是基于单点三分量数据中水平分量和垂直分量的谱比特征进行地层属性反演的勘探技术。 该方法简便经济、对环境无干扰等很多优点，特别适合应用到城市中，很快在世界各地得到应用。

基于国内外众多学者的实践，认为场地微动谱比的谱形非常稳定，只有少数例外；在软土场地上有一卓越峰值，在坚硬场地上几乎是平的；微动谱比的峰点与地表和基底水平向地震动谱比的基阶卓越频率相关等。

微动谱比法理论基础和结果与场地动力特性的关系一直没有得到学术界的一致公认，成为场地动力特性估计中最有名的争论焦点。

实际观测和数值模拟结果都表明，微动谱比的幅值会随微动中各波成分变化，阻抗比和泊松比对瑞利波椭圆率幅值也有重要影响，很难直接估计场地的放大效应。应用中微动谱比与地震动H／V的谱形有较好的相关性，相似程度取决于场地条件。微动谱比法的分析计算看起来极其简单，具体实施时在观测系统、观测条件、记录的选取方法、具体计算细节、结果的分析解释等方面都有不同的选择，还没有统一的规范。不同研究者选择不同，结果必然会有差别，其中可能还会有一些误用，在此基础上对微动谱比法进行研究，必然很难达成统一认识结论。需通过研究，建立微动谱比法一般的数据采集、分析和结果解释的规范。

目前，大多数研究者倾向于微动谱比的竖向信号主要成分为瑞利波，水平成分为瑞利波和勒夫波及它们的高阶分量，微动谱比可以用瑞利波基阶椭圆率解释，用体波解释微动谱比的观点将被放弃。 尽管峰值依赖于场地速度结构和噪声源的位置有多种解释，如瑞利波椭圆率、勒夫波艾力相位或S波共振等，微动谱比法总可以给出场地的基阶共振频率或卓越周期。如果基岩定义为波速大于1500m/s，微动的H／V与地震动的H／V、水平谱比的峰值频率总是很一致； 但是微动谱比曲线的峰值小于3、覆盖层与基岩波阻抗比非常小或基岩埋藏非常浅时，需要格外小心。

微动谱比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谱比曲线的策略， 且获取的速度本质上为真地层速度，天然具有抗干扰能力和高精度特征，这点在复杂城市环境的勘探技术中具有明显优势， 但该方法在反演过程中比较依赖初始模型速度，这要求该方法需要在掌握较为准确的表层速度前提下开展。

2.2 抗干扰探测技术

复杂城市环境中因充斥了各类 电磁波和机械波 干扰源，需要针对这两类干扰源需在方法和设备上进行突破。 抗电磁波干扰方面， 主要采用各类电磁波屏蔽技术，目前可实现100MHz以上的电磁波的有效屏蔽，基本满足工程应用要求，但该频段探测深度有限，严重限制了应用范围。 抗机械波干扰方面， 主要干扰源为随机的强震干扰，抗干扰有两种策略：提高震源信号的抗干扰能力和提高数据特征提取技术的抗干扰能力。 基于这两种策略就被分为两个方面的抗机械波干扰方法： 基于城市可控震源的地震反射波法和基于被动源平稳信号的特征信息提取技术。在基于被动源平稳信号的特征信息提取技术中，主动源地震面波技术、微动台阵技术、微动谱比技术和分布式光纤声波传感技术的抗干扰能力较强， 其中微动和光纤声波传感技术因同时具备抗干扰要求和绿色环保要求引起了业内的注意，并得到应用。

2.2.1 主动源地震面波技术

利用人工震源激发产生的弹性波在介质中传播，通过分析、处理和提取面波频散信息，反演地下横波速度等地层属性的变化规律，进而实现地质结构探测的方法。实施过程中，通常将单分量垂直检波器成排列布置，在排列一端移动偏移距情况下激发震源，获取地震面波记录，再对获取的数据进行频散曲线提取和反演，进而获得地层属性。

主动源地震面波技术采用直线规则排列方式进行数据采集，通常沿街道布置测点，辅以人工或机械震源，作业过程简单、高效，对浅部地层结构有较好的分辨能力，反演所获取的速度为真实地层速度，具有工程设计参考意义， 但是在房屋密集区作业中无法满足测点规则布置的要求，且勘探深度有限。

2.2.2 微动台阵技术

地表时刻存在着的由人文活动、海浪等非地震引起的微弱振动称为微动。其表现为连续的扰动，在常规地震勘探中被作为噪音背景处理。 微动台阵技术是以平稳随机过程理论为依据，通过特定观测装置获取天然垂直向下的微动信号，从微动信号中提取面波的频散曲线，对频散曲线进行地层属性反演的技术，具有较强的抗机械干扰能力。 按照数据采集的装置类型不同，可分为“直线型”、“内嵌三角型”、“同心圆型”、“十字型”、“L型”等（图3），嵌三角型和直线型台阵方式为最常采用形式。

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）。  

图4 多源频率域地震勘探技术流程

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”为系数调整的标准。

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。

3   结论

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。

-------END------

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。   

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