基于CMPCC处理技术的多道面波法在岩溶探测上的应用

杨 耀，朱德兵

(中南大学 地球科学与信息物理学院，湖南 长沙 410083)

1 引 言

伴随着国内城市化节奏的加快，人类工程活动日益活跃，由此引发的地质灾害(滑坡、地裂缝、地面塌陷、路基下沉、基坑垮塌等)频现。为解决此类病害问题，人们渴望对与人类生产生活息息相关的近地表介质(地质结构、地质工程、物性等)能有一个充分细致的了解，以便“对症下药”。在近地表介质探测中，横波速度(VS)因具有较高分辨率和可实现的优势，成为了一个重要的探测参数。而由于横波在面波传导过程中起主要作用，可以从面波数据中推导出横波速度，因此，具有非侵入性、效率高、能量大、信噪比高、较高精度、抗干扰能力强、频散(相速度随频率变化)等优势的多道面波分析法成为了近年来人们的重点研究领域。

面波可分为瑞雷波(Rayleigh Waves)、勒夫波(Love Waves)和其他面波。其中，瑞雷波由纵波(P波)和横波垂直分量(SV波)相互干涉形成，能量强，易于野外采集，是面波重要的研究对象。通过数据分析(拾取频散曲线和反演横波速度)，可以获得较准确的近地表横波速度，自面波应用于近地表探测至今，其分析手段主要包括表面波谱分析法(Spectral Analysis of Surface Waves，SASW)和多道面波法(Multichannel Analysis of Surface Waves，MASW)。SASW只用一对检波器采集[1]，通过多次改变道间距来获取频散数据[2]，导致采集和处理费时费力，而MASW采用多道采集(>12道)，不仅能高效地获得基阶和高阶模式频散数据[3]，还可通过调整采集参数(最小偏移距，道间距，排列长度)拾取较高精度的频散曲线[4]，经过近20年的发展，具有高效、较高精度等特点的MASW法已发展成主流的面波分析方法[5]。

面波分析方法主要利用面波在层状介质中的频散特性达到探测的目的，而近地表介质受人类活动影响往往具有横向不均匀特性(采空区、岩溶、断层、塌陷等)，此类模型复杂，频散函数不存在解析解，使得无法利用频散方程来准确模拟其频散曲线，只能通过物理模拟[6]和数值模拟[7]。根据物理模拟试验[6]，发现空洞非均匀介质模型在空洞上方附近，采用宽带接收换能器的多道面波方法获取观测的速度-频率曲线出现明显的之字形特征，且速度-频率曲线剖面图上表现为低速异常，这为MASW法应用到复杂近地表介质上提供了重要依据。面波速度实质反映的是一个排列地下的平均速度，排列越短横向分辨率越高，而MASW通过增加排列长度提高反演横波速度的准确性，针对这一矛盾关系，日本学者仿照多次覆盖地震反射数据采集方法，提出了共中心点互相关道集(Common Mid Point Cross Correlation, CMPCC)二维面波方法[8]，通过对单炮记录任意共中心点两边对称道进行互相关计算，以及多炮叠加技术，CMPCC方法可提取出精确的频散曲线，获得横向分辨率较高的二维横波速度剖面。国内根据该方法思路开展了大量的工作[9-12]，获得了丰富的实际工程经验，并取得了一定的应用效果，但大多直接使用原始数据进行CMP叠加处理,在计算频散曲线时易受高阶模态面波发育等因素的干扰,从而影响最终的解释结果。

近年来，为了更准确地解决实际工程问题，降低野外工作对解释结果的干扰就显得格外重要，笔者采用骄佳技术公司Geogiga Surface Plus 软件的CMPCC模块功能，依照对原始数据进行互相关计算后再进行覆盖叠加处理的步骤，在湘桂铁路DKXXX+490～650段Ⅳ道路基右肩的岩溶探测资料的处理解释上进行了应用，期待为后续的施工提供更准确的参考资料。

2 CMPCC处理技术

1)数据采集：CMPCC法采用浅层反射波地震勘探的多次覆盖观测系统进行野外数据滚动或固定排列采集，单边放炮24道接收，每炮数据记录保存为共炮点道集(CSP道集)，如图1所示。

2)生成互相关道：对每炮记录(CSP道集)的任意两道进行互相关计算，把得到的相位差数据保存为新的道记录，如图2所示,单排列，单边激发24道接收。

图2 相关道位置示意图Fig.2 Section diagram of cross-correlation position

3)生产CMPCC道集：所有炮集中属于同一中心点的互相关道记录保存为新道集，其中首先把具有相同道间距的相关道进行叠加，然后按照道间距的大小，把不同道间距形成的相关道记录从小到大排列，形成CMPCC道集，达到将地层横向细分为类“Δ”模型的目的，如图3所示，滚动排列，单边激发24道接收，炮间距等于1个道间距，其中绿色直线上所有的相关道有序重组为CMPCC道集，中心点编号23，测点位置25。

图3 CMPCC道集示意图Fig.3 Section diagram of CMPCC gathers

4)CMPCC道集合并：道间距越小，横向分辨率越高[13]，在给定排列长度的情况下，减小道间距可以改善横向分辨率。基于这个思路，将相邻CMPCC道集进行合并。如图3所示，CMP编号23的CMPCC道集在未合并前，前后互相关道间距为2个道间距，将其与CMP编号22、CMP编号24的CMPCC道集进行合并后，前后互相关道间距减小成1个道间距，生成一个新的CMPCC道集。

图4 1#测点实测资料Fig.4 Measured data from point 1#

5)提取频散曲线：对每一个CMPCC道集按照MASW方法进行波场分析，提取频散曲线。

6)生成浅层横波速度剖面：对所有频散曲线利用遗传算法进行全局非线性优化反演得到一维横波速度剖面，再按照空间插值的思路构建二维横波速度剖面。

3 处理效果对比分析

面波探测大体可分为3个步骤[14-19]：数据采集、拾取频散曲线、反演横波速度。其中正确拾取频散曲线是成功应用面波探测地下结构的关键。通过大量实测数据的处理，发现相比常规的MASW法，基于CMPCC处理技术的MASW法在处理效果上能够得到改善和提升,限于篇幅，本文例举了在湘桂铁路某段实际应用中3种情况下的实例。

1)低频段能量混乱：以1#测点(水平桩号+505)为例，基于CSP道集x-t域利用相移法波场转换到f-v域(图4a)，高频段(40～50 Hz)多阶模式能量清晰可辨，16～28 Hz范围内多阶模式并称，背景干扰明显，低频段(8～16 Hz)能量混乱，已无法清晰可辨地拾取到基阶模式频散数据；而基于CMPCC道集x-t域利用相移法波场转换到f-v域(图4b)，高频段(32～50 Hz)1阶模式能量最大，背景噪音得到明显压制，中低频段(12～32 Hz)基阶模式能量突出，清晰可辨，干扰信号得到明显滤除。

2)中高频段多阶模式混乱：以2#测点(水平桩号+568)为例，基于CSP道集x-t域利用相移法波场转换到f-v域(图5a)，高频段(40～50 Hz)基阶模式能量可辨，16～40 Hz范围内基阶模式能量被压制，高阶模式能量强而混乱，低频段(12～16 Hz)基阶模式能量清晰可辨；而基于CMPCC道集x-t域利用相移法波场转换到f-v域(图5b)，高频段(32～50 Hz)基阶能量清晰可辨，中低频段(12～32 Hz)基阶模式能量清晰可辨，高阶模式能量受到一定压制，背景噪音得到明显滤除。

图5 2#测点实测资料Fig.5 Measured data from point 2#

图6 3#测点实测资料Fig.6 Measured data from point 3#

图7 湘桂铁路DKXXX+490～650段Ⅳ道路基右肩MASW成果Fig.7 MASW results of Xiang-Gui railway DKXXX + 490～650 section Ⅳ subgrade right shoulder

3)低频段能量缺失：以3#测点(水平桩号+642)为例，基于CSP道集x-t域利用相移法波场转换到f-v域(图6a)，中高频段(16～50 Hz)基阶能量最大，清晰可辨，高阶模式能量受到明显压制，背景噪音得到明显滤除，低频段(4～16 Hz)基阶模式能量缺失，各类背景干扰明显；而基于CMPCC道集x-t域利用相移法波场转换到f-v域(图6b)，中高频段(16～50 Hz)基阶能量最大，清晰可辨，高阶模式能量受到明显压制，背景噪音得到明显滤除，低频段(4～16 Hz)基阶模式能量突出，清晰可辨，背景噪音同时得到增强,但不影响频散数据的拾取。

综上所述，采用CMPCC处理技术可以改善频率-速度域的信噪比，增强有效拾取频散曲线的概率。

4 工程实例

在探测岩溶洞穴这类横向不均匀模型的实际生产过程中，大量的实例证明了基于CMPCC处理技术的MASW法的有效性。限于篇幅，本文仅例举1个工程实例，工点地处广西桂林，属铁路既有线路基，道砟厚约0.8 m，地面上高压线密布。工作参数为：滚动排列采集，锤击震源，炮间距2 m，最小偏移距6 m，道间距2 m，24道2 Hz速度检波器，Geode地震记录仪。

图7为湘桂铁路DKXXX+490～650段Ⅳ道路基右肩基于CMPCC处理技术的MASW成果图，目的是探测注浆后的岩溶，并在物探数据采集前收集到+587、+631处钻孔资料(表1)。

表1 钻孔地层描述

综合钻孔资料分析认为：测段覆盖层厚度3.6～7.9 m，VS小于300 m/s；+503～+512段10.2 m以深15.5 m以浅的范围内岩溶发育，VS小于600 m/s；+514～+565段基岩面以深16.8 m以浅的范围内岩溶发育，VS大约为300～600 m/s；+575～+606段基岩面以深18.5 m以浅的范围内岩溶发育，VS大约为300～600 m/s；+614～+642段基岩面以深18.9 m以浅的范围内岩溶发育，VS大约为300～600 m/s。从中不难看出，反演横波速度重构的浅层地质结构信息丰富、细节清晰、层位准确。

5 结 论

1)通过上述工程实践不难看出，CMPCC处理技术可以实现对高阶模态面波的一定压制，改善频散成像质量；

2)CMPCC处理技术的核心思想就是通过重组道集的方式重构地下地层模型，构建上窄下宽的类“Δ”模型以便在局部近似水平层状模型，达到充分利用已有成熟理论和软硬件的目的。通过基于CMPCC处理技术的MASW法的解释成果与钻孔资料的对比结果证明，其在探测岩溶时的应用效果是有效和可靠的，能为实际工程问题的解决提供较准确的定性、半定量的指导意见。在今后的工程勘察中，尤其是城区、运营铁路等强干扰环境下的地球物理勘探技术选取上，多道面波法仍会扮演重要角色。