高分辨率表面波方法在寺庙“活地”勘察中的应用

图 1 某寺庙“活地”，隆起范围 2.3m×1.8m

在某寺庙殿厅的一侧出现了地面每年不断隆起的神奇现象（见图1），造成上面的地砖被掀起，当地群众称之为“活地”。有趣的是，殿厅内的另一侧则无明显地面隆起，殿厅外的沥青路面有两处幅度较小的隆起。该寺庙建在较陡的山坡上。

为科学解释该现象，地质学者进行了一系列的调查，考虑到寺庙周边地质情况，初步推测该“活地”可能由膨胀土引起，但膨胀土产生膨胀的条件是遇到地下水等类型的流体。在进一步详细调查时，考虑到寺庙无法开挖、钻孔的特殊情况，初步考虑采用非破损的瞬态表面波物探方法进行探测。

图 2 寺庙殿厅尺寸及测线位置

寺庙殿厅比较狭小，尺寸仅为 10m×6m（见图 2），在如此狭小的区域内，地下的地质情况存在差异。从寺庙边上水井的水位看，该区域的地下水位约在3m左右。为调查清楚“活地”下面地基的地质及流体情况，面波勘探需要获得地下 4～5m介质的高分辨率的较为精确的纵向二维剖面图。而传统多道瞬态面波勘察技术（MASW），为了在低频区更精确的确定相位速度，需要尽可能的使用长的检波器排列，对于该场地，若采用 24 道检波器进行布置，最大仅可布置 23×0.4m（道间距）的固定排列。但是长的检波器排列会降低勘探的横向分辨率，这是因为传统的多道瞬态面波技术获得的是整个排列长度的平均速度模型。而且，受场地范围限制，无法移动排列，仅可获得一维的剪切波速结构。若减小道间距，又会影响探测的有效深度。另外，数值模拟表明在横向非均匀介质中存在面波频散曲线存在分叉现象，这会造成剪切波速结构的准确程度可能无法满足项目的要求，无法了解地层的横向差异。

为解决上面提及的一些问题，在项目实际勘察中采用了日本OYO公司的高分辨率表面波探测方法，地震仪使用McSEIS-SW 24 道浅层地震仪，解释软件为SeisImager/SW表面波反演软件。该方法采用多点震源激发，并加入CMP分析，数值模型和现场观测的波形数据分析表明该方法相比传统多道瞬态面波方法，可以大大提高地下S波速度结构的精度和横向分辨率。在勘察中，为了解“活地”区域与周围地下介质的差异，在“活地”及其两侧分别布置了 3 条测线，其中测线 3 位于寺庙殿外、靠山坡的位置。如图 3 所示。

图3 OYO 高分辨率表面波方法现场图片及观测系统

绿色圆点为震源位置，黄色圆点为检波器位置

该方法中CMP相关校正分析的数据采集方式类似于二维地震反射勘探。数据处理看上去有点类似于二维地震反射勘探数据的CDP共深度点分析，但是不同的是，初始波形的相关校正在CMP分析之前就计算了。

CMP相关校正分析的数据处理包含以下几个步骤：

第一步，对每炮数据的每一对的道数据进行相关校正计算。

第二步，将具有共中心点的相关道抽取出来放在一起，那些相同间距的道数据在时间域叠加。合成的相关校正道集类似于炮集，被看作是CMP相关校正道集。

第三步，对CMP相关校正道集进行多道分析，计算表面波的相位速度。

最后，通过非线性最小平方反演建立二维的S波速度剖面。

最后经软件分析获得的 3 条测线的地下地层 S 波波速二维纵向剖面图见图 4。

图4 OYO 高分辨率表面波获取的二维 S 波波速剖面图

“活地”下 4m 左右深度的地层，S 波波速非常低，而其他两测线同深度地层的 S 波波速较高。结合当地地质情况判断，可能是风化岩石裂缝中的地下水流体，造成了覆盖在其上的膨胀土不断产生膨胀，引起了殿厅内地面的隆起。

OYO 高分辨率表面波探测结果与实际地面隆起情况相吻合，该方法可有效提高探测的横向分辨率和准确性；而且在狭小的受限场地，也可获得地下介质的 S 波速度纵向二维剖面。