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    淺層結構背景噪聲三維成像系統

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    技術背景

    應用場景

    目前,隨著經濟建設的發展,我國的地下巖土工程越來越多,包括高層建筑的建設、橋梁以及地下空間工程。其中,未來的地下空間不僅只有地鐵、隧道、地下廣場、地下道路等幾種形式,還包括地下街、市政隧道(綜合管廊)、大型地下儲氣設施、地下雨水儲存設施、地下垃圾站房、地下車庫、地下變電站,以及大型綠地、居住區的地下空間的開發利用等形式。地下巖土工程實施過程中為避免地質災害出現,需要進行淺層地質調查,包括探查地下巖土層結構及構造發育狀況。因此,做好地質勘探,著力提高應變能力,得出與工程結合的、合理可行的技術措施和應對險情的工程預案,是施工成功的關鍵。

    現狀分析

    在地下巖土工程中,需要用地球物理探測方法技術對地下空間進行預探測,了解地下所賦存的目標體。鑒于目前地下巖土工程地球物理探測技術的現狀和應用領域面臨的問題及特點,如淺層地震勘探、電磁法等,存在以下劣勢: 地震勘探錘擊震源探測深度淺、電磁干擾源多,如金屬物等。

    該系統利用密集地震臺站采集連續背景噪音,包括潮汐撞擊海岸產生的低頻信號、地球內部的自由振蕩信號、大地震后的尾波信號、地面生產活動信號,通過臺站對的互相關和疊加處理,提取出不同頻率的基階和高階面波,從而確定從淺到深的三維橫波速度結構體,該三維橫波速度結構體對地下巖土層結構及構造發育狀況有非常好的顯現作用,能夠精準預測其空間位置和范圍。針對淺層地質調查,包括探查地下巖土層結構及構造發育狀況(活斷層),安徽萬泰地球物理技術有限公司聯合中國科學技術大學地球物理技術團隊合作研發了淺層結構背景噪聲三維成像系統。

    安徽萬泰地球物理技術有限公司淺層結構背景噪聲三維成像系統在使用過程中不需要人工震源(炸藥或者震源車),是一種綠色經濟的勘探系統,探測精度高。

    技術方案

    應用場景

    本系統通過采集環境背景噪聲信號,獲得地下三維橫波速度結構體數據,來進行淺層地質調查,包括探查地下巖土層結構及構造發育狀況(活斷層)。技術路線如圖1所示。


    核心技術

    基于密集地震臺陣的背景噪聲成像技術:

    通過對長時間采集的信號分段(通常為1小時一段)進行疊加、濾波,以提高信噪比。采用S變換,在時間頻率域進行相速度加權疊加,以提高互相關函數的信噪比,來提取穩定的面波信號、臺站間背景噪音互相關函數(縱軸臺站間距,橫軸為時間),從而面波的信號可以很清晰地識別出來。然后通過面波成像方法,確定探測區域三維各向同性和各向異性剪切波速度,進行橫波各向同性和各向異性成像。

    實施方案

    臺陣布設

    根據探測區域位置及探測深度,布設淺層地下結構背景噪聲三維成像系統臺陣,來采集探測區域及周邊環境背景噪聲?,F場臺陣采用矩形面狀分布,相鄰監測點間距50-300m,原則上是將探測區域包含在臺陣中(右圖,紅三角代表臺站)。連續觀測一段時間,對此階段的環境背景噪聲數據進行采集。


    背景噪聲三維成像系統臺陣:

    具有豐富的低頻信號采集能力,內置配有三分量地震傳感器、GPS 模組、電子羅盤、姿態傳感器、藍牙模塊以及可充電鋰電池,無需任何外部電源即可連續工作60天以上。它可以實現定時開機采集、采集結束定時關機;也可連續采集;采用USB、RS232、藍牙等多種交互工作方式;數據自動本地存儲;具有GPS授時、地理位置定位等特點。其高頻達到200Hz 以上,可以滿足瞬態面波勘探的需求。



    三維橫波速度結構體反演

    三維橫波速度結構體反演流程(圖4):

    在不同周期面波層析成像結果的基礎上,反演得到勘查區三維橫波速度結構(圖6)。

    反演每個網格的純路徑頻散,得到每個網格下方的S波速度的垂向分布。

    將反演區域按網格劃分,反演得到各周期相速度的二維分布,進而

    得到每個網格節點的純路徑頻散曲線。

    對探測區域環境背景噪聲原始數據(圖5)進行預處理。


    地下淺層結構體探測

    利用三維橫波速度結構體等地球物理信息對地下淺層結構體進行解釋(右圖)。圖中給出30、50m兩個深度的水平橫波速度結構,其中三角形代表臺站,實心黑線代表蜀山斷層。從圖中可以看出,斷層界限明顯。通過對斷層探測,地下巖土工程施工更加安全。



    項目效益

    有效減少煤礦水、火、瓦斯、煤塵與頂板事故等五大主要災害事故的發生頻度,保障煤礦安全生產,煤礦地質條件預測是關鍵。安徽萬泰地球物理技術有限公司煤礦地下結構背景噪聲三維成像系統能夠準確預測煤礦地質條件勘探中的斷層、瓦斯富集區、采空區及其空間流體的空間分布,量化其對煤礦的危險程度,減少盲目性投入,做到有的放矢。在同等面積區域的地質探測上,相比較于三維地震勘探等常規探測方法,本系統可為礦山節省大量探測成本。該系統為煤礦提供了一種新的綠色經濟有效思路,能夠高效、快速、準確的量化煤礦斷層、瓦斯富集區、采空區及其空間流體的空間分布,為煤礦生產安全提供保障。

    案例展示

    近地表結構探測

    隨著經濟發展迅速,城市圈一直在外擴,由于地處郯廬斷裂帶,存在地震風險,為降低地震災害影響,需要對其近地表結構進行探測,以確保城市工程與建筑安全以及指導未來城市規劃。由于城市人口密集性、安全以及探測深度,常規的地球物理勘探技術難以實施。

    安徽萬泰地球物理技術有限公司聯合中科大地球物理團隊利用地下結構背景噪聲三維成像系統采集環境背景噪聲,反演斷層帶位置及區域速度變化信息,以此判斷潛在的地震危險。

    5-3為現場臺陣布設圖,三角形代表臺站。圖5-4為淺層不同深度的三維橫波速度結構,從圖中可以看出由于郯廬斷裂含有巖漿侵入的變質巖相對周邊區域為高速帶(虛線代表斷層位置)。圖5-5為沿同一S波速度剖面局部地質剖面,白線代表地質上不同的地層單位,可以探測地表結構巖性變化。其中1為上白堊統砂巖;2為古元古代片麻巖;3為青白口期灰巖;4為早寒武世頁巖;5為震旦系灰巖。




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