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浅层结构背景噪声三维成像系统

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技术背景

应用场景

目前,随着经济建设的发展,我国的地下岩土工程越来越多,包括高层建筑的建设、桥梁以及地下空间工程。其中,未来的地下空间不仅只有地铁、隧道、地下广场、地下道路等几种形式,还包括地下街、市政隧道(综合管廊)、大型地下储气设施、地下雨水储存设施、地下垃圾站房、地下车库、地下变电站,以及大型绿地、居住区的地下空间的开发利用等形式。地下岩土工程实施过程中为避免地质灾害出现,需要进行浅层地质调查,包括探查地下岩土层结构及构造发育状况。因此,做好地质勘探,着力提高应变能力,得出与工程结合的、合理可行的技术措施和应对险情的工程预案,是施工成功的关键。

现状分析

在地下岩土工程中,需要用地球物理探测方法技术对地下空间进行预探测,了解地下所赋存的目标体。鉴于目前地下岩土工程地球物理探测技术的现状和应用领域面临的问题及特点,如浅层地震勘探、电磁法等,存在以下劣势: 地震勘探锤击震源探测深度浅电磁干扰源多,如金属物等

该系统利用密集地震台站采集连续背景噪音,包括潮汐撞击海岸产生的低频信号、地球内部的自由振荡信号、大地震后的尾波信号、地面生产活动信号,通过台站对的互相关和叠加处理,提取出不同频率的基阶和高阶面波,从而确定从浅到深的三维横波速度结构体,该三维横波速度结构体对地下岩土层结构及构造发育状况有非常好的显现作用,能够精准预测其空间位置和范围。针对浅层地质调查,包括探查地下岩土层结构及构造发育状况(活断层),安徽万泰地球物理技术有限公司联合中国科学技术大学地球物理技术团队合作研发了浅层结构背景噪声三维成像系统。

安徽万泰地球物理技术有限公司浅层结构背景噪声三维成像系统在使用过程中不需要人工震源(炸药或者震源车),是一种绿色经济的勘探系统,探测精度高。

技术方案

应用场景

本系统通过采集环境背景噪声信号,获得地下三维横波速度结构体数据,来进行浅层地质调查,包括探查地下岩土层结构及构造发育状况(活断层)。技术路线如图1所示。


核心技术

基于密集地震台阵的背景噪声成像技术:

通过对长时间采集的信号分段(通常为1小时一段)进行叠加、滤波,以提高信噪比。采用S变换,在时间频率域进行相速度加权叠加,以提高互相关函数的信噪比,来提取稳定的面波信号、台站间背景噪音互相关函数(纵轴台站间距,横轴为时间),从而面波的信号可以很清晰地识别出来。然后通过面波成像方法,确定探测区域三维各向同性和各向异性剪切波速度,进行横波各向同性和各向异性成像。

实施方案

台阵布设

根据探测区域位置及探测深度,布设浅层地下结构背景噪声三维成像系统台阵,来采集探测区域及周边环境背景噪声。现场台阵采用矩形面状分布,相邻监测点间距50-300m,原则上是将探测区域包含在台阵中(右图,红三角代表台站)。连续观测一段时间,对此阶段的环境背景噪声数据进行采集。


背景噪声三维成像系统台阵:

具有丰富的低频信号采集能力,内置配有三分量地震传感器、GPS 模组、电子罗盘、姿态传感器、蓝牙模块以及可充电锂电池,无需任何外部电源即可连续工作60天以上。它可以实现定时开机采集、采集结束定时关机;也可连续采集;采用USBRS232、蓝牙等多种交互工作方式;数据自动本地存储;具有GPS授时、地理位置定位等特点。其高频达到200Hz 以上,可以满足瞬态面波勘探的需求。



三维横波速度结构体反演

三维横波速度结构体反演流程(图4):

在不同周期面波层析成像结果的基础上,反演得到勘查区三维横波速度结构(图6)。

反演每个网格的纯路径频散,得到每个网格下方的S波速度的垂向分布。

将反演区域按网格划分,反演得到各周期相速度的二维分布,进而

得到每个网格节点的纯路径频散曲线。

对探测区域环境背景噪声原始数据(图5)进行预处理。


地下浅层结构体探测

利用三维横波速度结构体等地球物理信息对地下浅层结构体进行解释(右图)。图中给出3050m两个深度的水平横波速度结构,其中三角形代表台站,实心黑线代表蜀山断层。从图中可以看出,断层界限明显。通过对断层探测,地下岩土工程施工更加安全。



项目效益

有效减少煤矿水、火、瓦斯、煤尘与顶板事故等五大主要灾害事故的发生频度,保障煤矿安全生产,煤矿地质条件预测是关键。安徽万泰地球物理技术有限公司煤矿地下结构背景噪声三维成像系统能够准确预测煤矿地质条件勘探中的断层、瓦斯富集区、采空区及其空间流体的空间分布,量化其对煤矿的危险程度,减少盲目性投入,做到有的放矢。在同等面积区域的地质探测上,相比较于三维地震勘探等常规探测方法,本系统可为矿山节省大量探测成本。该系统为煤矿提供了一种新的绿色经济有效思路,能够高效、快速、准确的量化煤矿断层、瓦斯富集区、采空区及其空间流体的空间分布,为煤矿生产安全提供保障。

案例展示

近地表结构探测

随着经济发展迅速,城市圈一直在外扩,由于地处郯庐断裂带,存在地震风险,为降低地震灾害影响,需要对其近地表结构进行探测,以确保城市工程与建筑安全以及指导未来城市规划。由于城市人口密集性、安全以及探测深度,常规的地球物理勘探技术难以实施。

安徽万泰地球物理技术有限公司联合中科大地球物理团队利用地下结构背景噪声三维成像系统采集环境背景噪声,反演断层带位置及区域速度变化信息,以此判断潜在的地震危险。

5-3为现场台阵布设图,三角形代表台站。图5-4为浅层不同深度的三维横波速度结构,从图中可以看出由于郯庐断裂含有岩浆侵入的变质岩相对周边区域为高速带(虚线代表断层位置)。图5-5为沿同一S波速度剖面局部地质剖面,白线代表地质上不同的地层单位,可以探测地表结构岩性变化。其中1为上白垩统砂岩;2为古元古代片麻岩;3为青白口期灰岩;4为早寒武世页岩;5为震旦系灰岩。




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