桂林市兴安县属于典型的喀斯特地区，覆盖层厚度较浅，岩性从粘土层到砂砾层依次渐变，底部为碳酸盐岩，横向上呈各向异性，纵向上交错发育土洞、裂隙、溶洞等局部构造，地下介质结构复杂。为了精确刻画浅覆盖层三维地质结构，过去往往直接采用钻探手段，通过取样对地下介质进行归类，为了获得较真实的地层信息，需要大量的钻孔资料，费用较高，且对场地造成了直接的破坏，不适合推广。面波勘探只需要结合少量的标定钻孔就可以通过获得的横波速度确定地下介质结构分布，该方法在工程勘察、地基处理、地震安全性评价方面具有极大的应用和推广价值。

面波主要包括瑞雷面波(Rayleigh)和勒夫波(Love)，与体波相比，能量主要集中在自由地表附近一个波长范围内，以球面扩展的形式传播，具有能量集中、衰减慢、传播距离远等优势，因此面波勘探被广泛地应用于工程勘察和固体地球物理学中。面波勘探主要利用面波的频散特性，通过提取面波不同频率的相速度反演地下介质不同深度的剪切波速度结构，以此获取地层信息。面波勘探可以分为主动源和被动源(微动)，主动源主要采用人工激发脉冲信号，被动源主要利用环境噪声。

Aki^[1]提出了空间自相关(SPAC)方法，是一种被动源面波勘探方法，开辟了该方法在工程勘察领域应用的先例。在国内，被动源面波勘探研究始于20世纪80年代, 王振东^[2]将SPAC方法引入中国并推广。随后，中国学者在被动源面波理论^[3-5]和应用方面开展了大量的研究^[6-17], 在地热探测、煤矿采空区探测、城市地质调查、活断层探测、土木工程等众多领域中取得了实用性成果。主动源面波勘探技术最早始于20世纪60年代，Jone^[18]最早采用主动源面波技术对公路地基的厚度和弹性性质进行测量估算, 并获得了较准确的试验数据，为该方法的推广应用打下了基础。中国主动源面波技术的理论研究始于20世纪80年代，杨成林^[19]开展了主动源面波勘探的研究，利用面波的频散特性提取频散曲线，并尝试用半波长法估算勘探的深度。刘云祯等^[20]开发了面波勘探数据采集系统，促进了主动源面波法在工程勘察中的应用。随后，国内学者在主动源面波理论和应用方面开展了大量的研究^[21-27]。从这些研究可以观测到，主动源与被动源面波技术在理论研究中是相互独立的，主动源面波采用人工震源加载的方式，勘探深度一般小于30 m，纵向上分辨率较高；被动源面波通过接收环境噪声，控制采集时长，能够获取更低的面波信号，反演更深的地层信息。为了获得更宽频带的频散曲线，国内外专家学者采用主动源与被动源相结合的方式，分别提取频散曲线，合并反演获取更多的地层信息^[28-30]。本次研究主要采用主动源和被动源联合的方式对整个实验区进行野外测网观测，通过提取各个测点的频散曲线精确地获取地层信息。

1.   研究区地质概况

1.1   测区地貌及水文地质特征

研究区总体地势为南低北高、东高西低，中部谷地为河流冲积阶地，地势平坦；西北角为侵蚀-剥蚀坚硬块状岩浆岩分布区；整个东部自南向北群山绵绵。研究区整体属中－中低山地貌，其中东部、西部为侵蚀构造-丘陵地貌；中部、东北部为冲洪积平原地貌，面积较小；中北部、西南部为中-中低山地貌，东南部为岩溶峰丛地貌(图 1)。

图  1  研究区地貌及地质简图

I₁—山前洪积扇堆积亚区; I₃—河流冲积阶地亚区; Ⅲ₁—中-中低山亚区；Ⅳ₁—低山丘陵亚区；Ⅵ—侵蚀-剥蚀坚硬块状岩浆岩分布区；Ⅶ₁—碳酸盐岩分布的峰林、峰丛谷地、洼地亚区；Ⅶ₂—碳酸盐岩、碎屑岩互层分布的丘岗亚区；1—河流；2—信都组二段；3—榴江组；4—第四系冲积层；5—实验区面波测网

Figure  1.  Geomorphological and geological map of study area

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研究区覆盖层为第四系冲积层(Q_al)，岩性为粘土和砂砾层；研究区南段为上泥盆统榴江组(D₃l)，岩性为微晶灰岩夹粒状灰岩；研究区北段还出露中泥盆统信都组第二段(D₂x²)，岩性为褐灰色中厚层石英砂岩、泥质粉砂岩(表 1)。地下水类型主要为松散孔隙水，含水岩组为第四系冲积层，富水性一般。

表  1  研究区地层岩性

Table  1.  Stratigraphic lithology of the study area

地层	地层代号	岩性
第四系冲积层	Qal	粘土夹粉砂、细砂
上泥盆统榴江组	D3l	微晶灰岩夹粒状灰岩
中泥盆统信都组第二段	D2x2	石英砂岩、泥质粉砂岩

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1.2   研究区地球物理特征

面波在不同结构、岩性、密度的地层中传播速度有差异，使第四系覆盖层中的砂砾层与上部粘土层存在明显的波阻抗差异，形成典型的波阻抗界面；基岩与第四系覆盖层之间也同样存在明显的波阻抗界面。基于波阻抗的差异，利用面波的频散特性，可以精确地探测浅覆盖层地下介质土层厚度、结构分布及土层与基岩面接触带起伏形态。地质资料显示，实验区面波测网分布在第四系冲积层上，表层为黄褐色粘土，下伏基岩为粒状灰岩，存在明显的波阻抗界面。基于此基础，开展三维面波勘探具有可行性和可操作性。具体物探工作测线布置见图 2。

图  2  物探工作布置图

1—河流；2—信都组二段；3—榴江组；4—第四系冲积层；5—实验区面波测网；6—测线方位

Figure  2.  Layout of geophysical prospecting work

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2.   野外工作方法

实验区位于喀斯特浅覆盖层地区，土层松散多孔，随着季节性降雨的影响，常伴随着土洞的发育，下伏地层为碳酸盐岩，随着降雨的渗透、地下水的运移，一般会在基岩与覆盖层之间形成一定规模的地下溶蚀空间，横向上呈各向异性。基于地层介质波速差异，实验采用面波勘探技术，利用面波在不同岩性地层的频散特性，获取覆盖层地下介质的横波速度分布。

2.1   主动源面波法

主要采用多道瞬态面波法(MASW), 观测系统为多个检波器直线排列方式，震源与排列方向一致，不同位置的检波器采集的面波信号具有相位差，接收到震源信号后，可以通过分析单炮记录中不同道的同相轴时序关系甄别不同类型的波组，从而使采集的面波信号相速度接近真实的面波速度。目前提取频散曲线的主要方法有频率-波数法和相位差法，本文主要采用频率波数法(F-K法)。

假定采集的地震信号是一个二维函数g(t，x)，对其时间和空间进行二维傅里叶变换得到频率波数谱S(ω，k)：

其中，k=f/v, k为波数，v为速度，实现频散曲线的提取。图 3为4线160号点主动源面波数据提取的频散曲线。

图  3  主动源面波频谱转换图

Figure  3.  Diagram of active-sourced surface wave spectrum conversion

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2.2   被动源面波法

被动源面波勘探在野外应用中主要采用空间自相关法(SPAC和ESPAC)和频率-波速法(F-K)，本文主要采用空间自相关法。空间自相关法(SPAC和ESPAC)观测系统可以为圆型、三角型、L型、线型及不规则形状，通过计算中心点与其他检波点之间的空间自相关系数，拟合第一类零阶贝塞尔函数，求取瑞雷面波的频散曲线。其理论公式如下：

其中，G_a(ω)和G_b(ω, r, θ)分别是阵列中心与周围检波点地震数据的功率谱；G_ab(ω, r, θ)是中心点与周围检波点间互功率谱；获取角频率值不同时间的空间自相关系数，对信号进行方位平均，与第一类零阶贝塞尔函数进行拟合，获得瑞雷面波频散曲线。图 4为4线160号点被动源面波数据提取的频散曲线。

图  4  被动源面波频谱转换图

Figure  4.  Diagram of passive-sourced surface wave spectrum conversion

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3.   实验方法和结果

3.1   数据采集

测区共计布置了5条测线(图 2)，测线编号依次为3x~7x，线距为15 m，测线测点点距为2 m，所有测点均采用华测RTK定位，定位精度小于5 cm，满足工作要求。

野外数据采集使用德国DMT公司研制的summit x one分布式地震仪，检波器主频为2 Hz的垂直分量检波器；其中，主动源面波采用24道接收，道间距2 m，偏移距2 m，采样频率0.5 ms，采样点数2048，震源为18磅铁锤；被动源面波采用直线型观测方式，排列长度为21道，道间距2 m，采样频率2 ms，采样时间为30 min；并分别对其10%的记录进行重复采样，确保提取的频散曲线误差在5%以内，严格控制野外实验数据质量。

3.2   数据处理

处理主动源面波数据时，首先剔除坏道，选择合适的时窗切除明显的干扰信号；其次，进行频散分析，实验主要采用频率波数法(F-K法)，通过二维傅里叶变换将采集的时间空间域数据转换为频率波数域数据，并提取频散曲线。主动源面波信号对地下不均匀体异常敏感，频散曲线在某个频率下，相速度会出现跳跃，对于这种“之”形跳跃异常，拾取频散点时要结合相应的单炮记录来判别，观测单炮记录某个测点下同相轴是否有反射现象或频率相位变化。

处理被动源面波数据时，首先剔除坏道，重新编制观测系统，确定各道之间为空间位置关系；其次，对采集的数据进行频谱分析，利用带通滤波选取合适频带范围；再次对地震记录进行切割分段，选取合适的时间段长度，设置剔除噪音的强度，再对各个时间段内计算的频谱进行平均；最后通过ESPAC法提取频散曲线。

最后将图 3、图 4中提取的主动源、被动源频散曲线进行组合，获取更宽频带的频散曲线(图 5)。

图  5  主被动源面波频散曲线合并图

Figure  5.  Combination diagram of dispersion curves of active and passive-sourced surface wave

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3.3   实验结果

图 6、图 7分别为主动源面波与被动源面波合并反演的三维横波速度切片图和三维横波速度分布图，x方向方位角为44°，y方向方位角为134°，z方向为深度，色阶大小为反演的横波速度值范围，单位为m/s。

图  6  实验区三维横波速度切片图

Figure  6.  Three-dimensional shear wave velocity slic of the testing area

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图  7  实验区三维横波速度分布图

Figure  7.  Three-dimensional shear wave velocity distribution of the tresting area

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由图 6、图 7可知，研究区地下介质横波速度值范围为161.5~519.5 m/s, 根据速度值的差异将实验区地下介质大致分为4个层位，第一层速度范围为161.5~281 m/s, 第二层速度范围为281~360.5 m/s, 第三层速度范围为360.5~400.2 m/s, 第四层速度范围为400.2~519.5 m/s。第一层介质厚度沿着x方向和y方向逐渐变薄，厚度在3~30 m之间，特别是7x测线，局部厚度达到30 m左右，而到了3x测线，厚度只有3~5 m；第二层介质厚度沿着x方向和y方向也逐渐变薄，深度范围在3~30 m之间；第三层介质只在3x和4x测线范围内出现，厚度较小，横向变化较大；第四层介质主要在3x测线范围内出现，厚度变化大，横向上分布不均匀。另外，在3x测线点号190~200 m范围内，地层介质横波速度相对围岩呈变小趋势，形态上呈“凹”形。标定钻孔在3x测线点号135 m的位置，资料显示主要含有4种不同岩性介质，分别为粘土层、粉砂质粘土、细砂-砂砾岩和灰岩，深度变化范围分别为0~3 m、3~10 m、10~15 m和15~30 m。这与按横波速度大小划分的层位一致，根据横波速度大小与标定孔的岩性分布，得出两者的对应关系(表 2)。

表  2  实验区横波速度和岩性对比

Table  2.  Comparison between shear wave velocity and lithology

层位	横波速度值/(m·s-1)	层位岩性
第一层	161~281	粘土层
第二层	281~360.5	粉砂质粘土
第三层	360.5~400.2	细砂-砂砾层
第四层	>400.2	灰岩

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4.   讨论及建议

4.1   讨论

岩溶区近地表地下介质结构相对复杂，通过提取主动源与被动源面波频散曲线、合并、拓宽频带、反演，虽然能够获得更精确的数据，但反演的横波速度也只是相对速度，不是真实速度，以此为基础划分的层位也是相对的，需要通过标定钻孔确定横波速度与岩性的对应关系来精确刻画地下介质地质结构; 标定钻孔必须满足深度要求，且包含主要的岩性层位，以便与反演的横波速度建立较准确的对应关系。

根据横波速度大小划分地下层位，结合标定钻孔的岩性分布，验证并进一步细分层位。在此基础上，对实验区地下介质的三维地质结构，包括土层厚度、结构分布、土层与基岩面接触带起伏形态及局部土洞、溶洞等进行详细的推断解释，解释结果见图 8。

图  8  实验区地质综合解释图

Figure  8.  Comprehensive geological interpretation of the testing area

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4.2   建议

岩溶区近地表覆盖层地下介质常伴随土洞、溶洞等局部构造发育，且不同岩性的地下介质横向上呈各向异性，增加了勘探的难度。利用主动源和被动源面波勘探技术进行探测，测量的数据容易受到干扰，对后续的处理解释造成困难，针对这些问题，本文采取了以下技术手段对野外数据采集、处理等过程中遇到的问题进行校正。

(1) 主动源面波受外界振动干扰，频散曲线易出现多阶能量团，影响频散曲线的拾取，可以通过增加震源强度、双边放炮等方式减少干扰，提高信噪比。

(2) 处理被动源面波数据时，由于环境过于安静导致提取的频散曲线频带较窄，可以在检波点周围不同位置人工激发多种频带的地震信号，扩充频带范围。

(3) 提取主动源、被动源面波频散曲线的过程是相互独立的，合并时应对重叠频散进行平均，再进行反演，提高准确度。

(4) 主动源面波信号对地下不均匀体异常敏感，频散曲线在某个频率下，相速度会出现跳跃，对于这种“之”形跳跃异常，拾取频散点时要结合相应的单炮记录来判别，观测单炮记录某个测点下同相轴是否有反射现象或频率相位变化。

5.   结论

(1) 在岩溶区浅覆盖层实验区采用主-被动源地震面波勘探技术，合并主-被动源面波频散曲线进行反演，可以拓宽频带，增加低频信号，提高纵向分辨率，提升探测精度。

(2) 结合少量的标定钻孔，确定横波速度与岩性的对应关系，能够精确探测岩溶区浅覆盖层地下介质土层厚度、结构分布、土层与基岩面接触带起伏形态及土洞、溶洞等局部构造。

(3) 主-被动源地震面波技术在岩溶区近地表结构探测中，经济快捷，对环境友好，重复性强，具有可行性和可操作性。