[0001] 本发明属于岩土勘探技术领域，尤其涉及一种基于震源的面波体波综合勘探系统及勘探方法。

[0002] 本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

[0003] 体波分为纵波(P)和横波(S)。地震波在地下的反射和折射蕴涵着丰富的信息。体波是由震源振动直接产生在地球内部传播的地震波。目前一般采用体波进行地质勘探。面波(surface wave)是地震波的一种，主要在地表传播，能量最大，波速约为3.8千米/秒，低于体波，往往最后被记录到。如果地震非常强烈，面波可能在震后围绕地球运行数日。面波实际上是体波在地表衍生而成的次生波。面波的传播较为复杂，既可以引起地表上下的起伏，也可以是地表做横向的剪切，其中剪切运动对建筑物的破坏最为强烈。面波对于陆地数据全波形反演带来极大挑战。虽然面波会被部分拟合，但面波残差依然是比体波部分大很多，所以面波携带的模型深部信息无法被提取。

[0004] 发明人发现，由于面波携带的模型深部信息无法提取，仅仅采用体波进行波形反演进行地质勘探，降低了勘探结果的准确性，无法为实际地下工程施工提供准确的指导勘探意见。

[0033] 下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

[0034] 应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

[0035] 需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

[0036] 参照图1，本实施例提供了一种基于震源的面波体波综合勘探系统，其包括震源装置、检波器和主控模块。

[0037] 在具体实施过程中，震源装置包括震源及驱动控制模块，所述震源安装在刀盘上，所述震源与驱动控制模块相连，主控模块用于通过驱动控制模块调节震源支撑在掌子面上，震源用于接收主控模块的激发指令并进行震源激发。

[0038] 如图2所示，震源装置拥有固定系统，可安装在盾构机刀盘处进行激震，探测结束后拆下，不影响盾构机施工；所述震源拥有无线控制系统，使用方便，无需人工锤击，可满足盾构机刀盘环境使用需求；所述震源激震强度及频率可调节，满足多种探测条件使用需求，且震源一致性相较于普通人工震源更好；所述震源可以返回震源波形数据，可用于后期数据处理，提高反演质量。

[0039] 本实施例的此震源可分别用于地表与盾构隧道，用于地表时使用方法与其他人工震源相同，将震源固定在地表，进行激发探测即可。

[0040] 在盾构机停机期间，将震源安置在刀盘位置，通过固定螺栓1将震源安装在刀盘滚刀开孔处，随后调节支撑柱5将震源支撑在掌子面。其中，支撑柱5与驱动控制模块相连。其中，所述驱动控制模块包括液压系统和震源控制器，所述震源控制器与主控模块相连，所述震源控制器用于接收主控模块的指令并控制液压系统动作。

[0041] 安装完成后，通过主控模块(例如：无线控制器)控制震源激发，激震过程由主控模块(例如：无线控制器)发出指令，震源控制器2接收指令，通过液压系统3控制激震锤4工作。

[0042] 液压系统3的油泵与激震锤4之间的连接管路上还设置有传感器，传感器与震源控制器2相连，能够将震源激震的实时数据传输回主控模块，可监测震源工作状态。震源的激震强度及频率均可调节，满足不同埋深的使用需求。

[0043] 震源工作时，将震源信号检波器6固定在掌子面上，用于接收震源信号，将信号传回主控模块，用于后续数据处理。

[0044] 在一些实施例中，震源拥有卫星定位与时间系统，卫星定位系统用于计算埋深深度与炮检距，时间系统用于控制并记录激发时间。这样震源开机时可对震源进行定位，测量震源埋深，为观测系统的布置提供指导。

[0045] 探测结束后，控制支撑柱5及激震锤4收回，将震源从刀盘上卸下。

[0046] 本实施例的震源装置自动化程度高、效率高，不干扰盾构机施工，满足城市浅埋隧道安全、高效探测的要求。

[0047] 在本实施例中，检波器在地表沿盾构机掘进方向线性布置，用于采集震源波形信号。在地表沿盾构机掘进方向线性布置的检波器构成地表观测系统，如图3所示，其测线布置长度及首个检波器与盾构机刀盘水平距离应足够长，应检波器数量不少于12个，采样率不低于2kHz，为确保数据质量与反演精度，数据采集时间应足够长。

[0048] 在具体实施过程中，主控模块用于对震源波形信号进行预处理，并分离面波和体波；根据分离后的面波数据进行基‑高阶联合反演；根据分离后的体波数据获得反射成像剖面；再根据基‑高阶联合反演得到横波速剖面与地层厚度，基于反射成像剖面获得地下波速成像，并结合这两种反演结果对目标区进行综合判识。

[0049] 具体地，对采集到的数据进行预处理，如图4所示，具体步骤包括去除仪器响应、重采样、去均值、去线性趋势、带通滤波、时间域归一化、谱白化以及面体波分离，通过数据预处理，以获取较高质量的虚源炮集记录和体波数据，降低后续的频散曲线提取与反演存在的误差。

[0050] 采用f‑k滤波对所述数据进行面体波分离，f‑k滤波方法是基于二维傅里叶变换，将时间空间域的数据f(t,x)通过傅里叶变换转换到频率波数与F(f,k)，即：

[0051]

[0052] F(f,k)为频率波数谱

[0053] 其中，f是频率k是波数，t是时间x是距离。

[0054] 由于面波与体波在波速上存在较大差距，利用这一性质，可在f‑k域设计滤波器：

[0055]

[0056] D是频率波数谱上的某一区域。根据体波与面波在f‑k域上的分布情况，确定区域D的形状，进而通过滤波器分离体波与面波数据，最后通过反变换，分别将体波与面波数据反变换回t‑x域。

[0057] 面波反演：

[0058] 将分离后的面波数据进行分段，通过相移法计算频散能量谱，对所有段的频散谱进行筛选，将符合条件的频散能量谱进行叠加，提取频散曲线，根据地质资料建立初始模型，进行基‑高阶联合反演。联合反演目标函数可以表示为：

[0059]

[0060] 式中：VR基阶反演表示反演得到的基阶频散曲线，VR高阶反演表示反演得到的高阶频散曲线。VR基阶实测和VR高阶实测为要拟合的目标频散曲线。α1和α2分别表示基阶和高阶频散曲线的权重系数，且α1+α2＝1；m、n是频率点数。权重系数表示不同模态频散曲线在中深部地层速度的敏感程度，高阶模态的频散曲线相对于基阶频散曲线在中深部地层的速度更敏感。

[0061] 体波反演：

[0062] 点源激发下的频率域声波方程：

[0063]

[0064] 其中，G(x,xA,ω)指震源在x处，检波点在xA处的波传播格林函数的频率域表示，ρ(x)和υ(x)分别是传播介质的密度和速度，ω是角频率，δ(x‑xA)是脉冲震源。

[0065] 接收点A、B间格林函数G(xA,xB,ω)为：

[0066]

[0067] 其中， 是任意封闭区间，ni＝(n1,n2,n3)表示该区间的法向向量，R{}为取实部计算。在实际应用中，假设均匀介质、密度和速度为常数等，公式(2)简化为：

[0068]

[0069] 利用所述震源返回的震源函数N(x,ω)，则A,B两点地震记录为：

[0070]

[0071] 将公式(4)代入公式(3)中得：

[0072]

[0073] 其中，S(ω)是随机噪声功率谱；<>代表空间加权平均。

[0074] 通过公式(5)获得拟炮集记录，将炮集记录按主动源反射地震流程处理，可获得反射成像剖面，如图5所示。

[0075] 综合解译：

[0076] 地震面波具有频散的特征，即面波的传播速度随频率的变化而改变，同时其采样深度一般随着周期而增加，因此通过面波频散信息可以有效约束地下速度结构。从背景噪声提取中短周期的面波信号，有效提高了面波成像的分辨率，面波频散反演得到的是路径上的平均结构，对S波绝对速度敏感，往往恢复平滑的横波速度结构，难以约束精细的间断面结构。体波接收函数通过径向分量与垂向分量的远震体波记录反卷积来消除震源及传播路径的影响，进而获得与检波器下方结构有关信息。接收函数对台站下方断面结构敏感，广泛用于过得平均波速比或者反演精细的横波速度结构，但接收函数反演往往高度依赖于初始模型，存在强非唯一性。只利用面波频散或者体波接收函数反演存在明显不足，联合两种数据能够优势互补。很好的弥补单一数据反演出现问题，提高反演结果的可靠性。

[0077] 如上述所述的基于震源的面波体波综合勘探系统的勘探方法，其包括：

[0078] 将震源安装在盾构机刀盘位置，盾构机停机时，在掌子面激发地震波，同时采集震源波形信号；

[0079] 对震源波形信号进行预处理，并分离面波和体波；

[0080] 根据分离后的面波数据进行基‑高阶联合反演；根据分离后的体波数据获得反射成像剖面；

[0081] 再根据基‑高阶联合反演得到横波速剖面与地层厚度，基于反射成像剖面获得地下波速成像，并结合这两种反演结果对目标区进行综合判识。

[0082] 地震面波具有频散的特征，即面波的传播速度随频率的变化而改变，同时其采样深度一般随着周期而增加，因此本发明通过面波频散信息可以有效约束地下速度结构。从背景噪声提取中短周期的面波信号，有效提高了面波成像的分辨率，面波频散反演得到的是路径上的平均结构，对S波绝对速度敏感，往往恢复平滑的横波速度结构，难以约束精细的间断面结构。体波接收函数通过径向分量与垂向分量的远震体波记录反卷积来消除震源及传播路径的影响，进而获得与检波器下方结构有关信息。接收函数对台站下方断面结构敏感，广泛用于过得平均波速比或者反演精细的横波速度结构，但接收函数反演往往高度依赖于初始模型，存在强非唯一性。只利用面波频散或者体波接收函数反演存在明显不足，联合两种数据能够优势互补。很好的弥补单一数据反演出现问题，提高反演结果的可靠性。

[0083] 以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。