微动H/V谱比法在城市浅层地质勘查与探测中的应用
1 深圳市水务规划设计院股份有限公司
2 深圳市新通物探工程有限公司
3 中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所
第一作者：曹鹏涛，硕士，工程师，主要从事工程物探、工程检测相关方法技术研究工作。
随着城市地下空间开发利用的步伐加快，城市地质调查物探工作任务日益增多。然而，受限于城市场地条件和强干扰电磁环境的影响，提升地球物理探测效果迫在眉睫。微动H/V谱比探测方法是一种有效的城市地球物探测技术，具有良好的场地适应能力、抗干扰性以及施工快捷方便的优点。微动H/V谱比探测方法可以表示为微动水平分量与垂直分量的功率谱之比，H/V谱频率和土层频率之间存在密切关系。为了探索该方法在城市浅层地质勘查与地下异常体探测中的有效性及其特性，本文开展了地下空间、构筑物、孤石、疏松富水岩土层以及正常岩土层等不同地下结构模型及地下异常体的H/V谱比法正演模拟研究，分析总结了不同岩土层结构中地下异常体的H/V谱比特征及其变化规律。研究表明，微动H/V谱比法在城市浅层地质勘查与探测中具有良好的勘查效果，尤其对地下土层中的空洞、孤石、疏松体、富水区域等地下病害体具有较强的识别能力。在城市强背景噪声环境中，H/V谱比法为浅层地质勘查与地下病害体探测提供了一种环境适应性强、快速有效的新技术方法。基金项目：深圳市水务规划设计院股份有限公司科技项目(编号：B202207)
1 引言
2 物探方法原理
2.1 微动法的原理
2.2 微动H/V谱比法
3 H/V谱比法正演模拟
3.1 H/V谱比正演模拟算法
3.2 正常地下岩土层结构模型
3.3 覆盖层中存在孤石的岩土层结构模型
3.4 地下岩土层中存在疏松、富水的岩土层结构模型
3.5 地下浅层存在地下空间、构筑物等的岩土层结构模型
3.6 小结
4 微动H/V谱比法城市地质勘查探测应用实例
4.1 岩溶发育区域地下岩土层土洞探测
4.2 地下岩土层中填石、孤石探测
4.3 基坑周边地下土体中疏松、富水区域探测
5 结论
微动探测方法在国内外受到广泛关注，野外操作简单，具有较强的抗干扰性、无损性、经济性，适合城市强干扰条件下进行浅层地质结构探测，并且能够适应各种复杂的场地环境。微动H/V谱比法是微动探测方法中一种更为便捷、直观的方法，H/V谱比法由NakamuraY提出，可以表示为微动水平分量和垂直分量的功率谱之比，典型的H/V谱比曲线具有一个明显的峰值频率。闫国钰等通过微动数据与电法剖面对比分析，验证了微动谱比法在构造发育地形切割强烈的山区地层划分与隐伏构造探测方面具有巨大优势，可以提供纵横向分辨率更高的剖面，对异常刻画更为精细，可以获取准确的地层信息。吴明和通过对实际隐伏桩基案例探测证明了微动谱比法简单高效，能够直观反映出岩土层差异，可以快速定位地下异常体具体位置。Gribler等在2016年提出一种微动频散谱比联合反演方法，可以用于提高覆盖层较浅的基岩横波速度预测精度。土层的剪切波速度与瑞利面波之间具有相关性，Nakamura Y研究表明，仅用一个三分量检波器观察到的地脉动水平向和垂直向(H/V)谱比与场地垂直入射剪切波(S波)的放大因子相似；Nogoshi等研究证明地脉动H/V谱得出地脉动的主要成分是瑞利波。大量研究表明，微动的H/V谱可以反映场地的剪切波速度(VS)剖面，对于不同的VS结构地层，面波具有不同的水平分量与垂直分量的H/V谱，面波的H/V谱能够反映不同地层的VS结构剖面。大量的试验数据与实测案例数据证明H/V谱频率和土层频率有着密切关系，利用H/V曲线探测地下结构关键特征是可以由峰值振幅确定是否存在刚性地层，通过理论公式确定刚性层的埋深，并且可以通过H/V曲线在形态上的变化来推测地层中存在横向介质的特异性，H/V谱比法比较常用的一个特性是可以利用H/V峰值频率探测基岩埋深。 为了探索微动H/V谱比法在城市浅层地质勘查与地下异常体探测中的有效性及其特性，本文首先对地下不同岩土层结构与地下异常体模型进行H/V谱比正演模拟，分析不同岩土层结构与不同地下异常体H/V谱比曲线规律。在正演模拟的基础上，通过实测微动H/V谱比法物探成果与地质资料验证对比，分析评价该方法在城市强干扰环境中勘测的有效性，验证了微动H/V谱比法在城市浅层地质勘查与探测中具有一定的勘查效果，尤其对地下土层中的填石、孤石、疏松体、富水区域等地下病害体具有较强的识别能力。微动探测方法通过采集台阵接收自然界存在的微弱震动信号，包括信号低于1Hz的风速变化、海浪、潮汐等自然现象的低频信号，与信号高于1Hz的车辆、场地施工、人类日常活动产生的高频震动信号。尽管微动信号中的振幅和形态随时空变化而变化，但在一定时空范围内具有统计稳定性，可用时间和空间上的平稳随机过程描述。浅层地表微动探测利用微动信号中频率大于1Hz的高频段信号，这些信号的震源主要与人类活动(交通工具、机器震动、场地施工等)有关，震源主要产生于地表，一般来自附近震动源，震源较近时微动波场包含体波与面波，距离较远时面波能量占主要成分。微动是一种没有特定震源的微弱震动，也是由体波(P波和S波)和面波(瑞利波与勒夫波)组成的复杂震动。其中面波能量占信号总能量的70%以上；面波是一种沿介质自由表面传播的弹性波，其传播规律反映了传播途经中所涉及介质的弹性参数、速度结构特征。地下岩土层的面波传播速度与剪切波速度基本相等，对于岩石，二者差别不超过8%，对于土体，二者只有5%左右的差别，因此可以利用它们进行勘察。面波在地下岩土层中传播时具有频散现象，微动探测从采集的微动信号中提取面波频散曲线，对频散曲线进行反演，获得地下岩土层速度结构，从而实现对地下岩土层结构与不良地质体的勘查。微动H/V谱比法是一种更为便捷、快速的方法，H/V谱比法是由NakamuraY提出，可以表示为微动水平分量和垂直分量的傅里叶谱之比，典型的H/V谱比曲线具有一个明显的峰值频率。一般H/V谱比法是通过三分量微动节点中的两个相互正交的水平分量傅里叶变换功率谱，与垂直分量傅里叶变换功率谱相比获得。通常情况下，面波中的基阶瑞利波H/V谱比峰值频率及谷频率与场地观测到的地脉动峰值频率及谷频率一致，通过对场地的地脉动H/V谱反演，可估计出场地的VS速度结构。微动H/V谱比法计算公式如下。 ![]()
(1)![]()
(2)式(1)中，PNS(w)和PEW(w)是两个互相正交的垂直水平分量频谱，式(2)中，PUD(w)是垂直分量的频谱。式(2)中，P(w)为频率为w的傅里叶变换功率谱，L为不相互重叠的数据段总数，|SXl(w)|为第l个数据段的傅里叶变换。微动H/V谱不总是与基阶瑞利波的H/V谱相一致，这可能是地脉动中存在高阶瑞利波、Love成分，H/V谱比计算时需要考虑到基阶与高阶面波不同成分波的影响。不同面波成分的H/V谱比计算公式如下：![]()
(3)式(3)中，的PHS(w)和PVS(w)分别为水平分量与垂直分量的所有波的功率谱，PHR(w)和PHL(w)分别为瑞利波水平分量的功率谱和Love波水平分量的功率谱。H/V曲线有明显的峰值频率，单台数据无法区分微动是由体波还是面波组成，很难判断H/V峰值是由于体波中S波在松散沉积层的共振引起，还是瑞利面波极化作用或Love波震相引起。SehtIV通过模拟试验，表明微动H/V峰值频率与波场组成没有太大关系，与松散沉积层的共振频率相吻合，并且H/V曲线的峰值频率与松散沉积层的平均剪切波速和覆盖层厚度相关，通过场地效应的传递函数，获得了H/V谱比峰值频率与场地覆盖层厚度与覆盖层加权平均剪切波速度之间的相互关系。![]()
(4)式(4)中，VS为场地各岩土层的平均剪切波速度(m/s)；Do为场地覆盖层厚度(m)；f0为H/V谱比峰值频率(Hz)。场地地下岩土层的剪切波速度VS通过微动观测台阵空间自相关法(Spatial Autocorrelation Methad，SPAC)提取频散曲线获得，f0峰值频率由微动观测单台水平分量与垂直分量功率谱相比获得，将频散曲线频点按照微动H/V谱比曲线中频点进行相应离散，根据公式(4)将微动H/V谱比频率域数据换算到深度域，计算公式为 ![]()
(5)式(5)中，的Hm为微动H/V谱比频率域不同峰值频域对应深度域计算深度。本文中采用的H/V谱比正演模拟算法理论，为Antonio Garcia-Jerez等在2106年提出的，利用H/V谱比和环境噪声干涉理论格林函数之间的联系，通过建立不同的地质结构模型，进而可以进行正演计算谱比H/V曲线，以及可以对计算正演的H/V谱比曲线进行反演计算。微动是由地球表面的多个随机震源产生，包括多重散射的影响，这表明微动包含的各种波的强度可以用类散射方程进行描述。在这个理论框架内，在一个给定的接收器上，在频域内计算各种波运动的平均自相关，以及振动波的平均能量密度，该密度与格林函数(Green’s Function，GF)的虚部成正比。假设地震背景噪声是一个包含所有类型的弹性波的漫散射波场，可以根据震源处格林函数的虚部计算水平层状介质表面振动信号的H/V谱比。该理论将三维结构中各种振动波的平均能量密度与三维结构中的格林函数联系起来，并将微动H/V谱比视为介质的固有特性。这个假设的基础是漫散射场和格林函数之间的联系，漫散射场的平均能量密度与震源处格林函数(GF)的虚部之间成比例关系，将微动H/V谱比表示为格林函数虚部对应张量比值的平方根。在三维满散射场中，谐波位移矢量场ui=(x，w)，在弹性介质中xA和xB点运动的平均互相关关系可以写成下式![]()
(6)![]()
(7)![]()
(8) ![]()
(9)式(6)～式(9)中，ui为谐波位移矢量场，Im指虚部，Gij(xA，xB，w)为格林函数；exp(iwt)中的i为虚数单位，w为角频率，t为时间；k为剪切波波数，β为剪切波传播速度；ES为剪切波能量密度，为漫散射场强度表达方式，ρ为质量密度，S2剪切波的平均谱密度；在等式(6)中*表示复共轭，<>角括号表示方位角平均。在式(6)中假定xA=xB，将式(6)重写为式(10)，即可获得在xA点的能量密度，对于重合震源点与接收点，在某一点上的总能量密度与格林函数张量虚部成正比。![]()
(10)假定微动的地震波场是散射的，微动H/V谱比定义为下式![]()
(11)式(11)中的E1、E2表示稳定能量密度，下标1、2表示水平方向能量，下标3表示垂直方向能量。对微动谱比H/V解释的一个主要成分是瑞利波椭圆率，在式(11)中，微动H/V谱比为散射场的稳定能量密度，该密度与震源处的格林函数成正比，结合式(10)和式(11)，微动H/V谱比可以表述为下式![]()
(12)式(12)将平均能量密度与地下介质三维结构中的格林函数联系起来，并将微动H/V谱比视为介质的固有特性。本文中构建4种地质结构模型，分别为正常地下岩土层结构模型，由浅至深岩土层速度结构逐渐增大；地下覆盖层中存在孤石模型；地下浅层土层中存在疏松、富水、空洞等低速异常区域模型；地下浅层存在地下空间如地下车库、地下室、地下构筑物等高速异常体模型。各种地质结构模型与对应的H/V谱比曲线如图1～图3所示。 地下岩土层结构模型中土层结构变化以剪切波速度(VS)大小变化模拟，正常岩土层结构中土层、风化层、基岩层，由浅至深剪切波速度VS逐渐增大。其中浅层为覆盖层，VS较小，为200～300m/s；中间层为风化岩层，VS为300～500m/s；深层为完整基岩层，VS大于500m/s。层间距为10m，共计5层。从正演的谱比H/V曲线(图1)可以看出，正常岩土层结构由浅至深对应的谱比H/V曲线在低频2Hz左右为最大峰值[图1(b)中红色圈]，该峰值对应地下土层与岩层的界面；高频段H/V曲线轻微高低起伏变化，不同频率峰值对应浅部覆盖层中土层速度和密度变化较大的土层界面。模拟在花岗岩地区浅部覆盖层中存在硬质夹层类似孤石的高速体岩土层结构，地质结构模型中的岩土层结构变化以剪切波速度(VS)大小模拟。其中浅层为覆盖层VS较小，为200～300m/s；中间层为风化岩层，VS为300～500ms/；覆盖层中模拟孤石体的VS为300～500m/s，类似花岗岩不同程度风化残留强风化、中风化孤石体；深层为完整基岩层，VS大于500m/s。层间距为5～15m。为了模拟花岗岩地区浅部覆盖层中不同深度、不同大小的孤石体对谱比H/V曲线的影响，构建了不同深度处孤石VS高速体岩土层结构模型，各岩土层模型参数如表1所示。其中模型1的孤石体深度为20～30m，孤石体VS为500～520m/s，基岩深度大于40m；模型2的孤石体深度为5～10m，孤石体VS为300～400m/s，基岩深度大于30m；模型3的孤石体深度为8～10m，孤石体VS为300～400m/s，基岩深度大于25m；模型4的孤石体深度为5～7m，孤石体VS为300～400m/s，基岩深度大于25m。各孤石体模型正演对应的谱比H/V曲线如图2所示，从图2(a)孤石体模型1对应的谱比H/V曲线可以看出，H/V最大峰值频率在低频处2Hz左右，该峰值对应土层与基岩层分界面；模型1在深度20～30m土层中存在VS值相对较高的硬质夹层，模拟土层中存在孤石体，该孤石体高度为10m左右，模拟土层深部存在块径较大孤石体；孤石体模型1对应谱比H/V曲线在高频段形成一处峰值相对较小的峰值[图2(a)中红色圈]，该峰值对应频率为6Hz左右，由于该模型1中孤石体深度大靠近基岩面，孤石体对应谱比H/V曲线峰值较小。从孤石体模型2对应的谱比H/V曲线[图2(b)]可以看出，H/V曲线最大峰值频率在低频处3Hz左右，该峰值对应土层与基岩层分界面；孤石体模型2在深度5～10m土层浅部处存在VS值相对较高的硬质夹层，模拟土层中存在孤石体，该孤石体高度5m左右模拟土层浅部中等块径孤石体，对应谱比H/V曲线在高频区域形成一处峰值相对较小的峰值[图2(b)中红色圈]，该峰值对应频率为9Hz左右，由于该孤石体埋深浅，孤石体速度相对土层变化较大，孤石体对应谱比H/V曲线峰值明显容易识别。从孤石体模型3对应的谱比H/V曲线[图2(c)]可以看出，H/V曲线最大峰值频率在低频处4Hz左右，该峰值对应土层与基岩层分界面；孤石体模型3在深度8～10m土层中存在VS值相对较高的硬质夹层来模拟土层中存在孤石体，该孤石体高度2m左右模拟土层中部小块径孤石体，对应谱比H/V曲线在高频区域没有形成对应峰值，由于该孤石体埋深较大，并且块径较小，孤石体对应的谱比H/V峰值难以识别[图2(c)中红色圈]。从孤石体模型4对应的谱比H/V曲线[图2(d)]可以看出，H/V最大峰值频率在低频处4Hz左右，该峰值对应土层与基岩层分界面；孤石体模型4在深度5～7m土层处存在VS值相对较高的硬质夹层，来模拟土层存在孤石体，该孤石体高度为2m左右，模拟土层浅部存在小块径孤石体，对应谱比H/V曲线在高频段形成一处相对较小的峰值[图2(d)中红色圈]，该峰值对应频率为9Hz左右，由于该孤石体埋深浅，速度相对土层变化较大，孤石体对应谱比H/V峰值明显容易识别。3.4 地下岩土层中存在疏松、富水的岩土层结构模型模拟地下岩土层中存在疏松、富水等低速体的岩土层结构，地质结构模型中的岩土层结构变化以剪切波速度(VS)大小模拟。其中浅层为覆盖层，VS较小，为200～300m/s，覆盖层中疏松、富水区域以VS小于200m/s的相对较低土层模拟；中间层风化岩层VS为300～500ms/，深层为完整基岩层，VS大于500m/s。层间距为8～10m。为了模拟在覆盖层中不同深度、不同大小的低速体对谱比H/V曲线的影响，构建了不同深度处、不同大小VS低速体岩土层结构模型，模拟地下土层中土洞、疏松、富水区域，各岩土层模型参数如表2所示。其中模型5的低速体深度为20～30m，低速体VS为130m/s，模拟地下土层深部大范围疏松土体；模型6的低速体深度为15～20m，低速体VS为130m/s，模拟地下土层中部深度小范围疏松土体；模型7的低速体深度为5～10m，低速体VS为110m/s，模拟地下土层浅部深度大范围含水率较高土体；模型8的低速体深度为5～7m，低速体VS为160m/s，模拟地下土层浅部深度小范围含水率较高土体。从图3的低速体模型正演的谱比H/V曲线可以看出，覆盖层、风化层土体中土层结构变化在H/V曲线高频段形成的峰值都相对较小，表现为多峰型谱比曲线，峰值小于2；各模型中低速体深度范围对应谱比H/V曲线在对应高频段为谷值。从低速体模型5对应的谱比H/V曲线[图3(a)]可以看出，H/V曲线最大峰值频率在低频处1Hz左右，该峰值对应土层与基岩层分界面；低速体模型5土层在深度20～30m处存在VS值相对较小的软质夹层，模拟土层中存在疏松土体，该低速体高度10m左右，模拟土层深部大范围低速体，对应谱比H/V曲线在低频段2～3Hz左右形成一处相对明显下凹的谷值[图3(a)中红色圈]，由于该低速体速度相对上下完整土层速度值变化较大，低速体对应谱比H/V谷值明显容易识别。从低速体模型6对应的谱比H/V曲线[图3(b)]可以看出，H/V曲线最大峰值频率在低频处1Hz左右，该峰值对应土层与基岩层分界面；低速体模型6的土层在深度15～20m处存在VS值相对较小的软质夹层，模拟土层中存在疏松土体，该低速体高度5m左右，模拟土层深部小范围低速体，对应谱比H/V曲线在低频段3～4Hz左右形成一处明显下凹的谷值[图3(b)中红色圈]，该低速体埋深大范围小，低速体速度相对上下完整土层速度值变化较大，低速体对应谱比H/V谷值较为容易识别。从低速体模型7对应的谱比H/V曲线[图3(c)]可以看出，H/V曲线最大峰值频率在低频处2Hz左右，该峰值对应土层与基岩层分界面；低速体模型7在土层深度5～10m处存在VS值相对较小的软质夹层，模拟土层中存在疏松土体，该低速体高度5m左右，模拟土层浅部大范围低速体，对应谱比H/V曲线在低频段6～7Hz左右形成一处明显下凹的谷值(如下图3(c)中红色圈所示)，由于该低速体埋深较小，范围相对较大，低速体VS速度相对上下完整土层变化较大，低速体对应谱比H/V谷峰值较为容易识别。从低速体模型8对应的谱比H/V曲线[图3(d)]可以看出，H/V曲线最大峰值频率在低频处2Hz左右，该峰值对应土层与基岩层分界面；低速体模型8在土层深度5～7m处存在VS值相对较小的软质夹层，来模拟土层中存在疏松土体，该低速体高度2m左右，模拟土层浅部小范围低速体，对应谱比H/V曲线在低频段10～11Hz左右形成一处较为明显下凹的谷值[图3(d)中红色圈]，由于该低速体埋深浅范围相对较小，低速体对应谱比H/V谷峰值较难识别。3.5 地下浅层存在地下空间、构筑物等的岩土层结构模型模拟地下土层浅部存在地下空间、地下车库、地下构筑物等大范围、大区域的高速异常的岩土层结构，地质结构模型以剪切波速度VS变化大小表示。其中浅层为覆盖层，VS较小，为200～300m/s，在浅层10～20m区域存在一处VS大于400m/s的相对较高层，模拟浅部土层中地下空间、地下车库、地下构筑物等区域；中间层为风化岩层，VS为300～500m/s；深层为完整基岩层，VS大于500m/s。层间距为8～10m，共计6层。从地质模型正演的谱比H/V曲线(图4)可以看出，由于浅层存在VS值相对土层较大的高速地下构筑物，导致谱比H/V曲线最大峰值在高频7Hz左右，该峰值对应浅层高速地下构筑物层[图4(b)中红色圈]。在低频处2Hz左右存在一处峰值相对高频处较低的峰值，该峰值对应覆盖层与基岩面的分界面[图4(b)中浅蓝色圈]。并且也可以看出，在VS值较大的地下构筑物层之下为VS相对较小的覆盖层，对应谱比H/V曲线上存在下凹趋势。通过以上不同地质结构模型谱比H/V正演，可以看出不同类型的谱比H/V曲线所对应的地质结构如下：1)地下岩土层分布相对均匀，一般表现为覆盖层与基岩分界面形成较大波阻抗，谱比H/V曲线为单峰型，峰值频率对应深度为覆盖层与基岩面分界面。2)谱比H/V曲线为双峰型，一般表现为在不同深度存在两处波阻抗较大地层，此形状的H/V曲线表明，在基岩面上方可能还存在一个波阻抗较大地层，如存在孤石体、地下构筑物，其中孤石体对应的峰值谱比值相对基岩面较小，地下构筑物对应的谱比值相对基岩面较大。3)谱比H/V曲线为多峰型，一般表现为在H/V曲线高频段，存在多处幅值较大的H/V峰值与谷值，对应频段H/V曲线峰值量值大，多峰，杂乱，此形状H/V曲线说明地下岩土层结构已经破坏，出现病害的可能性很大，如存在地下土体疏松、富水区域。根据不同地质体模型正演微动H/V谱比曲线的规律，开展了微动H/V谱比法实测应用，在城市环境中由于场地条件的限制，现场微动数据采集台阵布设类型为直线型(图5)，道间距2～5m，采集时长15min，12道节点，采集数据频带范围0.4～30Hz。对微动采集数据进行预处理，剔除干扰较大采集时间数据，根据H/V谱比计算公式获取每个台站对应的不同频率H/V数据，将每个台站的H/V曲线数据经过插值平滑处理，获得每个微动排列的H/V谱比等值线剖面。微动测线获得的各台站H/V谱比曲线与微动排列H/V等值线剖面，根据正演模拟H/V曲线规律，分析H/V曲线的形态、峰值频率、峰值与谷值特征，结合微动视横波速度剖面对地下岩土层中的异常体、目标体进行分析。各应用案例说明如下。测区A在岩溶域区，沿市政道路布设直线型微动排列。测区A微动测线l长度为33m，该测线覆盖范围地下岩土层结构划分根据微动视横波速度剖面，结合地勘资料，分析地下4～7m为碎石填土层(视横波速度值为160～220m/s)；地下6～10m为细砂层、淤泥质土层、粉砂质黏土层(视横波速度值为220～270m/s)；地下7～15m为残积土层(视横波速度值为300～330m/s)，地下12m以下为微风化大理岩层(视横波速度值为大于390m/s)。测区A测线1覆盖范围岩面整体起伏较大，基岩溶蚀程度较大，溶蚀凹槽发育。测线l对应的H/V谱比等值线剖面图中[图6(a)中红色圈]，在里程桩号3～7m，对应频段17～22Hz，该区域为谱比数值低值异常圈闭区域；H/V谱比等值线剖面中异常部分对应的单台HVSR曲线[图6(c)、图6(d)]也可以看出，在高频段15～25Hz对应的HV幅值相对较低；H/V谱比低值异常区域在对应的视横波速度剖面图中，为测线水平里程4～7m，深度-10～-6m范围，视横波速度等值线为下凹低速异常区域[图6(b)中红色圈]。微动视横波速度与H/V谱比两种属性分析相互对比验证，推测异常区域为土洞发育范围。圈定的异常区域经钻探验证，在对应深度区域为一处渐变性土洞发育区域。测区B因修建地下输水管道，在顶管过程中发现多处存在填石、孤石区域，需要查明设计线路沿线地下土层中填石、孤石具体的分布范围与埋深。现场数据采集沿输水线路布设直线型微动排列，测区B测线2覆盖范围地下岩土层结构根据微动测线视横波速度剖面结合区域地质资料分析，地下4～11m为杂填土层(视横波速度值为220～270m/s)，地下8～20m为残积土层(视横波速度值为270～300m/s)，地下14～22m为全风化花岗岩土层(视横波速度值为300～330m/s)，地下19～24m为强风化花岗岩(土状)(视横波速度值为330～400m/s)，土状强风化花岗岩之下为块状强风化花岗岩。从测区B测线2对应的H/V谱比等值线图中可以看到，在测线里程4～8m、频段16～18Hz范围存在一处H/V值大于0.4的异常圈闭区域[图7(a)中红色圈]，周围土层H/V值为0.2左右，从H/V剖面中异常区域对应的单台HVSR曲线[图7(c)、图7(d)]也可以看出，高频段14～18Hz对应的H/V幅值相对较高；H/V谱比异常区域在对应的视横波速度剖面中[图7(b)]，在测线里程4～8m与10～14m、深度-6～-4m范围，为杂填土层中视横波速度相对较高的高速异常区域，两种属性分析相互对比验证，推测异常区域为填石分布范围。图7 填石层H/V谱比等值线剖面图与视横波速度剖面测区B微动测线3对应的H/V谱比等值线图中在里程52～56m、60～63m、频段20～28Hz，为H/V幅值高值异常圈闭区域[图8(a)]，从H/V剖面中异常区域里程54m[图8(c)]、里程62m[图8(d)]对应的单台HVSR曲线也可以看出，在高频段20～28Hz[图8(c)]与频段16～25Hz[图8(d)]谱比H/V幅值相对较高；这两处H/V谱比异常区域在对应的视横波速剖面图中[图8(b)]在测线里程48～56m、60～66m、深度-6～-4m范围为视横波速度值相对较高的高速异常圈闭区域，两种属性分析相互对比验证推测异常区域为孤石范围。在后续顶管作业过程中验证在圈定异常区域为两处孤石。测区C某基坑周边发生变形，造成基坑周边路面出现裂缝，需要查明基坑周边地下土层中疏松区域、土体富水区域。从测区B微动测线4覆盖区域对应的H/V谱比等值线剖面图中可以看到，在测线里程30～36m、高频段15～20Hz范围，为H/V谱比低值圈闭区域[图9(a)中红色圈]；从H/V等值线剖面中低值异常区域对应的单台HVSR曲线也可以看出，在频段15～20Hz，H/V值相对较低，为谷值区域[图9(c)、图9(d)中红色圈]；H/V谱比异常区域在对应的视横波速度剖面[图9(b)]中，在测线里程30～36m、深度3～5m，微动视横波速度为200～160m/s，该范围土层为粉细砂与粉质黏土，该区域视横波速度值与周边正常地层相比，表现为较明显的低速异常，低速圈闭特征明显，推测该区域土体结构已经破坏，土体疏松，该区域出现病害的可能性很大。图9 疏松土体H/V谱比等值线剖面与视横波速度剖面
传统地球物理探测方法在城市强背景噪音环境下，勘探效果受各种场地条件干扰，物探效果较差。微动H/V谱比法探测方法具有场地适应能力强、施工快捷方便、有一定的抗干扰能力的优点，野外操作简单。数据处理利用微动排列单台H/V曲线、微动排列H/V等值线图可以快速、直观地反映出地下岩土层结构差异，快速定位地下异常体位置与范围。本文在微动H/V谱比正演与实测应用中获得以下结论：1)H/V谱比曲线对埋深较浅的孤石体以及埋深较大的大块径孤石体，H/V曲线峰值明显容易识别；对埋深较大的小块径孤石体，H/V曲线峰值不明显，较难识别；孤石体对应的H/V峰值小于基岩面对应峰值。对地下土层中大范围异常区域，H/V曲线存在明显下凹谷值，容易识别，对小范围低速异常区域，H/V曲线下凹谷值不明显，较难识别。地下浅层大范围构筑物的H/V谱比曲线在高频段峰值大，明显容易识别，并且该峰值大于土层与岩层界面在低频段形成的峰值。2)H/V谱比法实测效果说明了该方法在城市浅层地质勘查与探测中具有一定的勘查效果，尤其对地下土层中的填石、孤石、土洞、疏松区域、富水区域等地下病害体，具有较强的识别能力，为城市强背景噪声环境物探勘测提供了一种快速准确的解决方案。3)微动H/V谱比法在城市浅层地质勘查与探测中还存在以下几点需要改进，H/V谱比法对地下岩土层中的地质异常体深度估算存在误差，为进一步提高探测精度与异常体深度，还需要参考钻孔资料；对地下土层中波阻抗差异较小的地质异常体反映不明显，不足以作为单一的判断依据，需要结合VS剖面联合分析。-------END------
原文来源：曹鹏涛，裴洪军，周鹏，等.微动H/V谱比法在城市浅层地质勘查与探测中的应用[J].工程地球物理学报，2024，21(4)：597-610.
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