城市地震勘探中声噪压噪的试验研究
时间：2023-02-25 13:45:07 来源：千叶帆 本文已影响人
刘建生, 蒋正中, 罗水余, 雍 凡
(1.中国地质科学院 地球物理地球化学勘查研究所，廊坊 065000;2.国家现代地质勘查工程技术研究中心，廊坊 065000)
城市的快速建设和可持续发展进程使地震勘探服务于越来越多的城市[1]，在高效快速采集地震数据的同时，遇到了城市道路需要无损化施工，硬化的路面无法埋置地震检波器，城市中特有的人文活动及各种噪声带来的较强干扰，影响了地震数据的采集效果等问题[2]。地震检波器检波干扰信号通常来自地面的振动干扰和空气中的噪声干扰，其中的噪声干扰是城市地震勘探面临解决的难题，这些噪声的频率、速度与有效信号重叠在一起，很难将它们完全分开，极大地降低了地震资料的信噪比以及分辨率。
噪声来源复杂，大体归为环境噪声、次生噪声和系统噪声，如在地震激发前就存在的风噪、声噪(可控震源车噪音)等干扰；
又如放炮后产生的，主要由于介质的不均匀造成的弹性波的散射，以及来自于任意方向的、相位变化毫无规律的波的叠加等还有仪器自身产生的噪声[3-4]。
所有地震勘探方法包括石油勘探、煤田勘查和工程勘察等，都在数据采集中特别重视对环境噪声的压噪，通常采用在地面挖坑深埋检波器来避免空气中的音频噪声，也有挖坑埋设检波器，采用地震检波器防噪盔[5],但是在城市地震勘探中，受硬化地面限制，往往现有压噪措施都无法顺利实现，大多数情况下只能采用组合检波加后期数据处理方式实现。本项研究试图在城市地震勘探数据采集过程中，直接压制音频。城市地表可分为两种情况：①城市绿化带和一些空地可以正常埋置检波器;在绿化带和空地;检波器可以正常埋置;组合检波；
②水泥混凝土地面和柏油路面，无法正常埋置检波器，通常采用石膏粘接或者检波器重靴安置检波器。城市地震勘探中的干扰来自地面和空气中，笔者专门针对空气中传播的声噪开展降噪研究[6]，利用目前工业上获得广泛应用的声障墙的材料，开展现场数据采集实验，以期找到减小声波干扰进行噪声压制的有效办法。
地震勘探采用美国Geometrics 公司生产的Geode地震仪，28Hz检波器进行数据采集，北奥特种车有限公司生产的KZ28可控震源作激发震源。
声学噪声是地震记录上常见的噪声，主要来自于震源激发，在单炮记录上表现为视速度为340 m/s的线性的相关噪声。对于可控震源激发的记录，在小偏移距的地震道还可以观测到由震源机械工作产生的噪声。在城市环境中，较强的环境噪声也会造成地震记录上部分随机噪声。
2.1 隔音降噪试验
地震勘探中，环境噪声在随机噪声中占有很大比重，而风噪和各种声噪占据很大成分。本次研究首先分析地震记录中的典型声学噪声的特点和产生原因，然后选用微孔声障材料、透明声障材料、发泡铝材料、真空双层金属罩和水袋等材料制作了降噪装置，并在室内对比了各种装置的隔音效果。
城市环境中各种各样的声音通过空气传播直接被检波器接收[7]，在炮集上表现的斜率-速度为340 m/s的声噪。降低声噪或者消除声噪通常有前期的物理降噪和后期的数字处理降噪。前期的数据采集时物理方法降低声噪更直接有效。声噪的物理阻断方法有很多：①吸音声障材料隔断;②给声音传播增加一个屏蔽层，使其产生衰减达到隔断作用。
图 1为第一类隔断声音传播常见材料：发泡铝、微孔声障材料、右透明声障材料。它们的特点是直接吸收声音。发泡铝除了超轻的特性外，具有吸音，隔音，吸能及电子屏蔽电磁波的作用，这些特性使它在军事，火车，轮船，建筑等领域受到广泛重视。
图1 几种降噪装置Fig.1 Several noise reduction devices
水袋降噪是属于第二类降噪装置，是在检波器周围建立声音屏蔽层，声噪由空气-水袋-空气-检波器传播过程，产生衰减达到降噪目的(图2)。
图2 水袋降噪装置Fig.2 Water bag noise reduction device
真空双层金属罩降噪装置(图3)是由真空不锈钢器皿构成的，像保温瓶那样在双层玻璃中间有银镀层，抽真空后密封即可保温、隔热、阻碍声音传播。
在室内采用固定声源持续稳定发声，测量有降噪装置和无降噪装置，分贝差异，检验隔音降噪效果，统计如表1所示。
表1 室内隔音降噪试验比对表Tab.1 Comparison table of indoor sound insulation and noise reduction test
图3 真空双层金属罩降噪装置Fig.3 Vacuum double-layer metal cover noise reduction device
2.2 降噪材料试验布置
为验证几种优选降噪装置在实际地震勘探数据采集中各种装置降噪效果与施工便利性，开展了野外单炮记录的降噪实验，先后试验了填土掩埋法、真空盆覆盖法和水袋覆盖法等。
地震波激发时震源激发的声波，在地震记录上表现为速度为340 m/s的高频同相轴，容易辨识且出现具有极高的可重复性。因此本次降噪试验对比重点研究了各种降噪方法，对由震源激发所引起的声波干扰的压制作用[8]。为检验对比工作的重复性和选取合适的分析窗口，首先进行了偏移距试验。布置了72道2 m道间距的检波器排列，其中1道～24道与25道～48道为同一位置重复布置的对比检波器组。采用锤击震源在第49道位置激发。试验结果见图 4，速度为340 m/s的声波在地震记录上清晰可见，当偏移距大于24 m之后，声波与面波易于分离。同一位置的两组检波器波形一致性好。因此选取偏移距为26 m～50 m范围的检波器道进行声波降噪试验对比。
图4 分析窗口试验Fig.4 Analysis window test
一共开展了四组对比试验，试验方法是在同一位置布置两组24道检波器，采用24磅重锤在最小跑间距为26 m的位置激发，中间激发观测系统。
2.2.1 填土掩埋法和地表插置的检波器对比
填土掩埋法既将检波器挖坑埋置，试图用土来隔绝声波。试验结果如图 5所示，1道～12道为填土掩埋的检波器，24道～48道为地表插置的检波器。从结果可以看到，声波在1道～48道上都能明显看到声波干扰。填土掩埋法并不能压制声波干扰。
图5 填土掩埋法和地表插置检波器单炮记录对比Fig.5 Comparing the single shot records of the earth-filling method and the ground surface geophone
2.2.2 水袋覆盖法和填土掩埋法对比
1道～24道在检波器上覆盖水袋使之与空气隔绝，25道～28道为填土掩埋的检波器，二者并排布置。试验结果如图 6所示，由于水袋的存在，地震记录中的1道～24道对声波噪音较25道～48道略有减弱，且波形由于声波在空气水界面的投射与反射作用，变得较为破碎。
图6 水袋覆盖法和填土掩埋法单炮记录对比Fig.6 Comparison of single shot records between water bag cover method and earth fill method
2.2.3 真空盆覆盖法和水袋覆盖法对比
最后对比了真空盆覆盖法和水袋覆盖法，其中1道～24道为真空盆覆盖，25道～48道为水袋覆盖。结果如图 7所示，经过多次叠加后，地震记录上能够看到高频的声波干扰，真空盆覆盖对声波的衰减要优于水袋覆盖法。
图7 真空盆覆盖法和水袋覆盖法单炮记录对比Fig.7 Comparison of single shot records between vacuum basin covering method and water bag covering method
2.2.4 真空盆覆盖法和填土掩埋法对比
1道～24道为填土掩埋的检波器，25道～28道为在检波器上覆盖真空盆使之与空气隔绝，二者并排布置。试验结果如图 8所示，由于声波不能在真空中传播，真空盆隔绝了部分声波，使得地震记录中的25道～48道对声波噪音较1道～24道有明显地衰减。
图8 真空盆覆盖法和填土掩埋法单炮记录对比Fig.8 Comparison of single shot records of vacuum basin covering method and filling and burying method
2.2.5 地震剖面测量对比试验
在野外降噪试验结果的基础上，选用水袋覆盖法在北京通州开展了地震剖面测量对比试验[9-10]。试验区位于北京市通州区双埠头村，测线长度为沿路近东西向布置，长度为1 075 m。测线东南西面分别为东六环、潞苑北大街和201省道，交通繁忙。测线北距双埠头村村民聚居地约380 m，人文活动较为频繁。多条高压线穿过测线，电磁干扰较为明显，施工区为典型的城市高背景噪声环境。采用Geode地震仪，28 Hz检波器进行数据采集，KZ28可控震源作激发震源。采集参数如下：扫描频率为10 Hz ～130 Hz，扫描长度为12 s，记录长度为2 s，记录道数为216道，道间距为5 m，炮间距为20 m，采样率为1 ms，采用固定排列接收。为对比水袋覆盖法降噪效果，在试验测线上用同一套仪器和震源以及相同的采集参数，分别采集了检波器上覆盖水袋和直接暴露在空气中的两组数据进行对比。从图9可以看到，相同位置上两个炮集直达波、折射波、反射波面波具有高度的一致性，说明试验重复性好。由图9(b)可以清晰看到,可控震源激发的声波干扰(黑框位置)，由图9(a)可以看到，声波的干扰被有效压制了。除此之外，总体上来说，覆盖水袋的记录上杂乱的环境噪声影响看上去要比未做降噪处理的地震记录要小，但由于二者并非是同一时间采集，因此不能严格论证降噪效果。
图9 降噪试验单炮对比Fig.9 Comparison of single shots in noise reduction test(a)采用水袋覆盖地震记录;(b)未做降噪处理的地震记录
数据处理在Omega地震数据处理平台上开展，两套数据采用了同一流程，主要包括有空间属性建立、静校正处理、振幅处理、干扰波消除、叠前反褶积、速度分析、剩余静校正和叠加等。
对比图 10(a)和图10(b)可以看出，两组数据反映的地下反射界面的信息高度一致，基岩界面清晰可见，第四系内部也存在较好的分层。在反射较弱的区域(箭头所指)，可以看到，采用水袋覆盖降噪装置的剖面反射轴的能量，要略强于未作降噪处理的剖面。在1 s 以下反射波能量很弱的区域(黑框区域)，采用水袋覆盖法降噪的剖面中的随机噪音要弱于未做降噪处理的剖面。
图10 降噪试验地震剖面对比Fig.10 Comparison of seismic profiles of noise reduction test(a)采用水袋覆盖地震记录;(b)未做降噪处理的地震记录
通过现场不同场景的对比试验结果，笔者认为要实现完全压制声噪干扰很困难，声音在空气中传播到检波器附近时会产生能量足够被检波器感应到的震动，而这种震动可以通过检波器周围的罩子、地面、空气等传导至检波器。虽然水袋覆盖法能在一定程度上降低声噪干扰，但是却不能完全消除。
1)填土法对声波衰减效果不明显，原因可能是检波器埋置深度不够，声波造成的地表振动依然能够传播到检波器上。
2)由于声波不能在真空中传播，真空盆覆盖法对声波的衰减作用较为明显，但在硬化路面布置较为困难，且成本高。
3)由于水和空气存在较大的阻抗差异，声波在通过水/空气界面时将损失较多的能量，因此水袋覆盖法也能起到对声波的衰减作用。然而由于声波依然可以在水中传播，加之覆盖范围有限而且覆盖不能做到完全紧密，所以也不能完全隔绝声波噪声，但是水袋覆盖法材料成本低，由于水袋的形状的可塑性，在硬化路面也可以做到对不同类型检波器的贴合。因此，水袋覆盖法是在城市地下空间地震勘查中较为适宜的声学降噪方法。
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