一种便携式城市地质异常地震探测系统及方法与流程

技术领域

本发明涉及地震勘探技术领域，尤其是一种便携式城市地质异常地震探测系统及其探测方法。

背景技术：

城市地下空间施工，造成地层扰动与水土流失，引起城市地面塌陷与地下工程损伤,特别是地表50米以浅的异常体探测越来越重要。国内外对引起道路地表塌陷的地下空洞、不密实带、脱空等的探测的手段主要是工程钻探和地球物理探测两类技术。

钻探是最常用的手段，能够直接反应局部的地下介质情况，但钻探施工周期长，效率低，对地下管线有损伤风险，钻探为“一孔之见”，难以对地下介质进行连续完整的描述，对地下异常的横向分辨有局限性，且受到施工作业区域限制。

目前，地下异常体探测中常用的物探手段有探地雷达和地震勘探，探地雷达法主要基于高频电磁波在介质中传播和在电性突变界面上的反射特性，进行无损探测的一种物探方法，探地雷达分辨率高、效率高；由于含水地层对电磁波吸收作用强，难以探测潜水面下的地层变化，探测深度局限在潜水面以上。地震勘探是利用地下介质弹性和密度的差异，通过观测和分析人工地震产生的地震波在地下的传播规律，推断地下岩层的性质和形态的地球物理勘探方法，主要利用地下不同界面之间具有波阻抗差异。传统的反射地震勘探方法存在以下不足：（1）实际探测施工时多为人工激发接收观测模式，在探测精度要求较高时，需要增大测线的分布密度，以增加对地下目标体的覆盖次数，造成工程量增大，施工效率较低；（2）由于城市道路地面多为沥青或混凝土路面，导致检波器耦合性差，数据采集质量不高；（3）激发震源受地面情况影响较大，人工锤击力不均匀，导致探测效果欠佳；

技术实现要素：

本发明的首要目的在于提供一种50米以内探测深度、分辨率高并能提高工作效率的便携式城市地质异常地震探测系统。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种便携式城市地质异常地震探测系统，包括地震信号接收装置、无线地震采集基站、外触发装置、手持式Pad终端、震源装置以及数据采集控制与处理软件，所述地震信号接收装置采用由若干个滚轮式地震传感器构成通过多连杆支架连接构成的线性可移动的传感器级联体，所述滚轮式地震传感器的滚轴内设置检波器芯体，滚轮式地震传感器安装在多连杆支架的下方，多连杆支架上分别安装无线地震采集基站和外触发装置，震源装置设置在多连杆支架的旁侧中部，形成线性可移动中间激发双边接受地震观测系统；所述震源装置与外触发装置通过导线连接，所述无线地震采集基站分别与检波器芯体、外触发装置相连接，无线地震采集基站通过WiFi天线与手持式Pad终端通讯，所述手持式Pad终端上加载数据采集控制与处理软件。

所述滚轮式地震传感器由滚轮与滚轴构成，滚轮与滚轴之间由黄油润滑，滚轴上安装1～3个检波器芯体，当滚轮式地震传感器安装一个检波器芯体时，该检波器芯体的分量为垂直分量或水平分量；当滚轮式地震传感器安装两个检波器芯体时，两个检波器芯体为两个水平分量，或者为一个水平分量一个垂直分量；当滚轮式地震传感器安装三个检波器芯体时，一个竖直分量(P)和水平面上相互垂直的两个水平分量 (SH、SV)；便于接受由纵波震源引发的来此地下的散射纵波（P-P）和来此地下的转换横波(P-SH、P-SV)；滚轴式传感器质量不低于1.5Kg,达到自重耦合地面的要求；

所述多个检波器芯体通过航插头与无线地震采集基站对应的传感器接口相连，所述外触发装置的航插头与无线地震采集基站对应的触发接口相连；所述无线地震采集基站包括无线地震基站主体及WiFi天线，WiFi天线安装于地震基站主体的上方，无线地震基站主体安装在基站支架上，基站支架安装在多连杆支架上。

所述检波器芯体为单分量，检波器芯体的灵敏度方向为垂直方向，检波器芯体通过滚轮自重与地面耦合；与之匹配的震源装置纵向激发地震波，并通过所述滚轮式地震传感器采集地震信号，经所述无线地震基站采集地震信号后，通过WiFi传输至手持式Pad终端及数据处理系统。

所述检波器芯体为单分量或双分量时，检波器芯体的灵敏度方向为水平方向，检波器芯体及外部触轮通过自重与地面耦合；与之匹配的震源装置横向激发地震波，并通过所述滚轮式地震传感器采集地震信号，经所述无线地震基站采集地震信号后，通过WiFi传输至手持式Pad终端及数据处理系统。

所述检波器芯体为多分量，检波器芯体包含3个灵敏度方向的分量，其中，分量一H1为水平沿测线方向，分量二H2为水平且垂直于测线方向，分量三V为垂直方向，测线方向为检波器芯体连线的延伸方向，整个系统以固定移动步距沿测线方向移动探测。所述滚轮式地震传感器包括检波器芯体、端座支架、触轮、减震螺丝、滚轴、螺栓和弹垫，所述触轮为外部金属滚轮，垂直于地面放置；所述滚轴位于所述触轮的中心位置，所述检波器芯体位于所述滚轴中；所述端座支架通过所述螺栓及弹垫安装于滚轮的两侧；所述减震螺丝安装于端座支架的上部；滚轮式地震传感器的触轮通过外部端座支架和减震螺丝固定于多连杆支架上。

所述滚轮式地震传感器的个数为2～16个，两相邻滚轮式地震传感器之间的间距为0.2～2米。

所述多连杆支架为多连杆隔震支架。

本发明的另一目的在于提供一种便携式城市地质异常地震探测系统的探测方法，该方法包括下列顺序的实施步骤：

（1）根据探测精度的要求，设置探测系统，即确定地震信号接收装置中滚轮式地震传感器、震源装置的相对位置关系，确定每次移动的步距，确定滚轮式地震传感器的间距及个数，并将地震信号接收装置、无线地震采集基站、外触发装置、手持式Pad终端及震源装置在现场组装为可移动式的探测系统；

（2）将探测系统置于探测区域测线的起始位置，利用手持式Pad连接无线地震采集基站，在无线模式下进行参数设置及数据传输，正式开始前需进行试触发，采集第一次激发的地震信号，接收地震波形，实时判断数据质量，如果地震数据初至明显，有效波清晰可辨，则按照当前参数进行数据采集，否则需删除当前数据，重新进行地震数据采集；

（3）按照步骤（1）中的探测系统确定移动步距，即震源装置每次激发结束后，整个探测系统沿测线移动的距离，并按照步骤（2）进行数据采集，并实时监测数据质量，直到整条测线的数据采集工作完成；

（4）通过数据处理系统，分析地震数据，根据探测方式进行面波、横波、纵波、反射波、散射波及折射波数据预处理、叠加等处理，获得探测深度较大、分辨率较高的地震剖面；

（5）结合探测区域的钻孔资料及地质资料层位信息，对地震剖面进行高分辨率资料解释，划定异常区的范围，并形成探测诊断报告。

由上述技术方案可知，本发明采用滚轮式地震传感器，每个滚轮式地震传感器可安装1至3个检波器芯体，滚轮式地震传感器通过可拆部件连接为传感器级联体，实现线状探测，保障工作效率，滚轮式地震传感器将检波器芯体固定于滚轮轴部，在保证自重耦合的情况下实现了无损检测，真正区别于传统意义上的检波器排列，提高了工作效率；被级联的滚轮式地震传感器间距可调，个数可拓展，可以满足不同覆盖次数的叠加条件，探测精度高；滚轮式地震传感器灵敏度方向可调节，若采用纵向及横向组合方式，可进行多分量地震数据采集、处理及解释；震源装置可激发横波或纵波信号，结合多分量可拓展的滚轮式地震传感器，可进行多波多分量的地震勘探，如纵波勘探、横波勘探及面波勘探；整个系统各部分为可拆卸式、便携式、可快速移动式，在保证探测深度及精度的情况下，大大提高了工作效率，可实现快速、高效的高精度城市地震勘探。本发明的探测方法,适用于城市地下50米以内的异常探测与地质诊断。

附图说明

图1是本发明实施例一的结构示意图；

图2是本发明实施例二的结构示意图；

图3是本发明实施例三的结构示意图；

图4是本发明实施例四的结构示意图；

图5是本发明实施例五的结构示意图；

图6是本发明实施例六的结构示意图；

图7是本发明实施例六的探测结果图；

图8是本发明中的滚轮式地震传感器的结构示意图。

图中：1、滚轮式地震传感器，2、检波器芯体，3、无线地震基站主体，4、WiFi天线，5、基站支架，6、外触发装置，7、震源装置支架,8、滑轮,9、纵波激发重锤，10、底座，11、多连杆支架，12、手持式Pad终端，13、震源装置连接杆，14、横波激发重锤，15、端座支架，16、触轮，17、减震螺丝，18、滚轴，19、螺栓。

具体实施方式

如图1、2、3、4、5、6所示，一种便携式城市地质异常地震探测系统，包括地震信号接收装置、无线地震采集基站、外触发装置6、手持式Pad终端12、震源装置以及数据处理系统，所述地震信号接收装置采用多个滚轮式地震传感器1通过多连杆支架11连接构成的线性可移动的传感器级联体，滚轮式地震传感器1的中心设置检波器芯体2，滚轮式地震传感器1安装在多连杆支架11的下方，多连杆支架11上分别安装无线地震采集基站和外触发装置6，震源装置设置在多连杆支架11的旁侧；多连杆支架采用多连杆隔震支架。所述震源装置与外触发装置6相连接，所述无线地震采集基站分别与检波器芯体2、外触发装置6相连接，无线地震采集基站通过WiFi天线4与手持式Pad终端12通讯，所述手持式Pad终端12上加载数据处理系统。震源装置可激发地震横波或纵波信号，可实现恒定能量激发，也可采用普通重锤。检波器芯体2通过航插头与无线地震采集基站对应的传感器接口相连，所述外触发装置6的航插头与无线地震采集基站对应的触发接口相连；所述无线地震采集基站包括无线地震基站主体3及WiFi天线4，WiFi天线4安装于地震基站主体的上方，无线地震基站主体3安装在基站支架5上，基站支架5安装在多连杆支架11上。

传感器级联体由多个滚轮式地震传感器1组成，每个滚轮式地震传感器上安装1～3个检波器芯体2，当滚轮式地震传感器安装一个检波器芯体2时，该检波器芯体2的分量为垂直分量或水平分量；当滚轮式地震传感器安装两个检波器芯体2时，两个检波器芯体2为两个水平分量，或者为一个水平分量一个垂直分量；当滚轮式地震传感器安装三个检波器芯体2时，三个检波器芯体2为水平面上相互垂直的两个水平分量，加上一个垂直分量。滚轮式地震传感器1的个数为2～16个，两相邻滚轮式地震传感器之间的间距为0.2～2米。

实施例一

如图1所示，滚轮式地震传感器1中的检波器芯体2为单分量，检波器芯体2的灵敏度方向为垂直于地面方向，滚轮式地震传感器1通过自重与地面耦合；震源装置包括底座10、震源装置支架7、滑轮8及用于激发纵波地震信号的纵波激发重锤9，所述震源装置支架7安装在底座10上，底座10放置在地面上且其内部设有压电传感器，压电传感器的正负两端分别与外触发装置6上的正负端接线柱相连，震源装置支架7的上端安装滑轮8，滑轮8通过引线与纵波激发重锤9连接，纵波激发重锤9垂直于地面布置且位于底座10的上方。震源装置纵向激发地震波，并通过所述滚轮式地震传感器采集地震信号，经所述无线地震基站采集地震信号后，通过WiFi传输至手持式Pad终端及数据处理系统。

实施例二

如图2所示，所述滚轮式地震传感器1中的检波器芯体2为单分量，检波器芯体2的灵敏度方向为水平方向，滚轮式地震传感器1通过自重与地面耦合；震源装置包括底座10、震源装置支架7、震源装置连接杆13及用于激发横波地震信号的横波激发重锤14，所述震源装置支架7安装在底座10上，底座10放置在地面上且其内部设有压电传感器，震源装置支架7的上端安装震源装置连接杆13，震源装置支架7与震源装置连接杆13之间有夹角且夹角小于90度，震源装置连接杆13的另一端安装横波激发重锤14，横波激发重锤14平行于地面布置且位于底座10的旁侧。震源装置横向激发地震波，并通过所述滚轮式地震传感器采集地震信号，经所述无线地震基站采集地震信号后，通过WiFi传输至手持式Pad终端及数据处理系统。

可见，实施例二与实施例一的不同之处在于震源装置是从水平方向激发地震横波，同时地震信号接收装置的检波器芯体2的灵敏度方向为水平方向，更有利于接收地震横波信号，该实施例为横波探测方法。

实施例三

如图3所示，滚轮式地震传感器1的个数为8个。本实施例与实施例一的不同之处在于地震信号接收装置的滚轮式地震传感器1组合方式不同，检波器芯体2的个数可采用1、2或3个，当滚轮式地震传感器安装一个检波器芯体时，该检波器芯体的分量为垂直分量或水平分量；当滚轮式地震传感器安装两个检波器芯体时，两个检波器芯体为两个水平分量，或者为一个水平分量一个垂直分量；当滚轮式地震传感器安装三个检波器芯体时，三个检波器芯体为水平面上相互垂直的两个水平分量，加上一个垂直于水平面的分量。地震信号接收装置为8个滚轮式地震传感器1通过多连杆支架11级联构成的传感器级联体，滚轮式地震传感器1之间的间距为0.2-2m；震源装置可根据传感器灵敏度方向，选择垂向或横向激发地震波，该实施例中传感器灵敏度为垂直方式，震源为纵向激发重锤。

实施例四

如图4所示，所述级联式滚轮式地震传感器1之间的间距为1m。本实施例与实施例一的不同之处在于地震信号接收装置的滚轮式地震传感器1的间距不同，4个传感器间距可扩展为1m，震源装置可根据传感器灵敏度方向，选择垂向或横向激发地震波，该实施例中传感器灵敏度为垂直方向，震源为纵向激发重锤。

实施例五

如图5所示，所述检波器芯体2为多分量，检波器芯体2包含3个灵敏度方向的分量，其中，分量一H1为水平沿测线方向，分量二H2为水平且垂直于测线方向，分量三V为垂直于水平方向，测线方向为检波器芯体连线的延伸方向，整个系统以固定移动步距延测线方向移动探测。可见，本实施例与实施例一的不同之处在于地震信号接收装置的滚轮式地震传感器1芯体为多分量特征。4个滚轮式地震传感器1中，每个包括3个灵敏度方向不同的芯体，分量一H1为水平沿测线方向，分量二H2为水平且垂直于测线方向，分量三V为垂直于水平方向，可实现多波多分量精细地震勘探。

实施例六

如图6所示，检波器芯体2为单分量，检波器芯体2的灵敏度方向为垂直方向，检波器芯体2及外部触轮16通过自重与地面耦合，检波器芯体2个数为16个，间距为0.5m；震源装置采用纵波震源，激发点位置为每个滚轮式地震传感器连线中心，激发间距0.5m，则传感器排列范围内共激发15炮，为保证散射地震探测排列长度，则在起始传感器前方及末尾传感器后方各增加1炮，则采用该16道系统进行探测时，共激发17炮，激发完成后，整个系统以0.5m的步距沿测线整体移动。数据经处理可获得散射偏移地震剖面，如图7所示，图中界面一为路面下方杂填土与原状土分界线，界面二为地铁隧道顶界面，探测深度可达20m。

如图8所示，滚轮式地震传感器包括检波器芯体2、端座支架15、触轮16、减震螺丝17、滚轴18、螺栓19和弹垫；所述触轮16为外部金属滚轮，垂直于地面放置，有一定重量；所述滚轴18位于所述触轮16中心位置，所述检波器芯体2按一定方向放置于滚轴18中，在滚轮式地震传感器运动过程中，所述滚轴18保持不动，即不发生转动，以保证内部检波器芯体2灵敏度方向不变；所述端座支架15通过螺栓19及弹垫安装于滚轮两侧，起到固定滚轴18的作用；所述减震螺丝17安装于两侧端座支架15上部。滚轮式地震传感器的触轮通过外部端座支架15和减震螺丝17固定于多连杆支架11上；滚轴式传感器质量不低于1.5Kg,达到自重耦合地面的要求。

本探测方法包括下列顺序的实施步骤：

（1）根据探测精度的要求，设置探测系统，即确定地震信号接收装置中滚轮式地震传感器、震源装置的相对位置关系，确定每次移动的步距，确定滚轮式地震传感器的间距及个数，并将地震信号接收装置、无线地震采集基站、外触发装置、手持式Pad终端及震源装置在现场组装为可移动式的探测系统；

（2）将探测系统置于探测区域测线的起始位置，利用手持式Pad连接无线地震采集基站，在无线模式下进行参数设置及数据传输，正式开始前需进行试触发，采集第一次激发的地震信号，接收地震波形，实时判断数据质量，如果地震数据初至明显，有效波清晰可辨，则按照当前参数进行数据采集，否则需删除当前数据，重新进行地震数据采集；

（3）按照步骤（1）中的探测系统确定移动步距，即震源装置每次激发结束后，整个探测系统沿测线移动的距离，并按照步骤（2）进行数据采集，并实时监测数据质量，直到整条测线的数据采集工作完成；

（4）通过数据处理系统，分析地震数据，根据探测方式进行面波、横波、纵波、反射波、散射波及折射波数据预处理、叠加等处理，获得探测深度较大、分辨率较高的地震剖面；

（5）结合探测区域的钻孔资料及地质资料层位信息，对地震剖面进行高分辨率资料解释，划定异常区的范围，并形成探测诊断报告。

在工作时，首先，根据测线长度、精度要求等设计探测系统，即探测过程中的传感器间距、炮检距、移动步距及炮点和检波器芯体2的对应关系，在此基础上确定级联式传感器的数量，根据探测系统中的道间距组装传感器；根据不同的勘探方法，确定检波器芯体2的灵敏度方向：

进行纵波勘探时，需将级联式滚轮式地震传感器1中的检波器芯体2按照灵敏度垂直方向安装；

进行横波勘探时，需将级联式滚轮式地震传感器1中的检波器芯体2按照灵敏度水平方向安装；

进行多波勘探时，需将检波器芯体2按三个方向安装：分量一H1为水平沿测线方向，分量二H2为水平且垂直于测线方向，分量三V为垂直方向；

地震信号接收装置由级联式滚轮式地震传感器1组成，将其航插头与无线地震基站对应的传感器接口相连；

将外触发装置6的航插头，与无线地震基站对应的触发接口相连；

震源装置装有压电传感器，该传感器的正负两端分别与外触发装置6上的正负端接线柱相连，当外力激发时，纵波激发重锤9自由落体，击中底座10，底座10内的压电传感器感应到，压电传感器的电信号通过外触发装置6的信号放大功能，实现地震信号实时外触发；如果是横波激发重锤14，则所谓的外力是指横向击中底座10的外力；

开启地震信号采集装置中无线地震基站的WiFi，并通过手持Pad终端搜索该WiFi并连接，开启Pad终端的地震采集软件，并测试通讯情况，使整个系统保持通讯正常；

震源装置放置于滚轮式地震传感器一侧，整个系统以0.2m的移动步距沿测线方向移动，数据采集过程中，在手持Pad端实时监测地震信号，并以此方式完成地震数据采集。

综上所述，本发明中的滚轮式地震传感器1将检波器芯体2固定于滚轮轴部，在保证自重耦合的情况下实现了无损检测，真正区别于传统意义上的检波器排列，提高了工作效率；级联式滚轮式地震传感器1间距可调，检波器芯体2个数可拓展，可以满足不同覆盖次数的叠加条件，探测精度高；滚轮式地震传感器1灵敏度方向可调节，若采用纵向及横向组合方式，可进行多分量地震数据采集、处理及解释；震源装置可激发横波或纵波信号，结合多分量可拓展的滚轮式地震传感器1，可进行多种方法的地震勘探资料处理，如纵波勘探、横波勘探及面波勘探。