劉旭， 錢榮毅*， 蘭瀾， 劉迪， 金文元

(1.中國地質(zhì)大學(北京)地球物理與信息技術(shù)學院， 北京 100083； 2.中國地質(zhì)大學(北京)海洋學院， 北京 100083)

古建筑作為地域文化的代表和城市意象的主體標志，不僅在天文科技和建筑方面擁有極高的價值，而且在美學和藝術(shù)方面擁有極高的造詣，其獨特的歷史文化更是淵遠流長。千百年來，古建筑地基一直遭受著降水、地震等自然因素的破壞，引起不均勻沉降，導致古建筑傾斜或坍塌，如蘇州虎丘塔[1]、平遙古城城墻[2]、大雁塔[3]等。因此，全面了解古建筑地基是否存在發(fā)生不均勻沉降或存在不良地質(zhì)體是在保護古建筑的關鍵環(huán)節(jié)之一，對于古建筑和歷史文化的保護具有重要意義。

在地基探測方面，許多學者已經(jīng)做了大量工作。張志鵬[4]針對房屋地基利用探地雷達技術(shù)探測沉陷裂隙，為后續(xù)建筑工程施工提供依據(jù)。姚麗芳等[5]采用三維直流并行高密度電法與瞬變電磁法查清某場地范圍內(nèi)的巖溶分布及發(fā)育情況。Zong等[6]通過反射波信號的振幅和相位特征檢測高層建筑基樁的完整性，測試結(jié)果符合工程標準，驗證了其有效性。歐陽鋒等[7]利用瑞雷面波快速檢測地層的剪切波速度，進行地層劃分，分析地基處理效果。瑞雷面波法在建筑工程當中多用于覆蓋層分層和探測覆蓋層厚度等[8]。不會對地區(qū)造成任何實質(zhì)性的損害，而且能夠更加準確地得出地基更加全面的質(zhì)量情況[9]。

其中，瑞雷波可以通過背景噪聲技術(shù)來提取，背景噪聲技術(shù)最早由是地震學家Aki[10]提出用來研究地下結(jié)構(gòu)。相比較主動源地震方法，背景噪聲探測技術(shù)無需使用夯擊、炸藥等人工源，適應各種復雜工區(qū)[11]，可針對文物進行無損探測，達到文物保護的初衷。背景噪聲面波成像已廣泛應用于區(qū)域?qū)游龀上馵12-13]、盆地特征研究[14]、滑坡特征研究[15]、礦區(qū)采空區(qū)塌陷的研究[16]以及活動斷層的研究[17]。背景噪聲指來自具有未知位置、未知源信號和未知時間源的分布的隨機噪聲[18]。將高密度臺站記錄到的噪聲記錄進行兩兩互相關，可以得到以其中一個臺站作為震源，其他臺站接收的虛擬源地震記錄[19]。利用虛擬地震單炮記錄中的面波信號，提取相應的頻散信息，可以反演探測區(qū)域內(nèi)的地下橫波速度，即可了解探測區(qū)域的地質(zhì)構(gòu)造，以及有關性質(zhì)和相應地層的動力學特征參數(shù)，達到巖土工程勘探之目的[20]。

基于此，現(xiàn)采用超高密度背景噪聲探測觀星臺地基，在觀星臺周圍布設6條測線采集24 h數(shù)據(jù)進行互相關計算，疊加得到高信噪比虛擬地震單炮記錄，利用相移法提取虛擬地震單炮記錄中的面波頻散曲線，設立10米10層模型，反演得到地下0～10 m地層的S波速度結(jié)構(gòu)， S波速度處于170～340 m/s。探測結(jié)果顯示觀星臺地基成層性良好，無低速異常體，層位與探槽情況吻合，推測地基結(jié)構(gòu)堅實穩(wěn)固。超高密度背景噪聲探測不僅在古今建筑地基進行無損探測，進行穩(wěn)定性評價和安全預防具有重要意義，同時可建立地下層位速度與地基承載力特征值之間關系，可有效評價場地地基承載力，為觀星臺后續(xù)修繕工作提供數(shù)據(jù)基礎，以及對古今建筑物地基探測提供方法和技術(shù)依據(jù)。

1 觀星臺所在區(qū)域工程地質(zhì)概況

登封觀星臺位于河南省登封市告城鎮(zhèn),登封觀星臺作為第一批全國重點文物保護單位，是中國現(xiàn)存最古老的天文臺，也是世界文化遺產(chǎn)“天地之中”的重要組成部分[21]。登封觀星臺是中國傳統(tǒng)地中概念的實物見證,是元代天文學高度發(fā)達的實物見證，在中外天文學交流中扮演了重要角色[22]。

觀星臺是一磚石混合建筑結(jié)構(gòu),由臺體和石圭兩部分組成,臺高約9.36 m,連臺頂小室高約12.95 m,臺頂各邊長8.28 m,基底各邊長16.52 m,如圖1所示。在觀星臺東側(cè)距臺體約15 m進行探槽工作，探槽深7 m，結(jié)構(gòu)分別是:①砂質(zhì)黃土填土，深度0～2.1 m；②粉質(zhì)黃土，深度2.1～2.8 m；③細砂，深度2.8～3.3 m；④砂卵石層，深度3.3～3.6 m；⑤黏土，深度3.6～4.6 m；⑥卵石層，深度4.6～7.0 m，此層未穿透。通過探槽情況可知，研究區(qū)域填土層、砂土層和卵石層之間地層縱向分層明顯，具有一定的波阻抗差異，地層橫向延展性良好，具有較好開展超高密度線性陣列的背景噪聲實驗的地球物理研究條件。

圖1 登封觀星臺和測線L2Fig.1 Dengfeng astronomical observatory and measuring line 2

2 數(shù)據(jù)采集及處理分析

2.1 數(shù)據(jù)采集

根據(jù)探測目標、觀星臺體位置，綜合場地房屋布局等情況，在觀星臺臺體四周共布置基礎背景噪聲探測測線6條,如圖2所示。L4、L1距離臺體底部東西兩側(cè)各10 m,L3、L2距離臺體底部東西兩側(cè)各3 m,L6、L5離臺體底部南北兩側(cè)2.5、3.5 m。其中L1～L4道數(shù)均為99道，L5道數(shù)為51道，L6道數(shù)為48道，各測線道間距均為1 m，采樣率為1 ms，采集時長均為24 h。本次探測儀器使用Smartsolo IGU-16HR_5 Hz單分量節(jié)點式地震儀,如圖3所示。

圖2 背景噪聲探測測線Fig.2 Ambient noise measuring lines

圖3 儀器布設和測線L1Fig.3 Instrument layoutand measuring line1

2.2 噪聲源分析

測區(qū)周圍的主要噪聲源為集市的人文活動和周圍道路上的車輛行駛產(chǎn)生的噪聲, 如圖4所示，其中237省道距離觀星臺相對較近(約100 m)，存在活動頻繁的重型卡車，其產(chǎn)生的噪聲對本次背景噪聲勘探影響較大。背景噪聲成像方法使用隨機背景噪聲作為震源，但并非所有噪聲都可利用，只有噪聲來源于穩(wěn)相區(qū)內(nèi)[23]，才是有效噪聲源，對干擾噪聲源需要進行處理壓制。本次通過使用功率譜密度和原始波形對數(shù)據(jù)進行分析評價，進而選取合適的預處理方法和參數(shù)。

通過L2測線原始噪聲波形記錄，如圖5所示，可以看出在早晚高峰時間段(紅色方框)噪聲能量強。其中，路上的交通是地震記錄中經(jīng)常出現(xiàn)的強烈相干噪聲的來源，L5為東西向測線，某一時刻噪聲記錄(圖6)中，可以看出車輛行駛的方向，圖6(a)中直線同相軸為汽車垂直測線方向(南北向)行駛，圖6(b)中雙曲型波形為汽車沿著測線方向(東西向)行駛。從整個波形視速度看，噪聲來源多位于穩(wěn)相區(qū)，汽車噪聲呈高視速度波形，其噪聲源多位于非穩(wěn)相區(qū)。從L1測線24 h噪聲功率譜圖(圖7)可以看出，噪聲能量主要集中在5～20 Hz，全時段還存在持續(xù)的50 Hz

圖4 研究區(qū)主要噪聲源分布圖Fig.4 Distribution of main noise sources in the study area

圖5 L2線部分道原始噪聲波形Fig.5 L2 part of original noise waveform

圖6 L5某一時刻原始噪聲波形Fig.6 L5 Original noise waveform at a certain moment

圖7 L1線原始噪聲功率譜密度圖Fig.7 L1 original noise power spectral density graph

工業(yè)電干擾及18～21 Hz的施工噪聲干擾。

綜合分析L1～L6測線的原始噪聲數(shù)據(jù)，總結(jié)該測區(qū)地震背景噪聲有以下特點：①噪聲能量主要集中在5～20 Hz,這部分能量噪聲視速度較高(>900 m/s),推測為省道汽車產(chǎn)生的噪聲，震源位置位于非穩(wěn)相區(qū)，需要在互相關處理前后壓制該噪聲；②存在50、20 Hz的單頻持續(xù)性噪聲干擾；③夜晚平靜時段和白天繁忙時段都存在穩(wěn)相區(qū)噪聲。

2.3 數(shù)據(jù)處理及分析

常規(guī)背景噪聲數(shù)據(jù)處理過程包括：①數(shù)據(jù)預處理；②互相關計算及疊加；③頻散曲線提取和反演。

2.3.1 數(shù)據(jù)預處理

互相關方法在時間域和頻域會受到強信號的影響，為了消除可能由儀器異?；蚬收稀⒔邮掌鞲浇姆瞧椒€(wěn)噪聲源等因素引起的較大振幅信號影響互相關計算的質(zhì)量，在數(shù)據(jù)預處理過程中需要將數(shù)據(jù)進行歸一化處理。在時域和頻域存在不同的振幅平衡方法，采用了時間域one-bit歸一化方法和頻率域譜白化方法[24]。one-bit歸一化方法平衡了時域中的振幅，并將所有正振幅賦值為1，所有負振幅賦值為-1。消除了時域波形上的振幅差異細節(jié)。譜白化(或頻域歸一化)是將噪聲數(shù)據(jù)通過傅里葉變換到頻率域，在選用頻帶的范圍內(nèi)的將幅值譜歸一化，再通過傅里葉反變換將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到時間域，以拓寬背景噪聲信號的頻帶。同時對每條測線的24 h原始噪聲記錄去除儀器響應、去趨勢、濾波等。

2.3.2 互相關計算及疊加

將24 h的數(shù)據(jù)切割成40 s的小段，相鄰段數(shù)據(jù)有10 s重疊，每道數(shù)據(jù)被分割為2 880段。將不同道之間相同時間段的數(shù)據(jù)進行互相關計算并疊加，分別以每一道為虛擬炮點生成虛擬單炮記錄。如圖8所示，互相關計算疊加后的虛擬單炮記錄，東西向與南北向測線均可以提取到高信噪比的面波信號，其面波能量強、同相軸連續(xù)、清晰可見。

2.3.3 頻散提取及反演

由于相關結(jié)果中存在高視速度的干擾，采用頻率-波數(shù)(F-K)濾波濾除速度高于600 m/s的干擾，從而突出面波。為了探測地下10 m的速度信息，從虛擬單炮記錄數(shù)據(jù)中，使用相移法選擇20道面波數(shù)據(jù)進提取頻散曲線，如圖9所示。從頻率-相速度圖中可以看出， 面波能量團比較集中，可以準確提取面波頻散曲線。

設置10米10層初始模型，對提取的頻散曲線數(shù)據(jù)進行迭代15次計算后均方根值(root mean square，RMS)約為4.35 m/s，誤差約為1.78%，各層速度值(綠色圓點)對應效果好，數(shù)據(jù)質(zhì)量高，如圖10所示。將各測線虛擬炮集提取的頻散曲線進行計算反演，得到各測線地下10米S波速度圖，如圖11所示，其中L6測線左端因房屋原因，導致測線左端反演結(jié)果未能L1相交。S波成像結(jié)果清楚地顯示了橫向均勻性和縱向成層性，各測線S波波速整體上大致分為三層：①0～3 m，S波速度范圍為 170～230 m/s；②3～5 m，S波速度范圍為230～280 m/s；③5～10 m，S波速度范圍為 290～340 m/s。結(jié)合探槽數(shù)據(jù)，速度結(jié)構(gòu)與地層具有明顯的相關性。第1層和第2層的速度界面為粉質(zhì)黃土層與細砂層的分界面；第2層和第3層速度界面為黏土層與卵石層的分界面。L2、L3測線S波速度圖中，觀星臺所在位置(40～60 m)，低速層較薄，大約2.5 m，是由于觀星臺臺體有一定的壓實效果，在6 m以內(nèi)速度均為層狀分布。L1、L4測線S波速度圖中，低速層較靠近觀星臺測線稍厚，大約3.5 m，為空曠的土地，無載體壓實效果。L5、L6測線S波速度圖中，觀星臺所在位置(14～37 m)，低速層深度與L2、L3測線一致，約為2.5 m，整體成層性良好，無低速下沉或高速突起等異常。

圖8 互相關虛擬單炮記錄Fig.8 Correlation virtual shot record

圖9 頻率-相速度圖Fig.9 Frequency-phase velocity

圖10 S波速度反演圖Fig.10 S-wave velocity inversion diagram

圖11 各測線S波速度圖Fig.11 S-wave velocity of each survey line

在東西向與南北向測線相交位置，低速與高速層速度值吻合效果好，如L2與L5測線相交位置，在3 m處速度值均約為240 m/s，在6 m處速度值均約為280 m/s。相鄰測線速度結(jié)構(gòu)對應效果良好，例如，在L1、L2測線中10～30 m、60～80 m兩處位置高速體隆起均比較集中，同時，高速層輪廓比較一致；在L3、L4測線中40～60 m位置處高速體隆起均比較集中，20、70～80 m兩處高速突起、輪廓比較一致。

根據(jù)以上分析，各個剖面位置S波速度由淺到深都是均勻變化、層狀分布，不存在低速異常體、局部突變等現(xiàn)象，因此，判斷在觀星臺周圍地基中不存在不良地質(zhì)體，反映地基結(jié)構(gòu)堅實穩(wěn)固，具有一定的穩(wěn)定性。

3 結(jié)論

基于布設在河南省登封觀星臺6條測線(495臺)24 h超高密度背景噪聲數(shù)據(jù)，提取了20～60 Hz的瑞雷面波相速度頻散曲線，反演了觀星臺周圍的地下0～10 m高分辨率S波速度結(jié)構(gòu)圖像，得到以下結(jié)論。

(1)成像結(jié)果清楚地顯示了橫向均勻性和縱向成層性，結(jié)合探槽數(shù)據(jù)，速度結(jié)構(gòu)與地層具有明顯的相關性。淺層主要為人工填土為主，速度值較低，深部受卵石影響，速度值較大。S波速度剖面是均勻變化、層狀分布，不存在低速異常體、局部突然變化等現(xiàn)象，因此，判斷在觀星臺周圍地基中不存在不良地質(zhì)體，反映地基結(jié)構(gòu)堅實穩(wěn)固，具有一定的穩(wěn)定性，為觀星臺進行預防安全問題提供數(shù)據(jù)支持。

(2)超高密度背景噪聲成像方法由于不依賴人工震源和無線采集的特性，極大地降低了勘探的繁瑣性和成本，在文物地基探測還具有不損害文物的優(yōu)勢。因此，超高密度背景噪聲探測在古建筑地基探測及穩(wěn)定性評價進行安全預防具有重要意義。