表面波震測施測設備

現地量測設備主要分為三部份:震測儀、震源與受波器。經過不 斷地技術改進，震測儀的功能越益強大，使資料之收錄更加完備。新 式之震測儀更可將訊號分析軟體整合於儀器之上，可立即對現場收錄 之訊號加以評估，免除因訊號效果不佳而造成後續判讀之困難。根據 試驗要求以及施測區域環境之影響，不同形式之震源產生之脈衝波訊 號有不同之頻譜特性，因此優先選用一合適之震源於測線施測相當重 要(Richard 1992,1994)。震源產生之擾動經由地層傳遞後，攜帶之資

訊在地表由受波器接收。根據不同之震測法，受波器的選用，要求亦 不相同。表面波震測之探測深度取決於是否可得到足夠低頻之訊號，

ㄧ般使用低共振頻率之速度型受波器於資料收錄，避免低頻訊號失 真。

本研究將對低頻訊號之產生與施測程序加以改善，以下將對著眼 之震源與受波器加以介紹:

(1) 震源:

震波能量的產生方式，有一般之手持式榔頭、炸藥、自由落槌(類 似 SPT 落槌)、空氣槍及可控式之震盪器(Vibrator)產生，了解每一種 震源產生之能量頻率範圍之頻譜特性與整個可用頻寬帶的範圍，有助 於在不同地質條件與施測要求下，選擇合適的設備，作良好的施測與 資料擷取，以獲得清晰的資料品質(Richard D.Miller 1992,1994 )。一 般正弦震盪器如圖 2.18，可以逐一針對單一頻率進行資料收錄，訊號 重複性高，可反覆檢核以獲得良好的訊號品質，但所耗費的量測時間 將較長。炸藥如圖 2.19 所示，和其他震源比較，具有最佳的穿透能 力，但施測時須先預鑽炸葯孔，炸射後會對炸點位置產生破壞，使用 上，若操作不當，必定造成相當之危險性。此外，使用炸藥當震源，

是一項耗費昂貴的項目，故常用於深層震測試驗上。不同鎚頭重量的 鐵鎚，如圖 2.20 所示，是淺層震測作業中最常使用的震源，具有便

利性高耗費低且可以不斷疊加訊號的能量，提高訊號雜訊比，但較缺 乏足夠的彽頻能量穿透地層。加速度落槌系統如圖 2.21 則可以產生 比鐵槌大、但較炸藥小的能量傳遞，但兼顧了時效性與減少對環境的 傷害，此外亦可疊加訊號，直到要求之訊號雜訊比。

為了解不同種類震源的適用性與其特性，學者(Richard 1992,1994) 以法反射震測為主要探討的標的，對當時反射震測法所常用之多種震 源表 2.3 於三個不同地質條件之區域做了一系列震源之研究。並對該 測區提供適合施測之震源建議，如表 2.4 顯示地下水位高，膠結良好 細粒料地質適合以孔內震源施測。中等顆粒不良膠結之地質適合以鐵 鎚或落槌施測。細顆粒膠結尚可之地質條件適合以孔內震源施測。根 據 Richard(1992,1994)與 Miller(1986)的研究指出: 地層水位高之地質 適合以孔內震源或鐵鎚施測，若地表情況乾燥且堅硬使用落槌或是投 射式震源將可獲得較佳的資料。

執行表面波震測，選擇一適當之震源形式及了解其擾動所傳達的 頻譜特性，是現地施測重要的一環。本研究所目前所使用的震源設備 有小鐵槌(3lb)、大鐵鎚(12lb)與彈力加速度重槌(EWG)。配合 Walkaway 施測，在不同近站支距選用不同之震源產生震波供受波器收錄已獲得 較寬之頻寬帶。ㄧ般小鐵槌提供較高頻的頻寬訊號，大鐵鎚與彈力加 速度重槌提供中高頻之訊號。此外搭配不同震源種類分析其整合後的

訊 號 ， 可 獲 得 比 單 一 震 源 產 生 之 訊 號 ， 得 到 好 的 分 析 結 果 (Richardson,1998)。

表面波震測藉以分析的是其特有的頻散現象，若收錄之訊號分析 後之頻率範圍在高低頻有高可信度的訊號資料產生，將有助於提升淺 層之空間解析度與探測深度。雖然可以震盪器來產生各頻率的訊號，

但此法耗費時間不具效益。戴源昱(2003)以橡皮墊作為衝擊式震源與 地面接觸之界面物產生擾動，與沒有墊片產生之擾動，結果比對，顯 示前者在低頻之延伸比後者之結果佳。因此，選擇一項適當的震源配 合合適的墊片，可提高頻寬帶的呈現，如圖 2.22 所示。

能量大的震波可避免遠場效應所造成之高頻訊號衰減的現象，亦 可延伸近站支距增加收錄長波長之低頻訊號。炸藥可以產生大能量的 震波，震波所穿透的深度深，但使用上卻會對使用之區域產生嚴重之 破壞，亦對超作人員造成嚴重安全影響，此外，本島使用炸藥做為震 源所受之管制相當嚴苛，因此擁有一項移動快速、輕便且能產生大能 量訊號之震源將有助於提升頻寬帶的組成。

(2) 受波器

表面波為ㄧ低頻、低速之震波，使用高自然頻率之受波器不易接 收到表面波之訊號，本研究使用 OYO Geosapce 公司出產之 GS-11D 型電磁式速度受波器，如圖 2.23 所示。其自然頻率為 4.5HZ，震波頻

率低於受波器之自然頻率則該型受波器不易接收震此低頻部份之訊 號，類同一低切率頻。該型受波器尾端為ㄧ圓錐鋼釘(具磁性)，長 6 公分，用以插入並固定於地表，受波器尾端有一正負極接頭用以連接 震測纜線。

傳統之多頻道表面波震測施測，是將長釘式電磁式速度受波器插 在地表，如圖 2.23 所示，以獲得與地面良好的束制行為。當測線位 置是在道路鋪面上，受波器位置需先以電鑽在地面上鑽洞後插入。因 此在測線施測之前的前置鑽洞作業與測線展移的程序將耗費相當多 的時間。Steeples et al(1997)指出﹕減少震波探測所耗費之時間，受波 器佈設在測線上需更為快速，因此，設計具有移動性與收錄高品質訊 號資料之新式受波器系統，將有助於改善施測之效率使試驗程序更加 完善，並減少震波探測所耗費之金額與時效性。以下將介紹一些新式 受波器形式，將有效減少耗費的金錢與人力，並改善施測之效率。

Land streamer 為將多個受波器束制在皮帶上，拖著移動來擷取 震 波 資 料 。 Streamer 名 稱 的 由 來 ， 源 自 於 施 作 海 洋 震 測 時 將 hydrophone 拖曳在船尾，稱為 marine streamer，以接收大量的震波資 訊，如此施作的效率及判讀之結果，就海洋震測應用具有良好價值。

Marine streamer 良好的施做效率，及其方便的特性施做模式，經過發 展而有 land streamer 的出現。目前 land streamer 已有諸多研究，設計

上也有不同樣本，應用上，可使用於震波探測法中的反射法、折射法 和表面波震測上。(Geomatrics,2000)

陸地上使用的 streamer 需要面對地質構造複雜、地形崎嶇、背景 雜訊大擾亂資料收集等限制。早期極地震測使用 snowstreamer 在多方 的改革下 land streamer 應用在ㄧ般地質調查的廣度能見度也相對增 加，針對 landstreamern 所做得資料擷取判讀和傳統使用 spike 接收器 接收的震測資料的研究也愈益成熟。

目 前 Land streamer 已 有 多 種 創 新 的 製 作 模 式 (Geometrics 2003)，新式受波器系統和傳統的插入式受波器資料之可靠度與系統 適用性已漸成熟(Van der veen 1998，Geoprofiles 2003)，landstreamer 現地施測也以廣泛應用至折射與反射震測之震波探測上(Van der veen 1998,2001)。land streamer 適用在多種方面，在施作震測上，是一種”

可行又經濟的調查方式，相較於大量工作而昂貴的傳統的施測程序”

是為一更好的選擇(Geometrics 2003)。以下將介紹由不同研究單位與 商業機構所製作之 Land streamer 與資料比對。

(1) ETH,Switzerland

Van der Veen et al(1998,2001)，針對 land streamer 與傳統之插入式 受波器(spike geophone)所收錄之震波資料做了一完整的研究報告。該 研究所使用之 Land streamer，如圖 2.24。將多個 self-orienting gimbal

geophone(定位式平衡環受波器)，束制在橡皮帶上，藉由橡皮帶本身 之自重提供 gimbal geophone 良好的正向力與地表接觸，並避免訊號 纜線拖曳所造成之摩擦。(Krohn,1976 研究指出，插入式受波器與地 表束制之情況，將影響高頻波之遞減與訊號品質，未插入地表之受波 器可藉由增加受波器之重量加強與地面之接觸，減少束制不佳造成之 訊號減弱)。該研究將傳統式插入式受波器與 Land streamer 比對在不 同之地面環境所收錄之震波資料(草地、柏油路、砂礫石路面)，結果 顯示，可藉由增加受波器之重量或挖掘一小型溝槽放置受波器提高與 地面之接觸，改善震波資料品質，也證實該新式受波器系統有效的收 錄地下結構所傳遞出之訊息，與傳統插入式之受波器所收錄之資料只 有些微的差別，如圖 2.25 所示。

(2) KGS(Kansas Geological Survey)

KGS 所研發之 Landstreamer 和 Van der Veen et al 所使用之系統不 同，如圖 2.26，將插入式之受波器與類似雞爪釘之三角鑄鐵盤(Weight cutter)焊在一起，藉由該設計，可以在鬆軟之砂礫石或植被表面上的 到比較好的地面接觸，整組受波器乃束制在消防水管內，並於管內放 置鐵鍊，以增加受波器與地表之接觸與穩定性，消防管可減少因拖曳 對儀器所形成之破壞。

(3) Tyrens,Sweden

使用由 OYO 出產之 4.5Hz 受波器固定在 4kg 重之鐵板上，藉以

增加正向力與地面接觸，如圖 2.27 所示。圖 2.28 為該機構使用其 Landstreamer 施作 MASW 所描繪之 2-D 地下剪力波速剖面。

上述新式受波器設備，都藉由增加重量來改善受波器與地面之束 制行為，提高資料收錄的完整性。設備主要之差異在於受波器形式的 不同如圖 2.29(a)所示。Gimbal geophone 內具有傳統插入式受波器內 之速度感測器(三向度)，並放置在一黏滯性流體內(viscous fluid) 如圖 2.30(b)，減少雜訊對震波資料收錄的影響。並藉由流體的流動維持感 測器與地面的垂直度，該受波器亦可由施測者於實驗進行中，將位在 黏滯性流體之感測器固定，因此得以減少雜訊對震波的影響。

表面波能量遠大於實體波，使用 land streamer 收錄表面波訊號是 非常適合的，對於淺層地層探測的需要及解析度的要求，測線的長度 以及受波器的間距都很小，傳統插入式接收器作業上需耗費相當大的

表面波能量遠大於實體波，使用 land streamer 收錄表面波訊號是 非常適合的，對於淺層地層探測的需要及解析度的要求，測線的長度 以及受波器的間距都很小，傳統插入式接收器作業上需耗費相當大的