微動勘探技術在城市地質工作中的應用

卜志偉

遼寧省第四地質大隊有限責任公司 遼寧阜新 123000

城市地質是應對世界城市化加速發展的一門新興學科，主要是研究人類賴以生存的自然環境，包括地質結構、物質組成、地質過程及其與人類生產實踐活動的相互影響。合理地開展城市地質調查工作，能夠有效地查明城市地質條件、地質問題與地質資源，引導城市地質資源合理利用，規避城市地質安全風險，全面支撐城市規劃、建設和管理，開發城市地下空間，促進人地和諧[1]。

1 微動探測方法

1.1 微動探測原理

微動是地球表層由自然現象和人類活動引起的各種微弱震動的總稱，它具有以下特點：①地球表面無論何時何地都存在；②空間分布、觸發時間、強度、方向是隨機的；③面波能量占微動總能量70%以上；④在一定的時空范圍具有統計穩定性，可以用時間和空間上的平穩隨機過程描述。微動探測方法是以平穩隨機過程為依據，利用不同的觀測方式獲取微動信號，經數據處理和分析得到瑞雷面波的頻散曲線，根據瑞雷面波在非均勻介質中的頻散特性對頻散曲線進行反演，進而獲取地下介質的橫波速度的一種方法。

1.2 微動探測的數據采集

為了準確提取面波頻散信息，微動探測方法主要通過二維臺陣采集信號，臺陣的布置方式主要有圓形臺陣、內嵌三角形臺陣、L形臺陣等，目前使用最為廣泛的是圓形臺陣。圓形臺陣中觀測臺站的數量為4-13個，一個布置于圓心位置，其他則均勻布置在圓周上。也可以將多個圓形臺陣進行組合，形成多重圓形觀測臺陣。臺陣中測量臺站越多，頻散曲線的連續性越好，能量峰值越集中，誤差也就越?。粓A形臺陣的探測深度與圓形的半徑成正比，一般為3-5倍半徑。由于微動信號在時間及空間上具有隨機性，為了保證提取的頻散曲線的質量，數據采集必須足夠長，一般為10-15min。

1.3 微動探測數據處理

微動探測方法面波頻散信息提取主要采用空間自相關法，根據空間自相關函數和零階第一貝塞爾函數的關系計算出面波的相速度，進而得到面波的頻散曲線。頻散曲線的反演是基于其正演方法，即建立面波的方程及方程的求解，并與實測資料進行迭代擬合，獲得橫波信息，目前主要利用局部線性化方法中的最小二乘法。

2 微動勘探的特點及優勢

微動勘探無需人工場源，屬于被動源勘探，即不同于常規地震勘探需要人工震源，它是利用地球無時無刻都存在的微動提取面波信號的一種勘探手段。微動信號微弱，其振幅在10-4-10-2mm量級之間，人類難以感知，只有靈敏的地震計才可以記錄到。微動信號來源廣泛，但主要分為兩類：一類是頻率低于1Hz的微動，源于各種自然現象，例如大氣洋流、海陸作用及火山地震等，這類微動信號通常也被稱作長波微動；另一類是頻率高于1Hz的微動，源于人類活動，例如工廠、汽車及日?；顒拥?，這類微動通常也被稱作常時微動。這些微動信號通過地下介質不斷散射再到達接收點被記錄，攜帶了大量地下結構信息和震源信息，因此可以利用微動信號提取面波信息，成像地下結構。在勘探時，微動勘探主要通過將儀器形成特定的臺陣來進行微動信號收集。臺陣主要選用三重圓臺陣、“+”或直線形。微動勘探儀器相比較于常規地震勘探儀器，小巧輕便的多，單人即可攜帶使用，如GN209遠程實時微動系統，輕便小巧，擺放方便，數據采集時間短，只需數人即可完成數據采集工作。數據采集后，便可從微動信號中提取面波頻散曲線，通過對頻散曲線反演獲得地下介質的S波速度結構，以探查地質構造。MicroSWP微動處理軟件，處理高效快捷，能夠在數據采集完成的數小時內完成處理成圖工作。相較于其他常規地球物理勘探手段，微動勘探測線布置方便靈活、不受城市干擾影響，儀器輕便、數據采集效率高、省時省力，數據處理快捷高效，整個勘探過程對環境友好，無破壞性和侵入性。微動勘探的這些優點，決定了它能夠很好地適應并完成城市地質調查中的多種勘探工作，如勘查城市排水管道、檢測工程裂隙、陷落柱、采空區、巖溶溶洞、尋找斷層破碎帶、地熱地下水勘查等[2]。

3 微型勘探技術在勘察中的應用

3.1 采空區的探測

采空區通常指由人工挖掘或者天然地質運動在地表下面產生的空洞，具有隱伏性強、空間分布規律性差，采空區頂板冒落塌陷情況難預測等特點，隨著城市地質調查工作的展開，對地下空區的探測尤為重要，例如城市軌道交通工程，大部分為地下工程，由于荷載大，運營震動等原因，采空區對軌道交通施工、運營帶來重大安全隱患。采用單點與剖面探測相結合的微動探測方法，在進行采空區探測中效果較好，將單點反演s波速度曲線疊加于視s波速度剖面上，可以直觀標定層位，分析巖性的縱、橫向變化，通常低速度異常為空區，松動巖層、裂隙的反映，再結合其他地質資料及物探方法，可以有效識別采空區分布的范圍輪廓。

3.2 風化殘留體探測

巖漿地區球狀風化一種常見的地質現象，巖漿巖風化殘留體在勘探過程中不易被發現，在工程施工中很容易由此導致工程設計出現誤差、施工困難、結構失穩、甚至還會誤導勘察結果，從而對工程及建筑物造成斷樁、鉆孔條件難判定以及建筑物發生裂縫等問題。利用微動勘探技術對巖土分層進行勘察時，可以對風化殘留物進行探測。在微動屬性參數中，風化殘留物對相速度、自相關系數以及H/V值都是有直接關系的，通常在頻率相速度等值圖中風化殘留物為高速異常；在H/V比值線圖中，該殘留物表現為多峰異常且凸起；在頻率自相關系數等值圖中，該殘留物表現為高值異常[3]。

4 結語

微動勘探在城市地質調查中是具有明顯優勢的一種勘探方法。通過實際案例，證實了微動勘探在城市地質調查的各個方面均有著很好地發揮，應用效果顯著。