劉 磊, 王斌戰(zhàn), 裴 銀, 唐啟家

(1.湖北省地質(zhì)局 地球物理勘探大隊,湖北 武漢 430056; 2.湖北省地質(zhì)局 第七地質(zhì)大隊,湖北 宜昌 443100; 3.中國地質(zhì)大學(武漢) 地球物理與空間信息學院,湖北 武漢 430074)

在傳統(tǒng)城市地球物理勘探方法(以下簡稱物探方法)中，人文活動、交通運輸和工程建設等外在因素常被視為干擾傳統(tǒng)物探方法施作或是影響物探方法精確度的重要因素。隨著中國城市化率的逐年提高，傳統(tǒng)物探方法在城市地質(zhì)調(diào)查相關(guān)工作中受到了嚴重的制約。因此，發(fā)展或改進現(xiàn)有物探方法，使其能適應國內(nèi)城市建設所帶來的影響具有重要的實際意義。

對于地震勘探來說，自然界和人類所產(chǎn)生的活動，如潮汐、交通工具的移動、機器運行等會產(chǎn)生可觀的背景噪聲。這些噪聲70%以上是以面波的形式傳遞，SPAC法利用這些噪聲進行地下結(jié)構(gòu)的成像是近年城市物探的重要方法之一。背景噪聲成像技術(shù)擺脫了傳統(tǒng)物探方法須在低干擾環(huán)境下施測的限制，可以由噪聲互相關(guān)函數(shù)中提取面波經(jīng)驗格林函數(shù)，有效得到地下速度結(jié)構(gòu)。近年來，國內(nèi)有許多利用噪聲成像方法進行城市物探工作并取得成功的案例，如在煤礦的陷落柱識別[1]、城市地下空洞和風化體等探測[2]、城市軌道工程的異常體(如孤石)檢測[3]等。除了一般城市物探外，噪聲成像方法也可用于地下隱伏斷層探測[4]、地熱勘探[5]等具有實際應用價值的領域。

相較于傳統(tǒng)以主動源為主的物探方法，地震背景噪聲成像(SPAC法)具有無破壞性、受探勘區(qū)域地形及人為干擾較少等特點，非常有利于在城市或背景干擾較大的區(qū)域進行施測，此方法的發(fā)展和應用，將能有效地為中央政府在推行宜居城市建設中提供重要的技術(shù)支撐。

1 地質(zhì)構(gòu)造及地熱存儲條件

宜昌市城區(qū)一帶，在地質(zhì)構(gòu)造上位處揚子準地臺的上揚子臺坪鄂中褶斷區(qū)西部的黃陵斷穹東翼與江漢斷陷盆地的過渡帶。區(qū)域構(gòu)造線主要為NNE、NNW-NW和NWW-近東西方向(見圖1)。

黃陵斷穹東翼自西向東由老至新分布地層主要為震旦系下統(tǒng)陡山沱組(Z1d)、震旦系上統(tǒng)—寒武系下統(tǒng)燈影組(Z2-∈1d)、寒武系下統(tǒng)牛蹄塘組與石牌組(∈1n+∈1)及天河板組(∈1t)、寒武系下統(tǒng)石龍洞組(∈1sl)與覃家廟組(∈1q)、寒武系上統(tǒng)—奧陶系下統(tǒng)婁山關(guān)組(∈3-O1l)、奧陶系下統(tǒng)南津關(guān)組—牯牛潭組(O1n-O1g)、奧陶系中統(tǒng)廟坡組(O2m)和中—上統(tǒng)寶塔組(O2-3b)以及奧陶系上統(tǒng)—志留系下統(tǒng)龍馬溪組—羅惹坪組(O3-S1l-S1lr)和志留系下統(tǒng)—中統(tǒng)紗帽組(S1-2)等。中生界白堊系下統(tǒng)石門組(K1)、五龍組(K1w)和上統(tǒng)羅鏡灘組(K2l)—跑馬崗組(K2p)自西向東亦由老至新廣泛分布，并不整合于前白堊系各地層之上。其中震旦系—奧陶系主要巖性為碳酸鹽巖，志留系主要為砂頁巖，白堊系為一套以泥質(zhì)粉砂巖、泥巖、含礫粉砂巖為主夾砂礫巖的紫紅色碎屑巖建造。

圖1 宜昌市區(qū)域構(gòu)造略圖(1∶100萬)Fig.1 Regional tectonic sketch of Yichang1.張性斷裂;2.張扭性斷裂;3.扭性斷裂;4.挽近期活動性斷裂;5.性質(zhì)不明斷裂;6.推測斷裂與隱伏斷裂;7.侏羅紀盆地;8.中新生代與新生代盆地或槽地;9.第四系松散堆積物;10.第三系—白堊系碎屑巖;11.侏羅系碎屑巖;12.三疊系—震旦系碳酸鹽巖夾碎屑巖;13.前震旦系變質(zhì)巖;14.前震旦系巖漿巖。

地熱存儲的形成一般均需具備以下4個條件：①具有儲存熱水的空間(溶洞、溶隙、裂隙、孔隙)；②熱儲層上覆有較厚的保溫蓋層；③地熱流體進行循環(huán)的通道(一般為深大斷裂)或地下有豐富的熱源補給；④熱儲流體有豐富的補給來源。宜昌市城區(qū)位處黃陵斷穹東翼，城區(qū)西側(cè)南津關(guān)以西奧陶系、寒武系和震旦系上統(tǒng)的碳酸鹽巖地層廣泛分布，且?guī)r溶和裂隙(溶隙)均較發(fā)育，尤其是寒武系及奧陶系碳酸鹽巖更是如此，成為區(qū)內(nèi)主要的熱儲層，其中分布面積不下700 km2，皆為以8°～15°傾角向東緩傾，至宜昌市東部，埋深均在750～2 000 m或更深。南津關(guān)以西總厚度超過1 200 m的可溶性巖層，為接受大氣降水和地表水的入滲提供了豐富的補給來源；南津關(guān)以西地殼為以上升運動為主,以東則為以下降運動為主的接合地帶，因而在此升降差異劇烈的地帶，極有可能伴隨隱伏的斷裂構(gòu)造成生。以上這些，為宜昌市城區(qū)東部地下熱儲的形成造就了有利的地質(zhì)環(huán)境條件(見圖2)。

2 SPAC方法原理

由于背景噪聲的信息主要是以面波的形式存在，因此背景噪聲具有傳播速度隨頻率或周期變化的特點。本研究使用在背景噪聲成像中常用的空間自相關(guān)技術(shù)(Spatial Auto Correlation,簡稱SPAC法)，此技術(shù)最早是由Aki在1957年提出，用于提取面波頻散曲線的一種方法[6]。常規(guī)的信號采集及處理大致可以分為3個步驟:數(shù)據(jù)采集及預處理;頻散曲線的提取;S波速度構(gòu)造反演。具體方法如下：

(1) 數(shù)據(jù)采集。SPAC法需在圓心及不同半徑的圓周上布置正三角形臺陣，可允許多層臺陣同時存在。本研究中采用4層臺陣，各個圓周的半徑由內(nèi)到外分別為100、200、400及800 m(圖3)。陣列的半徑一般稱為觀測半徑，最大探測深度約為最大觀測半徑長度的4倍。本研究采用重慶地質(zhì)儀器廠所生產(chǎn)的EPS-2A短周期地震儀，采樣時長約為3 h。在求SPAC系數(shù)之前需要對每個臺站的數(shù)據(jù)進行預處理，預處理的目的是盡量突出有效噪聲信號，減弱儀器響應或其它一些因素對有效信號的影響。SPAC方法數(shù)據(jù)預處理包括了去趨勢、去均值和預濾波三個步驟。根據(jù)后期數(shù)據(jù)處理結(jié)果表明，所采集的野外數(shù)據(jù)信號集中在0.5～6 Hz之間，所以在預濾波時選取了0.2～8 Hz之間的頻帶范圍。

圖2 宜昌市城區(qū)地下熱水形成模式剖面示意圖Fig.2 Section diagram of formation model of underground hot water in Yichang City1.泥質(zhì)粉砂巖;2.砂礫巖;3.頁巖、泥巖;4.白云巖;5.灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r;6.地熱流體徑流方向。

圖3 SPAC臺陣數(shù)據(jù)采集示意圖Fig.3 Schematic diagram of data acquisition for SPAC array

(2) 提取頻散曲線。將采集到的原始數(shù)據(jù)分為若干段，對各段數(shù)據(jù)進行窄頻段的帶通濾波，分離出各個不同頻段的能量信息。計算每個小段的PSD并疊加平均作為該小時噪聲數(shù)據(jù)的功率譜密度，對于一段噪聲y(t)，其功率譜密度頻率域的計算公式如下：

式中:Δt為采樣間隔;N為采樣點數(shù);Pk為功率譜密度。功率譜密度函數(shù)在全球新高噪模型和全球新低噪模型之間方為合格，反之不合格。圖4為實際采集數(shù)據(jù)的功率譜密度，可以看出所有儀器觀測到的噪聲均在全球新高噪聲模型和新低噪聲模型范圍內(nèi)，說明該時間段地震計記錄的噪聲水平為有效的、可信的。接下來對各個頻率段分別計算相同半徑圓周上各點與中心點之間的垂直分量互相關(guān)系數(shù)，并求取方位平均，再對相關(guān)系數(shù)進行擬合，得到瑞利波的頻散曲線。

(3) S波(橫波)速度結(jié)構(gòu)反演。一般情況下，S波對于地殼內(nèi)的巖石裂隙和液體的存在與否相當敏感。在提取瑞利波的頻散曲線后，采用CPS軟件(Computer Programs in Seismology，是美國圣路易斯大學地震中心開發(fā)并維護的一款地震學軟件包)對相速度頻散曲線進行反演。初始模型設置則參考Xia等人[7]提出的計算方法，最后保存24條頻散曲線和其各自響應點的坐標，反演地下介質(zhì)的S波速度結(jié)構(gòu)，并利用S波的特性，找出可能的地熱儲層區(qū)域。

圖4 實際采集數(shù)據(jù)功率譜密度圖Fig.4 Power spectral density map of actual data acquisition

3 微震剖面頻散曲線及S波速度結(jié)構(gòu)

3.1 頻散曲線特征分析

本研究區(qū)布設二條走向沿東北—西南向的剖面，1測線 (點號1～6)和2測線 (點號7～12)計算得到的頻散曲線如圖5及圖6。1測線各點的頻散能譜圖顯示各測點的頻率—能量對應關(guān)系良好，提取出的頻散曲線可信度高。在2 Hz以上，各觀測點速度值相近，變化范圍在1.5～1.8 km/s之間，說明1剖面各觀測點對應的淺部地層的速度結(jié)構(gòu)差異不大。在1～2 Hz之間，除了4號和5號測點之外，其他測點顯示出隨頻率降低，波速明顯提高的現(xiàn)象，這表明在4號和5號測點底下，淺—中深層的速度開始出現(xiàn)差異，尤其以5號測點最為明顯。在頻率低于1 Hz的區(qū)段，5號測點測到的波速最低，范圍約在1.1～2.5 km/s之間，表明在5號測點底下的深部區(qū)域存在低速區(qū)。

測線2的頻散能譜圖依然展示了很好的能量—頻率對應關(guān)系，各測點計算得到的頻散能譜分布相當清晰。整體而言，測線2在低頻部分呈現(xiàn)出較測線1為低的波速。8號測點和10號測點在低于1 Hz的部分，波速明顯較兩旁的測點低，這表明這兩個測點底下深部區(qū)域存在低速區(qū)。

3.2 剖面 S波速度結(jié)構(gòu)

瑞雷波頻散特性與介質(zhì)厚度、密度、P和S波速度有關(guān)，由于瑞雷波頻散對S波速度更為敏感，因此一般情況下SPAC法主要用于獨立反演S波速度結(jié)構(gòu)。在斷層(破碎帶)發(fā)育、巖性有明顯變化的區(qū)域，因為不滿足水平層狀均勻介質(zhì)的理論假設，導致SPAC法對相速度的低估，從而在S波速度剖面上出現(xiàn)低速異常，這是識別隱伏斷層、含水破碎帶等地質(zhì)構(gòu)造的標志。

測線1剖面長為700 m，2～5號測點的間距為100 m，最外圍1及6號測點距相鄰點位的距離為200 m(圖7)。

圖6 測線2頻散能譜圖及頻散曲線Fig.6 Line 2 frequency dispersive spectrum and dispersion curve

在本研究中，由于缺乏測井資料，因此S波速度剖面的結(jié)果是假設地表波速為1.2 km/s所計算出的相對速度，并不精確代表實際速度值，但對于低速區(qū)的判別和可能的構(gòu)造解釋并無任何影響。測線1橫波速度在淺部(0～1 200 m)顯示出局部起伏，整體速度值約在2.6 km/s以內(nèi)，推測此深度范圍內(nèi)為白堊系地層。在1 200～2 000 m深度，速度結(jié)構(gòu)大致呈現(xiàn)水平層狀，但在3～5號點之間，S波速度出現(xiàn)高速區(qū)，推測是基底隆起或者為隱伏的背斜構(gòu)造，主要為志留系地層；深度2 000～3 000 m，明顯存在一個低速異常區(qū)。結(jié)合地質(zhì)資料，推測本區(qū)北北東方向的隱伏斷裂構(gòu)造存在于測線1的5號點下方約1.8 km處，為形成地熱的有利部位，主要為奧陶系—寒武系老地層。

測線2布設方式和測線1相同，布設走向大致和測線1方向平行，剖面長度同樣為700 m，且10號點穿過已知鉆孔，每日出水量為500 m3，溫度為49 ℃ (圖8)。S波速度在0～1 000 m深度范圍內(nèi)，基本呈現(xiàn)水平層狀特征；當深度超過1 000 m之后，S波速度出現(xiàn)明顯的變化，展現(xiàn)出強烈的橫向不均勻性。在8號點、10號點出現(xiàn)2處明顯相對低速，10號點的低速區(qū)和鉆孔探測情況相符。從10號點前期鉆探成果來看，0～650 m，S波速度顯示淺部發(fā)育低速層，主要為白堊系地層；650～1 100 m，S波速度剖面顯示此深度為低—高速層的過渡帶，層位相對水平，主要為志留系地層；1 100～3 000 m，S波速度大致呈現(xiàn)相對高速，但存在明顯的低速區(qū)域，此深度主要為奧陶系—寒武系老地層。10號點橫波速度在深部1.5 km以下出現(xiàn)明顯相對低速與已知熱水鉆孔位置相吻合，推測有一隱伏斷裂(F2)，為該區(qū)熱源提供了通道。8號點與10號點橫波速度較為類似，推測為與F2斷裂平行的隱伏斷裂，該位置也是形成地熱的有利部位。

圖7 測線1反演S波速度剖面及推斷地質(zhì)斷面圖Fig.7 Inversion of S wave velocity profile and geological inference map of line 11.推斷隱伏斷裂;2.推斷地質(zhì)界線。

圖8 測線2反演S波速度剖面及推斷地質(zhì)斷面圖Fig.8 Inversion of S wave velocity profile and geological inference map of line 21.推斷隱伏斷裂;2.推斷地質(zhì)界線。

4 結(jié)論

由于地震背景噪聲成像可在交通繁忙、建筑密集及鉆探不易等傳統(tǒng)物探方法難以施行的地區(qū)(主要為城鎮(zhèn)區(qū))進行有效探測，利用SPAC法可反演出地下S波速度結(jié)構(gòu)，該方法近年來已成為國內(nèi)外常用于淺層或深層勘探的重要手段之一[8-9]。

(1) 本研究利用了SPAC法反演出二條剖面的S波速結(jié)構(gòu)，綜合測區(qū)地質(zhì)情況，推斷研究區(qū)存在F1、F2兩條斷裂，其中F1斷裂走向北北東，是工作區(qū)內(nèi)重要的導熱控熱構(gòu)造，此結(jié)果和現(xiàn)有鉆孔的鉆探結(jié)果相吻合。

(2) 本次研究發(fā)現(xiàn)了3處低速異常帶，其中1處經(jīng)鉆探已打到地熱水，其余2處為本次新發(fā)現(xiàn)，推斷是尋找地熱水的有利地段。

(3) S波速度結(jié)構(gòu)能夠很好地劃分地層界線，推斷的地質(zhì)界線與已知鉆孔吻合度高。

本次研究中缺乏淺層測井資料，因此無法對各深度的S波速度作標定，只能以相對速度的概念來判斷低速區(qū)，利用低速區(qū)的分布來推測可能的熱儲構(gòu)造。未來若能在研究區(qū)內(nèi)取得測井資料，將有助于反演出實際的S波速度結(jié)構(gòu)，使得勘探精度更高。

利用背景噪聲成像方法進行物探已經(jīng)興起十幾年，與傳統(tǒng)物探的電磁法或地震主動源勘探法相比，本研究使用的SPAC方法不用激發(fā)，不易受環(huán)境因素影響，有效地減少了勞動量及人為干擾。本研究成果說明SPAC法可以為地質(zhì)調(diào)查提供有效的參考資料，若與少量測井資料相結(jié)合，可快速、準確地獲得城市內(nèi)或背景噪聲較大地區(qū)的地下構(gòu)造，在全國城市化率逐年升高的背景下，有較明顯的應用優(yōu)勢。本次研究在城區(qū)內(nèi)成功地進行了一次背景噪聲地震成像工作，此結(jié)果對于未來尋找和判定地熱儲區(qū)的相關(guān)工作具有非常重要的示范和引導意義。