盛勇，賈慧濤，劉楊

（安徽省地球物理地球化學(xué)勘查技術(shù)院， 安徽 合肥 230001）

0 引言

微動是地球表面何時何地都存在的微弱震動，沒有特定震源，其振幅和形態(tài)隨時空變化而變化，在一定時空范圍內(nèi)又具有統(tǒng)計穩(wěn)定性，可用時間和空間上的穩(wěn)定隨機過程來描述[1]。微動的信號來源主要有兩種，分別為頻率高于1Hz的人類活動和頻率低于1Hz的自然活動。微動信號中包含了信號源、傳播路徑及地下結(jié)構(gòu)的信息，面波是其主要能量組成部分，占總能量的70%以上（Tokoz and Lacoss，1968）。

微動勘探方法是以平穩(wěn)隨機過程理論為依據(jù)，從微動信號中提取面波（瑞雷波）頻散曲線，通過對頻散曲線的反演得到地下介質(zhì)的橫波速度結(jié)構(gòu)，從而進行巖性分層及構(gòu)造分析的地球物理勘探方法。早在1887年，英國數(shù)學(xué)物理學(xué)家瑞雷（Rayleigh）預(yù)言了均勻半空間中存在一種振幅沿縱向呈指數(shù)衰減的彈性波，后來人們從天然地震記錄中證實了這種波，并稱之為瑞雷面波。隨著研究的深入，于20世紀50年代初，人們又發(fā)現(xiàn)瑞雷面波在層狀介質(zhì)中具有頻散特性，當時Haskell首先用矩陣方法計算了層狀介質(zhì)中瑞雷面波的頻散曲線，這就是利用瑞雷面波勘查地層結(jié)構(gòu)的理論基礎(chǔ)。1957年和1969年，Aki和Capon分別用空間自相關(guān)法(SPAC法)和頻率一波數(shù)法(F-K法)，從微動信號中提取出了面波，進而求出面波頻散曲線。Okada（1994,2003)、凌蘇群（1994）等對空間自相關(guān)法進行了改進，將擴展的空間自相關(guān)法應(yīng)用到不同觀測半徑的多重陣列中，提高了數(shù)據(jù)處理的效率，從而使微動探測技術(shù)由理論走向了實際應(yīng)用。2001年，美國內(nèi)華達州立大學(xué)John N.Louie提出折射微動信號處理的新方法折射微動（REMI），使一維新型排列微動信號的處理成為可能。2014年，Céline Davy、Guilhem Barruol等在西南印度洋通過微動和海底水聲觀測成功追蹤大洋風(fēng)暴。2016年，M Iodice、J Muggleton等通過多道面波分析方法結(jié)合FK法，檢測瀝青中的垂直裂縫，效果較好。2017年，Zhiqu Lu、Glenn V.Wilson等使用高頻表面波的多通道分析方法實現(xiàn)了土壤磐成像。1986年，王振東將微動探測技術(shù)介紹至國內(nèi)。1992年，冉偉彥等利用長波微動法在北京花鄉(xiāng)公園成功探測出熱儲層。2004，2007年，葉太蘭、何正勤等在北京等地進行了微動探測，為北京的地熱開發(fā)提供了3km深度以上的速度結(jié)構(gòu)，為確定地熱鉆孔提供了依據(jù)。2012年，徐佩芬等在江蘇多個地方深層地熱勘探中探測隱伏斷層、尋找深層地熱儲水構(gòu)造，并成功打出地熱水。研究表明微動剖面技術(shù)可有效探測隱伏斷裂構(gòu)造（熱水通道），間接探測地熱，同時單點微動測深可提供主要地層分層、埋藏深度等重要信息，為地熱井位選址提供重要信息。

微動勘探從微動信號中提取面波（瑞雷波）頻散曲線，通過對頻散曲線反演獲得地下介質(zhì)的S波速度結(jié)構(gòu)，進而探查地質(zhì)構(gòu)造。常用的提取面波頻散曲線的方法有頻率-波數(shù)法和空間自相關(guān)法，因?qū)嶋H工作中地形、環(huán)境等情況復(fù)雜，可以進行不規(guī)則布陣測量的頻率-波數(shù)法更利于野外施工。本文系統(tǒng)地研究了國內(nèi)外頻率-波數(shù)法微動探測技術(shù)的發(fā)展，在K.Tokimatsu （1992）研究基礎(chǔ)上，結(jié)合地熱勘探實際，在保證其淺層分辨率的基礎(chǔ)上拓展勘探深度。通過與鉆探資料比較證實：微動探測技術(shù)對斷層破碎帶、含水層導(dǎo)致的低速區(qū)非常敏感，勘探效果明顯。下面結(jié)合微動勘探地熱資源勘查的實例，來介紹微動技術(shù)的理論、方法及應(yīng)用效果。

1 微動技術(shù)

1.1 微動理論

微動信號中的面波包含瑞雷波（Rayleigh wave）和勒夫波（Love wave），其中勒夫波沒有垂直分量，所以對三分量信號中垂直分量做處理時，可以認為是對基階瑞雷波的處理。假定在微動信號垂直分量中，瑞雷面波相對占優(yōu)勢，則其在頻率-波數(shù)譜中與最大值點相對應(yīng)。設(shè)瑞雷面波頻率為fi，F(xiàn)-K譜最大值點對應(yīng)的波數(shù)為ki=(kxi,kyi)，則對應(yīng)于fi的面波相速度為

假定有M道拾震器，以長度L將每道數(shù)據(jù)分為N段，記第i和j道拾震器中第n塊數(shù)據(jù)的頻域信號為Fin(f)和Fjn(f)，得到N個頻域信號，求得到第i、j拾震器對應(yīng)的自功率譜Sii(f)、Sjj(f)和互功率譜Sij(f)。K.Tokimatsu、K. Shinzawa 和S. Kuwayama(1992)提出了高分辨率頻率-波數(shù)譜法[5]，即在處理時，用對互功率譜Sij(f)進行規(guī)格化，進而得到高分辨率頻率-波數(shù)譜：

其中，(xi，yi)、(xj,yj)分別為第i、j個拾震器的坐標，(kx,ky)為波數(shù)k在x、y方向的分量。

其中，Qi=(f,k)為矩陣exp[i(kx(xi-xj)+ky(yi-yj))]·Sij(f)的逆矩陣。

找到每一個頻率f在二維波數(shù)kx-ky平面上的高分辨率頻率—波數(shù)譜的極大值點位置，求得對應(yīng)的波數(shù)k，進而求得對應(yīng)頻率的相速度VR(f)。

從實測微動信號中提取出瑞雷波頻散曲線后，用經(jīng)驗公式:

（其中ti為周期）直接計算視S波速度Vx，通過半波長原理，計算探測深度：H=λ/2=Vx.ti/2，將相速度頻散曲線（Vr～f曲線）轉(zhuǎn)換成視S波速度Vx隨深度的變化曲線(Vx～H曲線)，再通過插值光滑計算，最終獲得視S波速度-深度剖面圖。

根據(jù)實測面波頻散曲線，通過遺傳算法優(yōu)化目標函數(shù)的反演，擬合得到測點地下各層的橫波速度以及層厚度等地層信息。

1.2 微動數(shù)據(jù)處理

微動數(shù)據(jù)處理分為預(yù)處理、提取頻散曲線和計算速度結(jié)構(gòu)，最終用視S波速度深度剖面圖描述處理結(jié)果。本文所使用的軟件為自主編制了高分辨率頻率-波數(shù)法處理軟件Micro-SWP，能夠?qū)崿F(xiàn)同步時間信號截取、面波頻散曲線提取、V-H速度結(jié)構(gòu)計算、繪制視S波速度-深度剖面圖等功能(圖1)。

1.3 微動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

本文所采用的微動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由拾震器、數(shù)據(jù)采集器兩部分組成。使用的重慶地質(zhì)儀器廠生產(chǎn)的CDJ-S2C-2型三分量拾震器和項目組自主研發(fā)的MicroGS微動數(shù)據(jù)采集器(圖2)。

微動勘探中，一般選擇三重圓形臺陣單點測量：每一重同心圓的圓周上呈等邊三角形布設(shè)3個臺站，圓心處設(shè)一個臺站（圖3）。每次測量時，10個臺站同時觀測、記錄數(shù)據(jù)（如圖4）。

實際生產(chǎn)中，采用二維微動剖面測量方式布設(shè)臺陣，如圖5。在完成第一個臺陣測量后，部分臺站不需要移動仍可用于后續(xù)測量；減少儀器搬動，可提高工作效率。

2 微動勘探地熱應(yīng)用實例

選取合肥某公園一處地熱勘田作為查區(qū)，區(qū)內(nèi)為第四系覆蓋，斷裂構(gòu)造發(fā)育，地層產(chǎn)狀總體走向為近東西，傾向北東，傾角10°～20°。據(jù)以往資料，實驗區(qū)內(nèi)除斷裂構(gòu)造含水外，白堊系上統(tǒng)張橋組（K2z）為主要含水層，該地層巖性為中、細粒砂巖，鈣質(zhì)砂巖夾砂質(zhì)泥巖。

表1 數(shù)據(jù)采集器參數(shù)指標Table 1 Microtremor survey data Collector Parameter Indexes

圖5 微動剖面測量示意圖Figure 5. Schematic diagram of microtremor section measurement

圖2 微動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)Figure 2. Microtremor data acquisition system

圖1 微動軟件界面Figure 1 Microtremor survey Software Interface

圖3 一重圓形臺陣示意圖Figure 3. Schematic diagram of a circular array

圖4 三重圓形臺陣觀測系統(tǒng)示意圖Figure 4. Schematic diagram of triple circular array observation system

2.1 剖面布置及測量參數(shù)

微動勘探剖面平行于以往的物探工作剖面，近似垂直于斷層F（如圖6所示）。采樣頻率250Hz，測量時長30～60min，采用三重圓形臺陣，臺陣半徑為50m～100m～200m，點距86m，測點7個。

2.2 數(shù)據(jù)處理

2.2.1 波數(shù)譜與頻散曲線

圖6 微動勘探工作位置布置示意圖Figure 6. Schematic diagram of working position layout for microtremor survey

圖7為1號點3.234Hz時的頻率波數(shù)譜，取波數(shù)譜極大值對應(yīng)的波數(shù)計算該頻率對應(yīng)的相速度，對應(yīng)波數(shù)k=0.0589，相速度V=345.34m/s；圖8為1號點頻散曲線。

2.2.2 速度結(jié)構(gòu)與視S波速度剖面

依上述方法，計算剖面中7個點的頻散曲線，通過經(jīng)驗公式(4)計算視S波速度Vx,i，從而得到視S波速度隨深度變化的剖面圖(圖9)，以判斷地下介質(zhì)結(jié)構(gòu)。

2.3 應(yīng)用效果分析

如圖10中所示，存在串軸狀的三個低速異常，推斷由斷層引起，而從圖6中可見，測區(qū)內(nèi)存在斷層F。因微動剖面受斷層影響，將測區(qū)內(nèi)鉆孔ZK1平行于F投影到微動剖面上，投影位置在剖面5號點和6號點之間。在圖10視S波速度剖面上5-6號點，400～500m之間存在低速異常，推斷此處為含水構(gòu)造。而在實測鉆孔ZK1中（見表2），在400～500m之間為中生界白堊系下統(tǒng)新莊組的含水地層，剛好與剖面圖中的低速異常相吻合。且各速度層與鉆孔中的地層深度基本一致。

3 結(jié)論

地熱資源的開發(fā)利用具有巨大的經(jīng)濟和社會價值，通常會優(yōu)先考慮城鎮(zhèn)等人口密集區(qū)。傳統(tǒng)物探手段大地電磁、CSAMT容易受到電磁干擾，人工地震對城市建筑安全和環(huán)境帶來危害。微動勘探技術(shù)觀測方便、無需人工源、不受電磁干擾，是城市地熱資源勘探的理想選擇。通過合肥某公園勘探實例可見微動勘探效果顯著：地層界面清晰，破碎帶等構(gòu)造明顯，含水層與低速異常有顯著的對應(yīng)關(guān)系。利用微動勘探對層狀地熱田進行界面分層，識別構(gòu)造是切實可行的。

圖7 1號點3.234Hz時的頻率波數(shù)譜Figure 7. Frequency wave number spectrum at 3.234Hz for point 1

圖8 1號點頻散曲線Figure 8. Frequency dispersion curve of point 1

圖9 1號點S波速度結(jié)構(gòu)Figure 9. Velocity structure of S-wave at point 1

微動項技術(shù)可實現(xiàn)無損勘探，對環(huán)境友好，符合綠色勘探理念；數(shù)據(jù)分布式采集，操作方便，經(jīng)濟高效；同時抗干擾能力強，適用于人口密集區(qū)；對異常敏感，探測效果好；且探測深度范圍大，對淺部和深部信息均可識別。在地熱資源勘查及城市建設(shè)中有很好的推廣前景。

圖10 視S波速度剖面與鉆孔對比圖Figure 10. Comparison between apparent S-wave velocity profile and borehole

表2 該公園ZK1鉆孔地層簡表Table 2. Stratigraphic profile of borehole ZK1 in the park

盡管如此，微動技術(shù)的觀測系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理還有很大的提升空間，對地熱構(gòu)造的正演模擬和反演方法的改進可有效提高解釋的精度和可信度。