劉 楊，盛 勇，賈慧濤

(安徽省地球物理地球化學勘查技術(shù)院，安徽 合肥 230022)

1 引 言

微動探測技術(shù)采集天然場源微動信號、不對環(huán)境產(chǎn)生任何影響，不受電磁干擾，操作簡便，探測深度大，在城鎮(zhèn)等電磁和噪聲干擾強、不可破壞的勘探環(huán)境中優(yōu)勢明顯。該方法可通過探查儲水空間，如破碎帶或溶洞(空隙)，間接勘探熱儲資源，因而越來越多地被用于地熱資源勘查。傳統(tǒng)的地熱勘探方法有電法、人工地震等。實際工作中，常規(guī)電法受體積效應(yīng)影響，目標體深度越大，體積效應(yīng)影響越明顯，因而在電阻率較大的地區(qū)尋找深部低阻目標體難度較大；人工地震方法成本相對較高，在人口和建筑相對密集的景區(qū)施工時，存在一定的安全隱患。微動探測綠色環(huán)保、抗干擾能力強的特性非常適合城鎮(zhèn)地熱資源(如溫泉)的勘探需要，與傳統(tǒng)物探手段一起用于地熱資源聯(lián)合勘查，可以取得更好的勘探效果。

微動探測技術(shù)，從微動信號中提取出面波頻散曲線是最關(guān)鍵的步驟，最早由Aki(1579)[1]提出了空間自相關(guān)法(the Spatial Auto-correlation Method，SPAC)，后由Okada(1994，2003)、凌甦群(1994)[2,3]等人發(fā)展改進，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，使微動探測技術(shù)由理論走向了實際應(yīng)用。該方法傳入國內(nèi)(王振東，1981)[4]后，經(jīng)劉云禎等(1996)[5]、徐佩芬等(2012)[6]的研究，在資源勘探和地災調(diào)查領(lǐng)域取得了許多成果。頻率—波數(shù)譜法(Frequency Wavenumber Method，F(xiàn)-K)是另一種微動信號中提取頻散曲線的基本方法，由Capon(1969)[7]和Lacoss等(1969)[8]提出，經(jīng)過Asten(1979)[9]、Horike(1985)[10]和Tokimatsu等(1992)[11]發(fā)展，證實該方法能有效估算淺表剪切波速度。近年來，在淺表工程勘探，如城市地鐵盾構(gòu)施工不良地質(zhì)體探測(劉宏岳等，2017)[12]等領(lǐng)域得到發(fā)展應(yīng)用。研究證實：頻率-波數(shù)譜法分辨率高，對異常敏感，可根據(jù)勘探目標體的具體情況靈活布設(shè)臺陣，操作簡便，工作效率高，在工程勘察和資源調(diào)查中很有優(yōu)勢。

圖1 微動觀測臺陣示意圖

安徽省地球物理地球化學勘查技術(shù)院受安徽省國土資源科技項目支持，從2016年起對微動探測技術(shù)進行了系統(tǒng)研究，在Capon(1969)[7]和Tokimatsu等(1992)[11]對微動技術(shù)中高分辨率頻率-波數(shù)譜法測算淺層剪切波速度結(jié)構(gòu)研究的基礎(chǔ)上，發(fā)展出一整套包含工作儀器、技術(shù)設(shè)計、野外工法及質(zhì)量評價、數(shù)據(jù)處理軟件(MicroSWP微動處理軟件)、異常分析解釋的多臺陣微動剖面觀測技術(shù)，可實現(xiàn)松散、破碎、含水等導致視橫波速度異常的地下結(jié)構(gòu)的快速識別。該方法秉承了頻率-波數(shù)法高分辨率[7]和自由臺陣的特點，拓展了該方法的勘探深度和應(yīng)用廣度，增強了其實際應(yīng)用能力，將該方法進一步從試驗研究推廣至生產(chǎn)應(yīng)用，在資源勘查(盛勇等，2019)[13]、環(huán)境地質(zhì)調(diào)查和城市地質(zhì)調(diào)查(賈慧濤等，2020)[14](范長麗等，2020)[15]等領(lǐng)域取得理想效果。本文通過在某山區(qū)應(yīng)用微動與電法聯(lián)合勘探地熱資源的實例，介紹微動高分辨率頻率-波數(shù)譜法勘探方法及技術(shù)特點。

2 微動探測方法

2.1 微動

微動是一種廣泛存在于地球表面，沒有特定震源的微弱振動。在一定時空范圍內(nèi)，微動信號的振幅和形態(tài)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(AKi，1957)[1]。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。微動可分為常時微動和長波微動，前者主要成分頻率大于1 Hz，由人類、機械活動產(chǎn)生；后者主要成分頻率小于1 Hz，由各種自然現(xiàn)象活動產(chǎn)生(Thksoz等，1968)[16]。實際生產(chǎn)中，常利用長波微動進行深部目標探測，例如深大斷裂、深部地熱等；利用常時微動進行淺部精細結(jié)構(gòu)勘探，如大壩滲漏檢測、城市地質(zhì)調(diào)查等。

2.2 微動探測技術(shù)

微動探測技術(shù)，是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獲得測點地下各層的橫波速度以及層厚度，以探查地質(zhì)構(gòu)造的地球物理探測方法。頻率-波數(shù)譜法(F-K法)是微動探測中的一種基本方法，使用此法時，可針對勘探目標靈活使用各種臺陣，對稱的圓形臺陣可用，十字型、L型、直線型、不規(guī)則型也可選用。針對巖溶、采空區(qū)、地下構(gòu)筑物等體積形的目標體可采用面積形布陣方式，針對管線等線性目標體可采用直線型布陣方式[13,14]，大大提高了工作效率。

2.3 高分辨率頻率—波數(shù)譜法微動探測理論

微動信號是復雜的空間隨機波場，頻率-波數(shù)法假設(shè)微動信號是空間、時間上的平穩(wěn)隨機過程，并且沿水平向傳播通過觀測臺陣，引入頻率F-波數(shù)K來描述波場的空間變化，用頻率-波數(shù)(相速度V)譜描述面波的頻散關(guān)系和傳播機制。通常使用的是微動信號中的垂直分量，其中的瑞雷面波相對占優(yōu)勢，在頻率-波數(shù)譜中反映為能量最大值。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)。計算頻率-波數(shù)功率譜的方法有很多，常用的有：聚束法(Frequency Domain Beam-forming Filtering)[8]、最大似然法(Maximum Likelihood filter)和多信號分類法(Multiple Signal Characterization(MUSIC)Algorithm)[17]等。Capon[7]的研究證實最大似然法擁有更高的分辨率，并以該方法分辨率高、對異常敏感的特性將其命名為高分辨率頻率-波數(shù)譜法(High-Resolution Frequency-Wavenumber Spectrum Analysis)。

exp[i(kx(xi-xj)+ky(yi-yj))]

(1)

式(1)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。

(2)

式(2)中，Qij(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)，從而得到瑞雷波頻散曲線。

在瑞雷波頻散曲線的基礎(chǔ)上進行反演，即可得到最終的微動視S波速度—深度剖面。通過經(jīng)驗公式：

(3)

式(3)中，ti為周期，直接計算視S波速度Vx,i，再通過半波長原理將Vx,i與ti的對應(yīng)關(guān)系轉(zhuǎn)換成Vx,i隨深度H的變化曲線(Vx,i～H曲線)，最終獲得視S波速度剖面圖，微動剖面探測獲得的視S波速度是一種近似的剪切波速度，但可以用來表征真實S波速度的變化趨勢。基于以上原理，安徽省地球物理地球化學勘查技術(shù)院自主開發(fā)了MicroSWP微動處理軟件，實際勘探中應(yīng)用效果良好[13-15]。本文中涉及的微動數(shù)據(jù)處理均使用該軟件。

3 某地熱資源勘探實例

本次研究區(qū)域位于大別山某地山中谷地，已有熱水(泉)井的分布，希望通過物探工作查明該區(qū)淺部地熱資源的形成條件，尋找深部的斷裂構(gòu)造，為下一步實施地熱水文勘查深孔的布置提供科學依據(jù)。最初設(shè)計以電法為主，進行了聯(lián)剖、激電等五種傳統(tǒng)電法勘探，然而沒有發(fā)現(xiàn)反映富水熱儲位置的低阻區(qū)域，進而布置地熱水文勘查深孔。開展微動工作后，成功探明了地下熱儲構(gòu)造，并在預測位置成功打出熱水。

3.1 工區(qū)地質(zhì)概況

研究區(qū)地層簡單，除了零星分布的全新統(tǒng)松散層外，其余則是大面積出露的上太古界變質(zhì)巖。勘查區(qū)及附近地層巖性及厚度見表1。根據(jù)現(xiàn)場基巖露頭調(diào)查，已有熱水(泉)井附近的地層基本為程家河組的大理巖，含黑云母斜長片麻巖組合。

表1 勘查區(qū)地層特征

3.2 微動數(shù)據(jù)采集

野外工作開展前，需搜集資料，通過試驗，結(jié)合以往的工作經(jīng)驗確定檢波器主頻、觀測臺陣、觀測時長和采樣頻率等采集參數(shù)[18]。

3.2.1 檢波器頻率

首先需搜集測區(qū)地質(zhì)、地球物理和鉆孔資料，確定區(qū)內(nèi)地層橫波速度，若無具體資料，則可根據(jù)巖性等信息估算波速范圍。根據(jù)半波長原理，有效波長須達到目標深度的兩倍，結(jié)合波速信息，可計算所需的頻率范圍。對于投入使用的檢波器開展一致性試驗，確定有效測量頻段，若所需頻段范圍在有效測量頻段內(nèi)，則該頻率檢波器可用。根據(jù)經(jīng)驗總結(jié)，淺部探測采用高主頻檢波器，深部探測采用低主頻檢波器，對深度在1 000 m之內(nèi)的目標體，檢波器的頻率范圍在0.2～10 Hz內(nèi)。本文使用的檢波器主頻為2 Hz。

3.2.2 觀測臺陣

觀測臺陣半徑通常需在測區(qū)內(nèi)試驗確定。布設(shè)不同的觀測半徑進行對比試驗，不同的觀測半徑測量深度不同，通過計算結(jié)果，結(jié)合探測目標深度，確定合適的臺陣半徑。特殊情況下可根據(jù)一般經(jīng)驗選擇臺陣半徑，即臺陣最大半徑為目標深度的1/2～1/10倍，宜采用1/5倍進行布設(shè)。(探測深度≤500 m時，最大觀測半徑不應(yīng)小于探測深度的1/5；探測深度>500 m時，最大觀測半徑不應(yīng)小于探測深度的1/3。)臺陣的形狀一般可根據(jù)測區(qū)實際情況選擇(參見2.2)。本文布設(shè)微動測線一條(圖2)，跨過已知鉆孔與已知電法剖面80線重合，為兼顧勘探深度和勘探精度，采用三重圓形臺陣(圖3)，臺陣半徑為30 m-60 m-120 m，點距52 m，探測點7個。

圖2 微動探測工作布置示意圖

圖3 三重圓形臺陣示意圖

3.2.3 觀測時間

觀測臺陣微動信號是空間、時間上的平穩(wěn)隨機過程，只要測得的有效信號滿足時間空間上的平穩(wěn)隨機性就可以進行計算。根據(jù)安徽省內(nèi)多地多次試驗結(jié)果，對目標體在1 000 m內(nèi)的工作，一般單點測量時長30～60 min。場地內(nèi)干擾較大的情況，需延長采樣時間以確保數(shù)據(jù)質(zhì)量。本次工作中單點測量時長30～60 min。

3.2.4 采樣頻率

根據(jù)奈奎斯特采樣定理，當采樣頻率大于信號中最高頻率的2倍時，采樣之后的數(shù)字信號能完整的保留原始信號的信息。工作中根據(jù)3.2.1確定測量所需的最大頻率fmax，保證采樣頻率不小于2倍的fmax即可，而一般情況下，筆者常用4fmax～10fmax。本次工作中選用的采用頻率為250 Hz。

3.3 微動數(shù)據(jù)處理

本文采用安徽省地球物理地球化學勘查技術(shù)院自主研發(fā)的MicroSWP微動處理軟件處理微動數(shù)據(jù)。用高分辨率頻率-波數(shù)譜法逐點提取頻散曲線，通過經(jīng)驗公式(3)計算視S波速度，再通過半波長原理換算視S波速度隨深度的變化曲線，最后將7點曲線插值，得到視S波速度剖面圖。

首先計算每個探測點的頻散曲線，圖4為5號點2.624 5 Hz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V，對應(yīng)波數(shù)k=0.014 4，相速度V=114 8.8 m/s；圖5為實測7個點的頻散曲線。

圖4 頻率-波數(shù)譜(5號點2.624 5 Hz)

圖5 頻散曲線(1～7號點)

單點頻散曲線計算完成后通過式(3)計算視S波速度Vx,i，從而得到視S波速度隨深度變化的單點曲線(圖6)和剖面圖(圖7)，以判斷地下介質(zhì)結(jié)構(gòu)。

圖6 S波速度結(jié)構(gòu)(5號點)

圖7 微動視S波速度剖面

3.4 微動探測成果

微動視S波速度隨地層深度的增加而增大，可能富水的破碎帶則顯示低速異常。圖7中可以直觀地圈定高速圍巖包裹的6處低速異常。其中，4號點下方200 m處的低速異常與已知鉆孔ZK(圖2)出水位置吻合。其他5處低速異常中規(guī)模最大、異常最明顯的是5號點下方450 m深處和650 m深處的兩處低速異常，推測為含水破碎帶引起；2號點下方的三處低速異常中，550 m深處的低速異常和850 m深處的低速異常推測為連通的斷裂構(gòu)造，360 m深處的低速異常規(guī)模小且被高速圍巖包圍，推測含水可能性較小。綜合以上分析認為：本次微動探測結(jié)果與以往水文鉆孔資料吻合；5號點下方450～650 m存在熱儲的可能性最大，2號點下方550～850 m有一處斷裂構(gòu)造，有與5號點下方熱儲連通含水的可能，建議熱水文勘查深孔布置在微動剖面5號點附近位置。

3.5 鉆孔驗證情況

后期在微動建議井位ZK01(圖2)進行鉆探驗證，成功打出熱水。鉆進過程中共有三次明顯的涌水：

1)鉆進至52.60 m處，孔口開始涌水，涌水量約1.0 m3/h，水頭高出地表0.5 m，水溫30 ℃。該處對應(yīng)微動視S波局部低速異常，該異常規(guī)模較小，在進行微動剖面解釋時并未引起足夠重視。

2)鉆進至130.53 m時，掉鉆0.1 m，孔口涌水量突然增大，水頭高出地表約4.0 m，水量約12 m3/h，水溫40℃.該處位于4號點下方200 m深處低速異常的邊緣，推測該處熱儲規(guī)模比預計的更大。

3)鉆進至392.53 m時，掉鉆0.2 m，涌水量約15m3/h，水溫38℃。該處正對應(yīng)本次微動探測認為最有可能為熱儲的位置。

鉆探確認的三處富水層均與微動視S波低速異常有很好的對應(yīng)關(guān)系，證實高分辨率頻率-波數(shù)譜法微動探測技術(shù)的有效性和可靠性，也印證了微動探測對異常敏感度高，分辨率高的特點。

ZK01終孔451.73 m，測得靜水頭高度高出地表14.6 m，自流量464 m3/d.經(jīng)估算，該處地熱資源最大開采量達1 500 m3/d，可滿足2 800床位/年的理療需求，地熱流體可開采量所采出的熱量772 kW，可滿足9 640 m2的農(nóng)業(yè)溫室建設(shè)，帶來了可觀的環(huán)境效應(yīng)和社會效益。

3.6 微動與電法綜合解釋

在微動工作開始前，研究區(qū)已開展放射性氡氣(Rn)測量、聯(lián)合剖面、高密度電阻率測深、激電測深、瞬變電磁測深(TEM)、音頻大地電磁測深(AMT)六項工作(圖8)，由于體積效應(yīng)及地形影響，深部斷裂構(gòu)造反映不明顯；低阻目標體的響應(yīng)信號被高阻圍巖掩蓋，對已知鉆孔ZK響應(yīng)不明顯，無法形成互相印證的深部地熱勘探成果，完成地熱水文勘查深孔的布置要求。

圖8 綜合物探各方法勘查效果對比

氡濃度剖面1 840～2 160 m段存在異常，顯示該段下方可能存在富水熱儲；而聯(lián)合剖面、高密度電阻率測深、激電測深和音頻大地電磁測深剖面對已知的ZK鉆孔出水位置均顯示高阻異常，代表富水破碎的低阻目標體響應(yīng)信號被高阻圍巖掩蓋，不能有效識別熱儲；但是激電測深中視極化率剖面對深部富水斷裂構(gòu)造有高極化率異常顯示。而微動的二維視S波速度剖面與電法剖面一樣呈現(xiàn)淺部低異常、深部高異常的趨勢，且低速異常與已知出水鉆孔ZK吻合，與氡高濃度異常吻合，與低極化率異常吻合，很明顯甄別出包圍在高速圍巖區(qū)域中的低速富水熱儲區(qū)域，且分辨率高，熱儲細節(jié)描述精細，建議鉆孔井位依據(jù)充足，鉆孔驗證效果準確，相較之前使用的六種勘探手段，方法優(yōu)勢顯著。

圖9結(jié)合微動探測成果、地質(zhì)資料、鉆孔資料和前期電法勘探成果(圖8)，對該剖面進行地質(zhì)解釋，地下介質(zhì)較為單一，淺表第四系覆蓋下是致密的大別山群片麻巖厚層，2 000 m處存在一處較狹窄的破碎帶F2(圖2)，地下熱源沿破碎帶自下而上傳輸。

圖9 推斷地質(zhì)斷面

4 結(jié) 論

1)微動高分辨率頻率-波數(shù)譜法臺陣勘探技術(shù)從天然場源微動信號中提取面波頻散曲線，探查地層視S波速度結(jié)構(gòu)、圈定異常，可以通過探查破碎帶、裂隙等可能的儲水空間，間接勘探地下熱儲構(gòu)造。本次研究中，微動探測技術(shù)在傳統(tǒng)電法無法取得勘探效果的工作區(qū)識別出一處狹窄的斷裂破碎帶，從而找到了富水熱儲，且對異常形態(tài)刻畫精細，和鉆孔驗證吻合得很好，顯示出對異常敏感、分辨率高的特點，方法優(yōu)勢明顯，具有很好的生產(chǎn)應(yīng)用前景。

2)微動探測中，熱儲和破碎帶均顯示低速異常，受圍巖、以及熱儲規(guī)模和富水程度差異的影響，有些熱儲表現(xiàn)出的低速異常并不顯著，應(yīng)結(jié)合其它資料和工作經(jīng)驗綜合解釋。

3)使用微動探測技術(shù)進行山區(qū)作業(yè)時，不可忽略地形起伏對勘探效果的影響，地形起伏越大對勘探效果影響越大，應(yīng)盡量選擇平坦區(qū)域布設(shè)測點，并在試驗的基礎(chǔ)上結(jié)合目標任務(wù)設(shè)計適當觀測臺陣陣型，選取適當?shù)呐_陣間距，從而減少地形起伏對勘探效果的影響。