袁文奇，董明華，白凈鈔，祝仰勝

(1.廊坊市中鐵物探勘察有限公司，河北 廊坊 065000；2. 重慶精凡科技有限公司,重慶 400000)

1 引 言

人類的生存、經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會發(fā)展總是在不斷地進(jìn)行著對各種環(huán)境或物質(zhì)的開發(fā)、改造和建設(shè)，隨著生產(chǎn)水平的提高和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，人類的發(fā)展觸角已經(jīng)延伸到一些人跡罕至的山區(qū)。與此同時(shí)，也給物探工作帶來了人文干擾，尤其對常用的電磁法勘探，干擾尤為嚴(yán)重。此外，還有地表、地物狀態(tài)復(fù)雜,其他不同物性的干擾源眾多等原因,使得常規(guī)物探方法的應(yīng)用皆存在很大的局限性，因此需要引入新方法補(bǔ)充常規(guī)電磁法在干擾區(qū)的勘察。微動譜比法作為一種快速高效的大深度勘探手段，在對斷層破碎帶的勘察方面有較好的效果。微動H/V譜比法，又叫Nakamura方法或準(zhǔn)轉(zhuǎn)換函數(shù)譜方法，首先由Nogoshi和Igarashi提出[1]，經(jīng)Nakamura[2,3]推廣應(yīng)用于場地響應(yīng)評估。H/V值使用單臺水平、垂直分量頻譜相比得到，即H/V比近似為面波的水平分量和垂直分量的傅里葉譜比。與主動源面波勘探方法[4]相比較，微動可以在很大程度上克服復(fù)雜環(huán)境的困難，利用自身的獨(dú)特優(yōu)勢，有效地克服震動、電磁等干擾，進(jìn)而在城市、城郊等復(fù)雜環(huán)境下取得較好的勘查效果。

2 方法原理

微動探測技術(shù)的基本原理為：基于平穩(wěn)隨機(jī)過程理論及彈性波動理論，根據(jù)面波(Rayleigh波) 傳播特性，從微動信號提取其波速頻散曲線，反演得到波速結(jié)構(gòu)，再由波速及波速差異解譯地質(zhì)現(xiàn)象[5]。 在沒有地震的時(shí)刻，地球表面任何地方都處在一種微弱的振動狀態(tài)下，地球表面這種連續(xù)不斷的天然微弱震動稱之為“微動”[6]。

這是一種在時(shí)間、空間域都極不規(guī)則的震動現(xiàn)象，既由諸如氣壓、風(fēng)速、海浪、潮汐變化等自然現(xiàn)象產(chǎn)生，也源自人類日?；顒?，如車輛行駛、機(jī)械振動等。微動是一種由體波(P波和S波)和面波(瑞雷波和勒夫波)組成的復(fù)雜振動，并且面波的能量占信號總能量的70 %以上[7]，所以常利用微動中面波信息來研究地下橫波速度結(jié)構(gòu)，實(shí)際應(yīng)用中常常利用面波信號中的瑞利波。穩(wěn)態(tài)面波勘探，主要用于地基勘察、地基加固效果評價(jià)、人防工程和巖溶洞穴探測的工作[8]。1989年，楊成林[9]自行研究了穩(wěn)態(tài)面波勘探系統(tǒng)，并將其應(yīng)用于第四系地層分層和地基處理效果評價(jià)。1996年劉云楨等[10]研制了SWS瞬態(tài)法的多道采集和處理系統(tǒng)?；谖拥淖V比法是其中一種更為便捷的方法[11]。

微動譜比法是用微動儀在探測點(diǎn)上同時(shí)接收來自南北、東西、垂直三個(gè)方向上隨時(shí)間的振動信息，通過快速傅里葉變換將時(shí)域信號轉(zhuǎn)換成利于分析的頻域信號，得到每個(gè)頻寬上水平方向的平均振動幅度和垂直方向的振動幅度之比H/V，以此來推斷測點(diǎn)下方的地質(zhì)結(jié)構(gòu)。通過對大量地震和地脈動信息的觀測研究發(fā)現(xiàn)，在不同速度結(jié)構(gòu)的地層上，被動源面波的垂直分量和水平分量大小變化不同，二者傅里葉變換的頻譜之比也不同。

地表記錄的水平分量和垂直分量的傅里葉譜可以寫為

(1)

其中,Ah和Av分別是垂直入射體波的水平分量和垂直分量放大系數(shù)；Hb和Vb是基巖內(nèi)的水平分量和垂直分量傅里葉譜；Hs和Vs是面波的水平分量和垂直分量傅里葉譜，H/V譜比值為

(2)

其中,Hb/Vb≈1，即基巖沒有放大作用，當(dāng)面波能量可以忽略時(shí)，微動主要沉積層內(nèi)的反射橫波組成，H/V近似為Ah的值，由于微動中面波占主要成分，所以H/V近似為Hs/Vs，即H/V比近似為面波的水平分量和垂直分量的傅里葉譜比：

H/V=H(f)/V(f)

(3)

通過對大量地震和地脈動信息的觀測研究發(fā)現(xiàn)，在不同速度結(jié)構(gòu)的地層上，被動源面波的垂直分量和水平分量大小變化不同，二者傅里葉變換的頻譜之比也不同。譜比法就是利用面波的垂直分量與水平分量傅里葉之比來分辨地層[12-14]。

3 測區(qū)地質(zhì)條件

圖1 勘察場區(qū)測線示意圖(藍(lán)色線為物探測線)Fig.1 Schematic diagram of survey line in survey area

4 勘察成果

不同速度結(jié)構(gòu)的地層上，被動源面波的垂直分量和水平分量大小變化不同，二者傅里葉變換的頻譜之比也不同。譜比法就是利用面波的垂直分量與水平分量傅里葉之比來分辨地層。微動譜比分析處理流程為：數(shù)據(jù)導(dǎo)入—導(dǎo)入型號波形—設(shè)置分段長度、頻率范圍-設(shè)置表層速度—譜比分析—保存成圖。頻譜分析如圖2所示，頻譜能量分布在2～30 Hz頻段內(nèi)，能量主要集中在2～10 Hz范圍內(nèi),相速度200～600 m/s。

圖2 頻譜能量Fig.2 Spectrum energy diagram

為查明崾峴子溝斷裂帶的具體位置，布置測線一條，設(shè)計(jì)采用高密度電法和音頻大地電磁測深法，由于測線附近有兩條高壓線穿過，與測線近似平行，電磁法干擾較大，無法開展，改用高密度電法和微動譜比法勘察。預(yù)期利用高密度電法成果分析地電結(jié)構(gòu)[15,16]，微動譜比分析地下波速分布，以達(dá)到探測斷層破碎帶的目的。

圖3 高密度電法成果Fig.4 Results of high density electrical method

如圖3所示，從高密度電法電阻率斷面整體來看，其電阻率由淺至深呈高-低的分布形態(tài)，電阻率值分布范圍從1 000 Ω·m到10 Ω·m，電阻率縱向梯度大。表層覆蓋層電阻率較高，下覆砂質(zhì)泥巖電阻率較低，由于斷層破碎帶和周圍泥巖同為低阻，斷層破碎帶區(qū)分不明顯。

圖4 微動譜比H/V成果Fig.4 Microtremor spectrum ratio H/V result chart

微動譜比探測主要采用直線型，根據(jù)測線方向及工作場地的實(shí)際地形布設(shè)臺站進(jìn)行采集，兼顧質(zhì)量及效率，本次項(xiàng)目直接直線型布設(shè)，平移全部臺站。如圖4所示，微動譜比成果圖中有一較小比值帶，中心位置位于K0+640處，寬20 m左右。根據(jù)場地調(diào)查了解及相關(guān)地勘資料，推測其為張性斷層的反映，由于水平方向的拉張力，導(dǎo)致橫向波速在斷層位置下降快于縱向波速，導(dǎo)致H/V出現(xiàn)較小比值帶。

在物探異常中心位置位于K0+640處鉆探驗(yàn)證，鉆孔揭露該處覆蓋層厚度為52 m，下伏寒武系(∈)砂質(zhì)泥巖破碎，在80～87 m鉆孔打出黑色的斷層泥，與微動譜比分析結(jié)果較為吻合。

5 結(jié) 語

天然源面波頻率—波數(shù)法利用的是天然場源信號，具有成本低，布陣靈活，不擾民等優(yōu)點(diǎn)，因而具有很好的發(fā)展前景。高密度電法勘探深度有限，有些地區(qū)無法穿透覆蓋層，達(dá)不到勘察要求。在電磁干擾區(qū)，微動譜比法替代電磁法作為一種大深度勘探手段，對斷層破碎帶等異常體有較好的反應(yīng)。對于電性差異不明顯區(qū)域，微動譜比法有較高的分辨率，微動譜比幅值代表各點(diǎn)頻率水平-垂直振動的相對大??；極大值、極小值異常揭示了地下介質(zhì)的完整性和屬性。通過本文試驗(yàn)可歸納以下幾點(diǎn)：

1)研究兩個(gè)方向的波速的比值，對異常反映的靈敏度要高于單方向波速剖面。

2)張性斷層破碎帶一般具有相對譜比極小值，即水平振動小于垂直振動。

3)根據(jù)存在的水平震動和垂直震動的差異，微動譜比在斷裂破碎帶勘察有較好的應(yīng)用效果。