張 星，丁志軍，連偉章

（甘肅省有色地質(zhì)調(diào)查院，甘肅 蘭州 730000）

微動探測技術(shù)作為礦山勘查技術(shù)中一項重要方法，在抗干擾能力方面表現(xiàn)突出，且不受各種場地限制，還可以把各種各樣的振動源化為自身的場源，增強信號。因此，微動在礦山采空區(qū)勘查中擁有其不可替代的作用。本文以烏魯木齊市六道灣某礦山為例，采用微動探測方法，對地下采空區(qū)的空間展布和采空塌陷區(qū)回填情況以及充實程度進行研究，取得了較好的應用成果。

1 勘查區(qū)地質(zhì)概況

工作區(qū)位于準南礦山東南部烏魯木齊市六道灣西側(cè)，區(qū)內(nèi)均為陸相沉積地層，以中新生界為主，其中以侏羅系分布最廣，新生界次之。工作區(qū)出露地層除部分紅山背斜有二疊系分布以外，在整個塌陷區(qū)及其南北地區(qū)主要以第四系松散沉積物為主，下伏地層為侏羅系的三工河組、西山窯組和頭屯河組，且大部分被第四系覆蓋。下侏羅統(tǒng)三工河組巖性主要是綠色粉細砂巖和黃白色中粗粒砂巖組成，厚度在235m～430m；中侏羅統(tǒng)西山窯組三組是侏羅系地層中的含礦地層，呈帶狀延伸，包含33層可采礦層，其中含礦系數(shù)18.9%，巖性主要由一套砂巖、泥巖和砂質(zhì)泥巖組成，地層厚度317.3m；中羅統(tǒng)頭屯河組巖性主要由粉砂巖和細砂巖組成，厚度203m。第四系分布范圍較廣，巖性主要有砂、卵礫石、黃土和亞砂土等。且絕大部分覆蓋于侏羅系之上，厚度在六道灣礦山一帶在10m～40m左右，七道灣鄉(xiāng)增大到100m～200m。

在六道灣礦區(qū)構(gòu)造較為簡單，無大的斷裂，地層產(chǎn)狀變化也較小，在西二石門到西三石門一帶微向南凸呈弓形，傾向330°～336°，礦層陡傾，傾角一般在65°～75°。巖層傾角由淺到深逐漸變緩，淺部傾角在一般70°～75°，深部變緩為50°～55°。

地震作用會加劇礦山塌陷區(qū)范圍的擴大，地質(zhì)活動頻繁，這將對塌陷區(qū)的形成起到催化作用。

2 微動勘查技術(shù)與方法

2.1 技術(shù)原理

在沒有地震的時刻，地球表面的任何地方都處在一種微弱的振動狀態(tài)下，地球表面的這種連續(xù)的微弱振動稱為微動。微動的振幅約為101um～10um，因而人類感覺不到。微動信號屬于天然源信號，震源主要源于兩個方面，一是人類的日?；顒?，包括各種機械振動，道路交通等。這些活動產(chǎn)生的信號頻率大于1Hz，屬于高頻信號源，通常，這類微動信號也被稱為常時微動；二是各種自然現(xiàn)象，包括海浪對海岸的撞擊、河水的流動、風、雨、氣壓的變化等。這些現(xiàn)象產(chǎn)生的信號頻率小于1Hz，屬于低頻信號源，通常，這類微動被稱為長波微動。微動沒有特定的震源，振動波來自觀測點的四面八方，攜帶有豐富的地球內(nèi)部信息。

微動是一種沒有特定震源的微弱振動，它是由多種形式的波組成的復雜振動，主要包括體波和面波，其中面波的能量達70%以上，且主要以基階振型傳播。微動中的面波信息與地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，實際運用中主要利用微動信號的瑞雷波信息。由于面波的頻散特性，微動信號具有隨振幅、頻率隨時間、空間發(fā)生顯著變化的特點，但在一定時空范圍內(nèi)仍滿足統(tǒng)計穩(wěn)定性，可用平穩(wěn)隨機過程來描述。微動探測方法(The Microtremor Survey Method，簡稱MSM)是以平穩(wěn)隨機過程理論為依據(jù)，從微動信號提取面波（瑞雷波）的頻散曲線，通過對頻散曲線的反演獲取地下速度結(jié)構(gòu)信息的地球物理探測方法。

從微動信號中提取瑞雷波頻散曲線常用的兩種方法是頻率-波數(shù)法(The Frequency-wavenumber Power Spectral Method，簡稱F-K法)和空間自相關(guān)方法(Spatical Autocorrelation Method， 簡 稱SPAC法)。SPAC法利用不同半徑的自相關(guān)系數(shù)計算相速度，進而根據(jù)相速度的分布提取頻散曲線，最后根據(jù)理論模型和實測模型的擬合，進而計算出地層速度。下文中采用規(guī)則臺陣采集數(shù)據(jù)，采用的是SPAC法提取頻散曲線。

2.2 微動測量野外數(shù)據(jù)采集與處理

2.2.1 臺陣布設

多重圓觀測臺陣是微動單點探測常用的布設方式，下圖1為本次施工的臺陣觀測系統(tǒng)示意圖，圓心處布設1臺數(shù)據(jù)采集器，圓周上布設3臺數(shù)據(jù)采集器。在利用SPAC法時，圓形觀測臺陣的半徑稱為觀測半徑R，最大探測深度H與觀測半徑R之間通常存在以下關(guān)系：H=(3～5)R。微動單點探測目的是獲得測點下方地層介質(zhì)的橫波速度及界面深度，也稱為微動測深。

圖1 微動單點探測臺陣示意圖

本次采用的三重圓觀測臺陣半徑分別為:r=15m；2r=30m；4r=60m。

2.2.2 剖面測點觀測

剖面觀測采用單點臺陣測量的方式，測量點距20m。以臺陣的中心為一個測點進行剖面連續(xù)觀測。

剖面觀測示意圖如下圖2。

圖2 排列移動示意圖

2.3 數(shù)據(jù)處理

野外數(shù)據(jù)采集時需要進行實時預處理，預處理的主要目的是將實測原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成SPAC數(shù)據(jù)處理格式，畫出波形圖，以監(jiān)控實測數(shù)據(jù)的有效性。剔除被場地噪聲明顯干擾的數(shù)據(jù)段，計算臺站間空間自相關(guān)系數(shù)，判斷實測數(shù)據(jù)質(zhì)量，指導現(xiàn)場施工。

探測數(shù)據(jù)處理時，需要從時序數(shù)據(jù)中提取瑞雷波，獲得其相速度頻散曲線，再對頻散曲線進行反演獲得地下橫波速度結(jié)構(gòu)，當所有測點的頻散曲線提取完成后，就可以合并插值平滑計算獲得二維視S波速度剖面，進而繪制相速度等值線圖，最后結(jié)合當?shù)氐牡刭|(zhì)背景對橫波速度結(jié)構(gòu)做出地質(zhì)解釋。

利用實際微動信號中提取的瑞雷波頻散曲線反演得到地下視S波速度結(jié)構(gòu)信息。常用的反演算法有半波法經(jīng)驗公式反演，半波法經(jīng)驗公式反演是一種采用經(jīng)驗公式對頻散曲線進行反演計算的方法，探測目標剖面上對應的視S波速度的變化情況，以獲取相應的地層構(gòu)造。計算視S波速度半波法經(jīng)驗公式如下：

該方法用于剖面上巖性的相對變化而無需反演橫波速度的絕對值。

式中：vs為視S波速度；

vr為瑞雷波相速度；

ti=1/fi為周期，對應的深度一般取半波長。

計算出視S波速度后，可根據(jù)相速度頻散曲線算得視S波速度隨深度的變化曲線(vs-h曲線)，再利用光滑差值等計算處理后，即可得到視S波速度的剖面圖。視S波速度不等于實際的S波速度值，是擁有速度量綱的物性參數(shù)，其變化趨勢可以反映出實際的S波速度變化，故可通過視S波速度的剖面圖進行地質(zhì)診斷。

3 應用實例

本次微動探測使用的儀器為合肥國維電子有限公司生產(chǎn)的GN201微動探測系統(tǒng)。

該系統(tǒng)主要由GN201主機、0.1Hz拾震器、天線組成。該設備采用了32-bit高精度ADC，動態(tài)范圍122dB，極大的降低了儀器自身的本地噪聲，提高了儀器信噪比，使獲取的微動信號更加精確；同時通過接收GPS衛(wèi)星的標準時間信號自動實時地進行內(nèi)部校正，時鐘同步誤差小于15ns，保證在長時間觀測中各數(shù)據(jù)采集器之間的同步性，滿足勘探要求。

3.1 地球物理特征

物性差異是開展物探工作的前提，本次筆者收集了前人的成果，下表1是用淺震反射波法在勘查區(qū)測量的各種地質(zhì)體的波速。

表1 物性參數(shù)統(tǒng)計表

通過上表物性參數(shù)可知，不同地質(zhì)體間波速差異較大，可以通過波速特征實現(xiàn)對地下地質(zhì)體的劃分。由于采空區(qū)內(nèi)巖層破碎、裂隙發(fā)育，密度降低，地震波速度降低。根據(jù)理論和實測經(jīng)驗，礦層采空區(qū)巖層的視S波速度比未開采的礦層低，在視S波速度剖面上形成低速異常。

據(jù)以往六道灣礦區(qū)勘查資料，勘查區(qū)主要開采礦層分兩層，分別在深130和240m。為查明采空區(qū)的空間展布位置，本次安排了兩條微動剖面，測線距200m，方位66°，探測深度300m。

施工前，為確定合適的采集參數(shù)，在W2測線240～360點（20m點距）多種采集參數(shù)試驗，包括不同半徑、不同采集時間切片以及不同采樣率等，最終確定了本次采集系統(tǒng)參數(shù)為：半徑分別為15、30和60m三重圓、采樣率250Hz、單點采集時間不少于40分鐘。

3.2 斷面解釋

研究區(qū)共兩條測線，W2測線長380m，共20個測點；W3線長360m，共19個測點。兩條測線平行布置，方位66°。

在深35m～80m區(qū)域，視S波速在1000m/s～1500m/s之間，呈中高速特征，在W2線斷面圖中近似水平層狀，推測開采礦層的頂；在深80m～160m區(qū)域，視S波速度在800m/s～1100m/s之間，W2線視S波速度斷面圖和W3線視S波速度斷面圖局部出現(xiàn)多處封閉的低速異常區(qū)域，異常以傾斜的串珠狀和長條狀為主，如圖3上的W1-1和W1-2異常以及圖4上W2-1、W2-2和W2-3異常；推測礦層開采后留下的空白區(qū)、拆除支護和液壓支架后形成采空區(qū)以及礦層頂板冒落垮塌形成的冒落帶反映；160m以下，視S波速度呈高速區(qū)，無明顯異常特征，推測為未開采地層的底界面。

圖3 W1線微動探測視S波速度斷面圖

圖4 W2線微動探測視S波速度斷面圖

根據(jù)鉆孔資料顯示，30.4m以淺主要為第四系松散堆積物和地面塌陷回填物，30.4m至48.7m為礦層頂板，巖性為泥質(zhì)粉砂巖；48.7m至73.1m為塌陷擾動礦層73.1m至120m。120m以下為礦層底板粉砂巖。從已有鉆孔揭露來看，微動探測成果與鉆孔結(jié)果基本相符，這也為后續(xù)大面積調(diào)查治理提供了依據(jù)。

4 結(jié)論與討論

微動探測可以在充滿各種信號源干擾的環(huán)境下，取得較好的勘探效果。事實上，微動探測有效的利用了市區(qū)的各種噪聲，如礦山開采發(fā)出的微振動信號源，微動探測擁有自己獨特的優(yōu)勢，基本不受電磁干擾的影響，而且它屬于分布式采集站采集數(shù)據(jù)，采用高精度GPS同步，采集站體積較小，不受場地條件的限制。因此，微動探測是一種經(jīng)濟高效的勘探手段，尤其是在鬧市區(qū)，對地面零破壞，更加環(huán)保。

微動探測對市區(qū)內(nèi)的采空區(qū)勘探，具有較高的分辨率，不論是采空區(qū)的空間位置、埋深和形態(tài)，還是因采空形成的發(fā)育帶，都有較好的反應。一般來說，形成的采空區(qū)越大，速度異常也就越明顯。

微動探測成果還可以進行采空區(qū)域的穩(wěn)定性評價，如判定為穩(wěn)定區(qū)、一般穩(wěn)定區(qū)還是不穩(wěn)定區(qū)。它是根據(jù)已有地層物性資料和實測相速度速度進行對比研究，進而劃分穩(wěn)定區(qū)和不穩(wěn)定區(qū)域