二维微动剖面探测“孤石”：以深圳地铁7号线为例

徐佩芬，侍 文，2，凌苏群，郭慧丽，2，李志华

1中国科学院地质与地球物理研究所，北京 100029 2中国科学院研究生院，北京 100049 3日本地学数据分析研究所，东京 184－0012 4铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300251

二维微动剖面探测“孤石”：以深圳地铁7号线为例

徐佩芬1，侍 文1，2，凌苏群3，郭慧丽1，2，李志华4

1中国科学院地质与地球物理研究所，北京 100029 2中国科学院研究生院，北京 100049 3日本地学数据分析研究所，东京 184－0012 4铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300251

“孤石”是花岗岩不均匀风化所残留的风化核，在我国南方沿海地区普遍发育.“孤石”埋藏分布随机，形状大小各异，给地铁盾构施工带来重大安全隐患，探测“孤石”一直是地铁工程勘察面临的难题.我们首次尝试利用二维微动剖面技术探测“孤石”，在深圳地铁7号线车公庙—上沙段区间实测二条剖面，结合少量钻孔资料进行岩性层划分和“孤石”解释.实测结果显示，在二维微动视S波速度剖面上，素填土、粉质粘土、砾质粘性土等岩土层、全风化、强－中风化、微风化和未风化的花岗岩层，视S波速度值各不相同，剖面特征也存在较大差异，利用少量钻孔结果标定，易于划分；在强－中风化花岗岩层中，视S波速度（岩性）横向变化剧烈，局部发育“团块状”高速体，本文将其解释为未风化的花岗岩“孤石”.本文结果表明，二维微动剖面技术探测“孤石”是有效的微动视S波速度剖面除能直观显示岩性的纵、横向变化，提供工程基岩面的埋深及起伏形态信息外，还可给出岩土层风化程度的判断信息，为高层建筑的桩基设计提供地球物理依据.作为一种全新的“孤石”探测手段，二维微动剖面技术尤其适用于交通繁忙、建筑物密集的、各种场源干扰严重的闹市区.

二维微动剖面，微动探测，视S波速度，“孤石”，地铁工程勘察

1 引 言

我国南方沿海地区广泛发育燕山期花岗岩.花岗岩构造裂隙发育，基岩易沿裂隙面风化.在长期风化过程中，花岗岩的主要矿物成分长石及少量黑云母、角闪石均容易完全风化形成残积土，唯有石英矿物不易风化而形成石英角砾质残留核（球状风化核）［1］，俗称“孤石”.“孤石”是花岗岩发育地区普遍存在的地质现象，埋藏及分布较为随机，形状各异，大小从几十公分到几米不等，强度可以达到100MPa以上，比其周围残积土、全风化或强风化岩的强度大得多［1－3］.

未探明的“孤石”会给地铁盾构施工带来重大安全隐患.在花岗岩残积层中钻遇“孤石”时，盾构掘进非常困难，盾构机姿态难以控制，刀盘频繁被卡或严重变形甚至磨损，即使能通过地面土壤加固、排石或换刀等技术措施处理，也会极大地增加施工成本，对工期和投资控制产生重大不利影响.更严重时，甚至导致工作面喷涌、塌方，危及地面行车或建筑物安全［2］.以深圳为例，某地铁工程线路沿线第四系松散层主要由人工填土、海相沉积层、冲洪积层及残积层组成，下伏基岩为侏罗系砂岩、震旦系混合岩、混合花岗岩以及燕山期花岗岩，不同地貌单元和不同深度的残积土、基岩全—强风化带中均有“孤石”发育，“孤石”高度从0.2m至3.4m不等，部分“孤石”位于盾构隧道洞身深度范围［3］，探测“孤石”成为地铁盾构施工亟待解决的难题.

钻探和物探方法是探测“孤石”的重要手段.钻探可直观地揭露地层，对“孤石”进行采样，无疑是最为精准的点位探测方法.然而，相对于地铁工程详勘阶段40～50m的钻孔间距而言，“孤石”尺寸要小得多，因此，通过详勘钻探所揭露的“孤石”十分有限［3］，即使通过加密钻孔提高揭露“孤石”的机率，但受成本、场地条件等限制难于实施.

“孤石”与其周围残积土、全风化或强风化岩的物性差异，是地球物理方法探测“孤石”的物性前提.广州地铁建设中针对“孤石”探测问题，选用了多达十余种物探方法，先后在三号线（机场线）和六号线二期工程多次开展“孤石”地球物理勘探方法试验和专题研究.结果表明［3］，受地铁建设沿线场地条件及多种场源干扰限制，采用地震及电法类的地球物理勘探方法探测“孤石”，不同方法的探测结果存在较大差异，瞬变电磁法、地质雷达法、地震映像法等地面物探方法均达不到理想效果.孔间/孔中物探方法具有相对较好的探测效果，但不同探测方法探测效果也不尽相同.如电磁波CT探测，对“孤石”位置的描述误差较大.跨孔回声法对“孤石”平面定位的工作量较大，且“孤石”成群发育时无法分辨个体.跨孔超高密度电法CT和跨孔地震CT取得了较好效果，对“孤石”定位较好，与钻孔揭露结果较为吻合.孔间/孔中物探方法必须有钻孔作为探测前提，在道路、建筑物密集的城区，钻探难于施工，容易成为“孤石”探测的盲区，从而形成安全隐患.再者，孔间/孔中物探方法的探测效果也受钻孔间距影响.

我们首次尝试采用二维微动剖面技术探测“孤石”.本文介绍其理论、方法及其在深圳地铁7号线车公庙—上沙段区间的应用效果.

2 微动与微动勘探

微动（Microtremor）是指地球表面的微弱振动［4］，它是由体波和面波组成的复杂振动，且面波（Reyleigh波和Love波）能量约占总能量的70%以上［5］.由于面波的频散特性，微动信号具有振幅、频率随时间、空间发生显著变化的特点，但在一定时空范围内仍满足统计稳定性，可用平稳随机过程来描述［6］.与传统地震勘探及地震学中采用射线理论估算地震波传播速度不同，由于微动源的不确定性，微动信号中面波的相速度则通过求取圆形观测阵列中台站间的空间自相关系数获得，而无需考虑微动源的位置及其与观测台站的距离，该方法称之为空间自相关法（Spatial Auto Correration Method，简称SPAC法），最早由Aki［6］提出，其基本原理如下.

对于圆周上布设n个台站、圆心布设1个参考台站的圆形观测阵列而言，用垂直分量拾震器检测到的基阶面波（瑞雷波）微动信号，它们的空间自相关系数［6］可用下式计算：

Cjc（f）是圆周与圆心上的拾震器记录到微动信号的自相关函数，rjc是第j个拾震器相对于方位角为θjc的拾震器的位移，k是频率为f的波的波数值，φ是单一频率平面波传播到台阵的入射角.

由于实际观测台阵中拾震器数量总是有限的，为此，用（1）式求和时需表达为沿圆周的方位平均，从而得到空间自相关谱［4，6］：

其中ave c（f）为自相关系数的方位平均（空间自相关系数），f表示频率，J0是第I类零阶Bessel函数，r是圆形台阵中台站的间距，v（f）为待求相速度.用（2）式可求出相速度频散曲线.

微动勘探法（The Microtremor Survey Method，简称MSM）是基于利用地震台阵微动信号的垂直分量估算面波相速度的理论［6］，通过对瑞雷波频散曲线反演，获得观测台阵下方介质S波速度结构的地球物理勘探方法［4］.目前，MSM被公认为是获得S波速度结构最有效、最便捷的方法之一，尤其适用于城区人口密度大、有振动干扰的环境.早期，研究者们仅仅利用长周期（＞1s）微动信号估算观测台阵之下的深部S波速度结构［7－8］，也称之为微动测深.随后，利用短周期微动信号（＜1s）估算浅部S波速度结构的研究成果［9－11］越来越多，MSM 对浅部S波速度结构探测的有效性逐渐体现，这对城市工程地质勘探具有重要意义.近些年来，长周期和短周期微动信号已同时被用于估算浅－深部的S波速度结构［12－13］，并采用二维微动剖面探测技术［13－15］，实 现对地质结构/构造的二维探测.

3 二维微动剖面探测“孤石”的方法

3.1 测区概况

以深圳地铁7号线为例.该线是连接特区内主要居民区与就业区的局域线，从太安到西丽动物园，全长28.9km，分27个区间，设站28个（图1）.其中的车公庙—上沙段区间紧临深圳湾，地表为交通要道和居民区.前期钻探工作揭示，该区段为花岗岩全风化－中、强风化地区，基岩面深度10m左右，地表～30m深度范围内的地层依次为素填土，粉质粘土，砾质粘性土，全风化、强风化、中风化花岗岩、风化的花岗岩矿物成分以石英、长石为主，中粗粒结构、块状构造.全－强风化花岗岩岩芯呈砂土状，手掰易碎，遇水易崩解.中风化花岗岩节理裂隙发育，岩芯呈块、柱状.在10～30m深度范围内发育“孤石”，直径从几十公分到数米不等.

3.2 微动数据采集

3.2.1 观测系统

采用空间自相关 法（SPAC 法）［6，16－17］从微动信号的垂直分量中提取瑞雷波频散曲线时，需要观测台站沿圆周布置，且至少在圆周上等间隔布置三个、在圆心布置一个台站组成圆形观测阵列（见图2）.圆形阵列的半径称为观测半径，决定探测深度.通常情况下，微动台阵的探测深度大约是观测半径的3～5倍［4］，在台阵半径较小情况下，探测深度可达观测半径10倍以上.实测中往往需采用多重圆形阵列进行组合观测.本次采用二重圆形阵列，测点点距6.06m，以形成二维微动剖面观测系统.

图1 测区及微动探测位置Fig.1 Location of microtremor survey

图2 二维微动剖面观测系统及二重圆形观测台阵示意图Fig.2 Microtremor observation array for 2Dmicrotremor profiling

3.2.2 仪器及参数

微动数据采集采用日本地学数据分析研究所的MTKV－1C型微动勘察仪系统.由垂直分量拾震器（速度型、固有频率1Hz）及LS－8000型记录仪组成，主要性能指标见表1.在每个观测点（图2中圆形阵列三角形顶点及中心点）各布置一套由拾震器、记录仪组成的观测系统（图3）独立完成数据采集，记录仪的时间校正及各套仪器间的时间同步均由记录仪内置GPS自动完成.

图3 微动勘察仪系统示意图Fig.3 Block diagram of the equipment system

表1 微动勘察仪的主要性能指标Table 1 Main parameters for the microtremor observation equipment

3.2.3 数据采集方法

3.2.3.1 仪器一致性测试

在正式观测之前必须进行仪器一致性测试.具体做法是，将多套微动勘察仪集中放置在同一地点，记录大约10min，获得一致性测试微动记录（图4）.分别计算其功率谱、功率谱之比，相干性以及相位差等各项参数（图5）.在有效频率范围内仪器一致性优于95%时，能满足微动探测对仪器一致性要求.

3.2.3.2 数据采集方法及参数

经试验确定数据采集的仪器参数为：采样频率100Hz，滤波器通频带0～30Hz，放大倍数30倍.为不影响城市主干道交通，微动数据采集在夜间进行.每次观测15～20min，在干扰较大的地方观测时间延长到30min.沿测线依次逐点完成全部测点的微动数据采集.

3.3 微动数据处理

图4 仪器一致性测试波形记录Fig.4 Microtremor records of consistency tests to ensure all seismometers and recorders having identical properties

图5 一致性测试结果（a）功率谱；（b）功率谱之比；（c）相干系数；（d）相位差.Fig.5 Results of consistency tests（a）Power spectrum；（b）Power spectrum ratio；（c）Coherency；（d）Phase difference.

本次采用7个台站的二重圆形阵列（图2），有r1＝3.5m，r2＝6.06m，r3＝7m，r4＝10.5m 和r5＝12.12m五个不同台间距.给定频率值f，使计算得到的方位平均空间自相关系数符合第I类零阶Bessel函数，用（2）式可求得分别与r1～r5相对应的相速度Vr（f）［4，18］，从而获得实测相速度频散曲线（图6）.在此基础上，将相速度频散曲线Vr～f转换成视S波速度曲线（Vx～H）［13－14］，并通过内插、光滑计算，获得二维视S波速度剖面（Vx剖面，见图7）.Vx剖面是解释“孤石”及岩性层划分的基本依据.

图6 实测频散曲线（测点号标于图右上角）Fig.6 Observed dispersion curves at each point

4 结果及讨论

由于岩土层压实程度（埋深）、含水性等差异，不同地点同一种岩土层的岩性速度可能存大较大差异，所以，仅凭速度剖面解释、划分岩性层是困难的，但如果利用少量钻探结果作岩性标定，再结合视S波速度剖面特点，便可追踪岩性界面的横向变化，进行岩性层划分.图7是本次工作获得的视S波速度剖面及解释结果，具有以下特点：

（1）素填土、粉质粘土、砾质粘性土三种岩土层：Vx速度约在120～200m/s（剖面一）和200～300 m/s（剖面二），速度异常呈片/层状分布，但变化不大，岩性较为均匀.

（2）全风化花岗岩层（剖面二）：Vx速度约在200～360m/s.钻孔揭示其原岩结构遭受完全破坏、风化破碎呈碎屑状、土状或砂状，所以该层的岩性速度与上覆岩土层相近或略为增大.不同的是，该层内“零碎”的速度异常（体）较为发育，推测与风化后残留花岗岩的矿物成分不同有关.

（3）强－中风化花岗岩层：Vx速度约在180～450m/s（剖面一）和380～560m/s（剖面二），底界面埋深约在26～32m（剖面一）和26～35m（剖面二），起伏变化较大.这一结果符合深圳花岗岩分布区风化壳厚度大部分在30～40m［19］的钻孔统计结果.与上覆全风化花岗岩和岩土层明显不同，该层的速度（岩性）不均匀性更为明显，这与花岗岩遭受强－中等程度风化后，岩体破碎、裂隙发育、岩性变化较大的特点相吻合.在20～26m间，速度（岩性）横向变化剧烈，局部可见“包裹”于低速围岩中的“团块状”高速体（分别位于图7a中的G点和图7b中的Q点之下，图中用虚线示意画出），本文将其解释为“孤石”.这二处“孤石”都发育在强－中风化花岗岩层中，与围岩的Vx波速度比分别为0.87、0.88（见表3）.

（4）微风化花岗岩层：Vx速度约450～500m/s（剖面一）540～600m/s（剖面二）.该层速度差异较小，岩性相对均匀，顶、底度界面起伏变化均较大.

（5）未风化花岗岩层：Vx＞500m/s（剖面一）和600m/s（剖面二），速度横向稳定、岩性均匀.

在工程建设中，微风化花岗岩（工程基岩）是高层建筑的良好持力层，而强风化与微风化花岗岩层的桩端承载力相差悬殊，强化风层的厚度将直接影响地基沉降变形及桩基设计.当高层建筑持力层的深度变化较大时，桩基设计首先要考虑到桩端承载力及变形能否满足要求，这很大程度上取决于对持力层的了解，是设计人员非常关心的问题［19］.预先了解强风化带的厚度及深度变化情况，对建筑物桩基设计具有重要的工程指导意义.

岩石风化程度主要根据野外鉴定特征和风化因数、波速比、纵波速度来分级.用波速比к（同一岩体中风化与未风化岩体的纵波速度之比）可将花岗岩的风化程度分为5级（见表2）［20］.与之类似，我们利用视S波速度（Vx）计算了全风化、强－中风化花岗岩、“孤石”与未风化花岗岩，“孤石”与围岩的波速比KVx，结果列于表3.

表2 花岗岩风化程度分级［20］Table 2 Classification of granite weathering［20］

表3 花岗岩风化程度与Vx波速比Table 3 Granite weathering and Vxvelocity ratio

分析表3结果不难发现，全风化、强－中风化花岗岩与未风化花岗岩的Vx波速比κVx1，具有与纵波速度比（表2）类似的数值范围.也就是说，Vx波速比κVx也可以作为判断花岗岩风化程度的依据.其工程意义在于，利用二维微动剖面可大致作出岩土层风化程度的判断，并了解工程基岩面埋深及起伏形态信息，为桩基设计提供地球物理依据.

本文微动剖面解释的“孤石”发育在强－中风化花岗岩层中，与围岩的Vx速度差异不大.“孤石”与围岩具有显著的物性差异、清晰的物理边界，尽管如此，二维微动剖面仍难于精确圈定“孤石”边界，这主要是因为微动剖面是由各测点结果经内插光滑得到，从而对“孤石”边界具有“均衡效应”.微动剖面上圈出的“孤石”，其边界精度还与测点间距有关.尽管如此，在实际工作中，如果能利用二维微动剖面探测出全风化、中－强风化花岗岩层中的“团块状”高速异常体（“孤石”），再配合钻探验证，仍可给地铁盾构施工提供“预警”信息，这无疑对工程安全具有重要意义.

5 结 语

本文利用二维微动剖面技术获得二条微动视S波速度剖面，结合钻探结果标定，对视S波速度剖面进行了岩性解释，圈出二处“孤石”，视S波速度剖面上清晰显示各岩性层的起伏形态.粉质粘土－砾质粘土层，速度横向变化小，仅局部发育高速薄夹层，岩性相对均匀.全风化花岗岩层中未发现高速块体，但在下覆中－强风化花岗岩层中，速度横向变化较大，发育团块状高速体.本文将其解释为未风化的花岗岩“孤石”.

与钻探结果相比，微动探测获得的二维视S波速度剖面能直观显示岩性纵、横向变化，易于发现高速异常体（“孤石”）.在地铁工程勘察中，采用二维微动剖面技术探测“孤石”，可减少钻探工程量.尤其在交通繁忙、建筑物密集、钻探难于实施的闹市区，往往是地质信息的盲区，地铁盾构施工存在较大风险，二维微动剖面不受场地条件限制，是经济、高效的地球物理探测手段.

利用二维微动剖面结果还可大致做出岩土层风化程度的判断，提供工程基岩面的埋深及起伏形态信息，为桩基设计提供地球物理依据.尽管如此，进一步提高纵向分辨率，以满足工程建设的精度需要，仍是微动探测面临的技术挑战.

致 谢 铁道第三勘察设计院集团有限公司深圳7号线地铁勘察项目部的工程技术人员为微动数据采集提供帮助并提供钻孔资料.

图7 二维微动视S波速度剖面（a）剖面一；（b）剖面二.Fig.7 2Dmicrotremor apparent S－wave velocity section（a）Figure 7ais for Section I；（b）Figure 7bis for SectionⅡ.

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（本文编辑 刘少华）

Mapping spherically weathered“Boulders”using 2Dmicrotremor profiling method：A case study along subway line 7in Shenzhen

XU Pei－Fen1，SHI Wen1，2，LING Su－Qun3，GUO Hui－Li1，2，LI Zhi－Hua4
1 Institute of Geology and Geophysics，Chinese Academy of Sciences，Beijing100029，China 2 Graduate University，Chinese Academy of Sciences，Beijing100049，China 3 Geo－Analysis Institute Co.，Ltd.Tokyo 184—0012，Japan 4 The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation，Tianjin300251，China

A “boulder stone”is referred to the remnant of a granite body which has been unevenly weathered.These“boulders”become a common geological feature in areas close to the shoreline in south of China.They are typically randomly distributed and buried in soil or weathered rocks with varying shapes and sizes.Their existence poses a serious operational risk to the subway tunnel construction.Boulder detection has been a difficult problem in geotechnical investigationand surveying for subway building.This paper documents the first application of a 2D microtremor profiling method to map spherically weathered“boulders”.Principles of the method will be described followed by real application examples.Two microtremor profiles were obtained between Chegongmiao and Shangsha along subway line 7in Shenzhen.The microtremor data，combined with limited drilling data，were used for lithostratigraphic classification and boulder interpretation.On the 2Dprofiles，we observed different apparent S－wave velocity values for different lithologic sediment layers，such as plain fill，silty clay，rudaceous sediments.In particular，there appeared a strong correlation between apparent S－wave velocity and the degree of weathering of the granitic layers（namely completely，strongly，moderately，slightly，and nonweathered）.With the help of limited drilling data，it is possible to quantify，at least qualitatively，the degree of the granite weathering from the apparent S－wave velocity characteristics.Local high apparent S－wave velocity anomalies in otherwise moderately to strongly weathered granitic layers interpreted as unweathered “boulders”. Our results demonstrate that the 2Dmicrotremor profiling is a very effective technique for “boulder”detection and mapping.The lithological variation and weathering in both vertical and horizontal directions，the depth of the bedrock and its undulating configuration can be shown clearly in 2D microtremor apparent S－wave velocity profile. Therefore，the method can also provide geophysical basis for designing the pile foundations for the high－rise buildings.As a new method for“boulder”detection and mapping，the 2Dmicrotremor profiling method is particularly useful in densely－populated urban areas with crowded high－rise buildings and heavy traffic.

2DMicrotremor profiles， Microtremor survey， Apparent S－wave velocities，“Boulder”，Subway engineering investigation

10.6038/j.issn.0001－5733.2012.06.034

P631

2011－12－29，2012－04－02收修定稿

徐佩芬，侍文，凌苏群等.二维微动剖面探测“孤石”：以深圳地铁7号线为例.地球物理学报，2012，55（6）：2120－2128，

10.6038/j.issn.0001－5733.2012.06.034.

Xu P F，Shi W，Ling S Q，et al.Mapping spherically weathered“Boulders”using 2Dmicrotremor profiling method：a case study along subway line 7in Shenzhen.Chinese J.Geophys.（in Chinese），2012，55（6）：2120－2128，doi：10.6038/j.issn.0001－5733.2012.06.034.

中国科学院知识创新工程重要方向项目（KZCX2－EW－107）资助.

徐佩芬，女，1961年出生，中国科学院地质与地球物理研究所副研究员，从事地震层析成像及应用地球物理研究.E－mail：pfxu@mail.iggcas.ac.cn