智能微动勘探在地质调查中的应用探索

李叶飞，韦 健

（广西壮族自治区地球物理勘察院，广西 柳州 545005）

城市是人类活动的中心地带，由于人口拥挤、交通不畅、环境破坏、新型城镇化建设、耕地红线不能突破等因素，开展城市地质调查是必然、必要的，这也是新型城镇化战略实施与城市可持续发展的必然方向。城市浅层地下空间探测则是目前城市地质调查工作中的一个重要内容，根据其探测深度、目的、技术要求等各方面的不同，采用的技术方法也有所不同[1]。钻探是一种直接而可靠的方法，但是在城市中，因为各方面客观条件的制约，许多地方不宜进行钻孔，比如施工存在噪音扰民、破坏环境、工作效率低等诸多因素；因此，地球物理学方法在城市地质调查、城市地下空间探测越来越占据主导地位。

地球物理学方法包括重、磁、电、震多种方法，应根据工作内容和地质环境条件确定有效方法[2,3]。在城市地质调查工作中，城市环境中存在大量地电干扰、杂散电流以及电磁信号干扰等，严重影响电磁法勘探技术的勘探效果；而常规地震波勘探技术虽然不受电磁信号影响，但受震源所限无法实现大深度勘探，因此利用自然界中存在的各种微弱震动作为震源进行的微动勘探（也称天然源面波勘探）逐渐被人们所重视。

1 方法简介

1.1 方法原理

微动是由体波（P波和S波）和面波（瑞雷波和勒夫波）组成的复杂振动，其中面波的能量占信号总能量的70%以上。微动勘探主要采用台阵方法来接收微动信息，从微动信息中提取瑞利面波的频散特性，通过对频散曲线进行反演获得地层的横波速度，以此推断地壳内部的横波速度结构[4]。

1.2 勘探台阵

本文主要介绍嵌套式等边三角形布置，最大三角形边长为16m；该装置的优点在于同等数量拾振器条件下，拾振器连线构成的指向多，有利于适应天然微动震源传播方向的不确定性；构成的不等长的线段多，有利于适应不同波长的天然源面波的采集。嵌套式等边三角形布置如图1所示。

图1 嵌套式等边三角形观测台阵示意图

2 应用成果

北海市作为我国北部湾经济区和北部湾城市群的重要支撑城市，不仅是我国西部地区唯一的沿海开放城市，也是我国西部唯一具备空港、海港、高速公路和铁路的城市，涠洲岛更是享誉海内外的旅游休闲度假胜地[5]。为了缓解日益增加的人口压力及拥挤的交通，北海市欲向城市周边及地下空间发展，故进行北海市城市地质调查，为今后城市的发展做好充分准备。

2.1 测区地质

北海市地层以新生界最发育，次为古生界；古生界构成基底，中新生界组成盖层，区内广泛分布第四系，其次出露有第三系、泥盆系。第四系、第三系以松散沉积土体为主，岩性为粉质粘土、含粘土砂砾、砾砂，砂质粘土、粘土等，在涠洲岛、斜阳岛，第四系则为堆积物、更新统的岩浆岩，其岩性为玄武岩、沉凝灰岩、火山角砾岩，橄榄玄武岩，气孔状玄武岩。泥盆系信都组沉积岩，岩性为砂岩、细砂岩、粉砂岩、泥质粉砂岩。

表1 土的类型划分和剪切波速范围

2.2 物理前提及推断依据

不同的岩性显示不同的速度，相同的岩性如密实度不同或环境不同亦显示不同的波速，所以地层速度差异是微动勘探划分岩性层的物理前提[6]。基岩面、不同时代地层分界面等地质界面岩性差异大，从而也是良好的速度分界面，采用微动勘探可有效确定其深度。

地层速度随岩性、构造的变化而变化，根据其激发不同的频散曲线以及它们之间频散曲线分布规律，归纳总结本项目微动勘探中不同的地质情况所获得的频散曲线，具有如下特征：

（1）当由表层向底层横波速度逐层增高的情况下，频散曲线呈逐渐增高的趋势；

（2）当中间某层为低速层时，频散曲线出现“之”字形异常、拐点异常，当低速层的厚度足够厚时，则会出现频散曲线往回凹；

（3）当岩石颗粒出现变化时，频散曲线将会出现频点疏密的变化；

（4）当岩石速度出现变化时，频散曲线斜率出现变化。

2.3 成果分析

本次微动勘探于北海市中心城区部署了4条微动探测剖面，测线呈“井”字形相交，工作重点是对中心城区0m～30m深度范围内进行高精度勘探，同时兼顾100m以浅的地质构造，为今后地下空间的开发利用提供有力的物探依据。

通过对微动测点频散曲线进行反演，获得地层横波速度（Vs），根据《建筑抗震设计规范》GB 50011-2010(2016年版)中“表1土的类型划分和剪切波速范围”的规定，实现对北海市地下土类型进行划分[7]。

利用对频散曲线反演获得的横波速度，了解并基本控制了剖面的土类型分布情况，宏观上推断，北海中心城区土的类型可分为三大类：表层（即勘探数据离散区）存在中软层，具体厚度未知，在可勘探范围内不做推断；浅层至中层为中硬土，500m/s≥横波波速（Vs）＞250m/s，推断其主要岩性为密实状、中密状、稍密状粗砂，可塑状粘土，可塑状粉质粘土互层；深层为坚硬土，800m/s≥横波波速（Vs）＞500m/s。

为了更直观地了解北海中心市区地下空间情况，对北海工区绘制了剖面展布图及坚硬土顶界面起伏三维图，目的为了更好更直观的了解北海中心市区地下空间情况，见图2至图3。

由图可见，坚硬土顶界面埋深形态由西到东、由北到南呈逐渐加深的趋势，整体来看西北面埋深较浅，东南面埋深较深。最深位置主要位于北海凹陷一带，该段埋深高程可达-68m；最浅位置位于北海市城规划局一带，该段埋深高程仅为-8m左右。2线整体上是坚硬土埋深最深的测线，其中点号从3600～5600为最深位置，根据资料推断该区域为北海凹陷（图2白框）。通过空间展布图从空间上、宏观上更为直观、清楚地了解市区整体的波速特征与土类型起伏情况；通过三维空间可以更好地研究地质情况[8]。

图2 北海中心城区微动勘探剖面展布图

图3 北海中心城区坚硬土顶界面起伏空间三维图

3 结论

本次利用WD智能微动勘探系统在北海市中心城区进行的微动勘探完成了100米以浅的地质调查工作，获得了该地区的整体波速特征，清晰划分了30米以浅的地层分布情况。通过本次智能微动勘探工作，我们总结了智能微动勘探技术进行城市地质调查工作具有的特点，也为今后在我国南方滨海城市进行地质调查工作提供一定的经验。

3.1 优点

（1）实时获得勘探成果：采集过程中实时获得面波频散曲线，以及面波频散曲线随采集过程逐渐收敛、细化、稳定的过程，克服盲目采集的缺陷，降低现场工作的技术难度，提高工作效率。

（2）适应环境能力强：智能微动勘探具备近场源波型分离功能，可提取短周期频散实现浅层勘探；可根据场地条件灵活布设台阵形式，尤其适应城市勘探。

（3）地层划分清晰：通过WD智能微动勘探获得的速度曲线可以直观地对地层、构造进行划分。

3.2 局限性

场地影响：由于在市区工作、且不能中断交通，因此观测台阵的规模受到限制，从而导致勘探深度受限（深度与边长的正比关系）。

3.3 建议

微动勘探是目前被公认为获得S波（横波）速度结构最有效、最便捷的地球物理勘探方法之一，尤其适用于城区人口密度大、有震动干扰的环境，在对岩性分层、溶洞与土洞探查、土类型分析等方面有着显著的效果及优势，目前微动勘探在城市地质调查中的作用越来越大，尤其是在不宜开展钻探工作的市区，微动勘探具有重要作用[9]。根据本次北海工作及笔者以往的微动勘探工作经验，认为智能微动勘探是适用于城市地质调查的有效手段，在今后的城市勘探中，可重点使用。

以上是我们在《北海海岸带陆海统筹综合地质调查》勘查项目工作中的部分成果，整体项目尚未完成。事关北海市的发展，提前公诸于众，希望能引起高度重视，建立科学有序的城市地下空间开发利用机制，合理利用资源。

致谢：在数据采集、野外工作及论文撰写时，得到刘云祯老师、金荣杰老师、广西壮族自治区地球物理勘察院领导和各位同事的大力帮助、支持、付出及耐心指导，感谢他们的宝贵意见；感谢中国地质调查局武汉地质调查中心对《北海海岸带陆海统筹综合地质调查-陆域物探》的资助与支持，在此一致表示感谢！