微动勘探方法技术研究及其应用

盛勇，贾慧涛，刘杨

（安徽省地球物理地球化学勘查技术院， 安徽 合肥 230001）

0 引言

微动是地球表面何时何地都存在的微弱震动，没有特定震源，其振幅和形态随时空变化而变化，在一定时空范围内又具有统计稳定性，可用时间和空间上的稳定随机过程来描述[1]。微动的信号来源主要有两种，分别为频率高于1Hz的人类活动和频率低于1Hz的自然活动。微动信号中包含了信号源、传播路径及地下结构的信息，面波是其主要能量组成部分，占总能量的70%以上（Tokoz and Lacoss，1968）。

微动勘探方法是以平稳随机过程理论为依据，从微动信号中提取面波（瑞雷波）频散曲线，通过对频散曲线的反演得到地下介质的横波速度结构，从而进行岩性分层及构造分析的地球物理勘探方法。早在1887年，英国数学物理学家瑞雷（Rayleigh）预言了均匀半空间中存在一种振幅沿纵向呈指数衰减的弹性波，后来人们从天然地震记录中证实了这种波，并称之为瑞雷面波。随着研究的深入，于20世纪50年代初，人们又发现瑞雷面波在层状介质中具有频散特性，当时Haskell首先用矩阵方法计算了层状介质中瑞雷面波的频散曲线，这就是利用瑞雷面波勘查地层结构的理论基础。1957年和1969年，Aki和Capon分别用空间自相关法(SPAC法)和频率一波数法(F-K法)，从微动信号中提取出了面波，进而求出面波频散曲线。Okada（1994,2003)、凌苏群（1994）等对空间自相关法进行了改进，将扩展的空间自相关法应用到不同观测半径的多重阵列中，提高了数据处理的效率，从而使微动探测技术由理论走向了实际应用。2001年，美国内华达州立大学John N.Louie提出折射微动信号处理的新方法折射微动（REMI），使一维新型排列微动信号的处理成为可能。2014年，Céline Davy、Guilhem Barruol等在西南印度洋通过微动和海底水声观测成功追踪大洋风暴。2016年，M Iodice、J Muggleton等通过多道面波分析方法结合FK法，检测沥青中的垂直裂缝，效果较好。2017年，Zhiqu Lu、Glenn V.Wilson等使用高频表面波的多通道分析方法实现了土壤磐成像。1986年，王振东将微动探测技术介绍至国内。1992年，冉伟彦等利用长波微动法在北京花乡公园成功探测出热储层。2004，2007年，叶太兰、何正勤等在北京等地进行了微动探测，为北京的地热开发提供了3km深度以上的速度结构，为确定地热钻孔提供了依据。2012年，徐佩芬等在江苏多个地方深层地热勘探中探测隐伏断层、寻找深层地热储水构造，并成功打出地热水。研究表明微动剖面技术可有效探测隐伏断裂构造（热水通道），间接探测地热，同时单点微动测深可提供主要地层分层、埋藏深度等重要信息，为地热井位选址提供重要信息。

微动勘探从微动信号中提取面波（瑞雷波）频散曲线，通过对频散曲线反演获得地下介质的S波速度结构，进而探查地质构造。常用的提取面波频散曲线的方法有频率-波数法和空间自相关法，因实际工作中地形、环境等情况复杂，可以进行不规则布阵测量的频率-波数法更利于野外施工。本文系统地研究了国内外频率-波数法微动探测技术的发展，在K.Tokimatsu （1992）研究基础上，结合地热勘探实际，在保证其浅层分辨率的基础上拓展勘探深度。通过与钻探资料比较证实：微动探测技术对断层破碎带、含水层导致的低速区非常敏感，勘探效果明显。下面结合微动勘探地热资源勘查的实例，来介绍微动技术的理论、方法及应用效果。

1 微动技术

1.1 微动理论

微动信号中的面波包含瑞雷波（Rayleigh wave）和勒夫波（Love wave），其中勒夫波没有垂直分量，所以对三分量信号中垂直分量做处理时，可以认为是对基阶瑞雷波的处理。假定在微动信号垂直分量中，瑞雷面波相对占优势，则其在频率-波数谱中与最大值点相对应。设瑞雷面波频率为fi，F-K谱最大值点对应的波数为ki=(kxi,kyi)，则对应于fi的面波相速度为

假定有M道拾震器，以长度L将每道数据分为N段，记第i和j道拾震器中第n块数据的频域信号为Fin(f)和Fjn(f)，得到N个频域信号，求得到第i、j拾震器对应的自功率谱Sii(f)、Sjj(f)和互功率谱Sij(f)。K.Tokimatsu、K. Shinzawa 和S. Kuwayama(1992)提出了高分辨率频率-波数谱法[5]，即在处理时，用对互功率谱Sij(f)进行规格化，进而得到高分辨率频率-波数谱：

其中，(xi，yi)、(xj,yj)分别为第i、j个拾震器的坐标，(kx,ky)为波数k在x、y方向的分量。

其中，Qi=(f,k)为矩阵exp[i(kx(xi-xj)+ky(yi-yj))]·Sij(f)的逆矩阵。

找到每一个频率f在二维波数kx-ky平面上的高分辨率频率—波数谱的极大值点位置，求得对应的波数k，进而求得对应频率的相速度VR(f)。

从实测微动信号中提取出瑞雷波频散曲线后，用经验公式:

（其中ti为周期）直接计算视S波速度Vx，通过半波长原理，计算探测深度：H=λ/2=Vx.ti/2，将相速度频散曲线（Vr～f曲线）转换成视S波速度Vx随深度的变化曲线(Vx～H曲线)，再通过插值光滑计算，最终获得视S波速度-深度剖面图。

根据实测面波频散曲线，通过遗传算法优化目标函数的反演，拟合得到测点地下各层的横波速度以及层厚度等地层信息。

1.2 微动数据处理

微动数据处理分为预处理、提取频散曲线和计算速度结构，最终用视S波速度深度剖面图描述处理结果。本文所使用的软件为自主编制了高分辨率频率-波数法处理软件Micro-SWP，能够实现同步时间信号截取、面波频散曲线提取、V-H速度结构计算、绘制视S波速度-深度剖面图等功能(图1)。

1.3 微动数据采集系统

本文所采用的微动数据采集系统主要由拾震器、数据采集器两部分组成。使用的重庆地质仪器厂生产的CDJ-S2C-2型三分量拾震器和项目组自主研发的MicroGS微动数据采集器(图2)。

微动勘探中，一般选择三重圆形台阵单点测量：每一重同心圆的圆周上呈等边三角形布设3个台站，圆心处设一个台站（图3）。每次测量时，10个台站同时观测、记录数据（如图4）。

实际生产中，采用二维微动剖面测量方式布设台阵，如图5。在完成第一个台阵测量后，部分台站不需要移动仍可用于后续测量；减少仪器搬动，可提高工作效率。

2 微动勘探地热应用实例

选取合肥某公园一处地热勘田作为查区，区内为第四系覆盖，断裂构造发育，地层产状总体走向为近东西，倾向北东，倾角10°～20°。据以往资料，实验区内除断裂构造含水外，白垩系上统张桥组（K2z）为主要含水层，该地层岩性为中、细粒砂岩，钙质砂岩夹砂质泥岩。

表1 数据采集器参数指标Table 1 Microtremor survey data Collector Parameter Indexes

图5 微动剖面测量示意图Figure 5. Schematic diagram of microtremor section measurement

图2 微动数据采集系统Figure 2. Microtremor data acquisition system

图1 微动软件界面Figure 1 Microtremor survey Software Interface

图3 一重圆形台阵示意图Figure 3. Schematic diagram of a circular array

图4 三重圆形台阵观测系统示意图Figure 4. Schematic diagram of triple circular array observation system

2.1 剖面布置及测量参数

微动勘探剖面平行于以往的物探工作剖面，近似垂直于断层F（如图6所示）。采样频率250Hz，测量时长30～60min，采用三重圆形台阵，台阵半径为50m～100m～200m，点距86m，测点7个。

2.2 数据处理

2.2.1 波数谱与频散曲线

图6 微动勘探工作位置布置示意图Figure 6. Schematic diagram of working position layout for microtremor survey

图7为1号点3.234Hz时的频率波数谱，取波数谱极大值对应的波数计算该频率对应的相速度，对应波数k=0.0589，相速度V=345.34m/s；图8为1号点频散曲线。

2.2.2 速度结构与视S波速度剖面

依上述方法，计算剖面中7个点的频散曲线，通过经验公式(4)计算视S波速度Vx,i，从而得到视S波速度随深度变化的剖面图(图9)，以判断地下介质结构。

2.3 应用效果分析

如图10中所示，存在串轴状的三个低速异常，推断由断层引起，而从图6中可见，测区内存在断层F。因微动剖面受断层影响，将测区内钻孔ZK1平行于F投影到微动剖面上，投影位置在剖面5号点和6号点之间。在图10视S波速度剖面上5-6号点，400～500m之间存在低速异常，推断此处为含水构造。而在实测钻孔ZK1中（见表2），在400～500m之间为中生界白垩系下统新庄组的含水地层，刚好与剖面图中的低速异常相吻合。且各速度层与钻孔中的地层深度基本一致。

3 结论

地热资源的开发利用具有巨大的经济和社会价值，通常会优先考虑城镇等人口密集区。传统物探手段大地电磁、CSAMT容易受到电磁干扰，人工地震对城市建筑安全和环境带来危害。微动勘探技术观测方便、无需人工源、不受电磁干扰，是城市地热资源勘探的理想选择。通过合肥某公园勘探实例可见微动勘探效果显著：地层界面清晰，破碎带等构造明显，含水层与低速异常有显著的对应关系。利用微动勘探对层状地热田进行界面分层，识别构造是切实可行的。

图7 1号点3.234Hz时的频率波数谱Figure 7. Frequency wave number spectrum at 3.234Hz for point 1

图8 1号点频散曲线Figure 8. Frequency dispersion curve of point 1

图9 1号点S波速度结构Figure 9. Velocity structure of S-wave at point 1

微动项技术可实现无损勘探，对环境友好，符合绿色勘探理念；数据分布式采集，操作方便，经济高效；同时抗干扰能力强，适用于人口密集区；对异常敏感，探测效果好；且探测深度范围大，对浅部和深部信息均可识别。在地热资源勘查及城市建设中有很好的推广前景。

图10 视S波速度剖面与钻孔对比图Figure 10. Comparison between apparent S-wave velocity profile and borehole

表2 该公园ZK1钻孔地层简表Table 2. Stratigraphic profile of borehole ZK1 in the park

尽管如此，微动技术的观测系统和数据处理还有很大的提升空间，对地热构造的正演模拟和反演方法的改进可有效提高解释的精度和可信度。