微动勘探技术在城市地质工作中的应用

2020-05-16贾慧涛廖圣柱盛勇徐子桥

安徽地质 2020年1期

贾慧涛，廖圣柱，盛勇，徐子桥

（安徽省地球物理地球化学勘查技术院，安徽合肥 230022）

0 引言

城市地质是应对世界城市化加速发展的一门新兴学科，主要是研究人类赖以生存的自然环境，包括地质结构、物质组成、地质过程及其与人类生产实践活动的相互影响。合理地开展城市地质调查工作，能够有效地查明城市地质条件、地质问题与地质资源，引导城市地质资源合理利用，规避城市地质安全风险，全面支撑城市规划、建设和管理，开发城市地下空间，促进人地和谐。近些年来，在党和中央的大力倡导下，全国都对城市地质调查高度重视，各省市都将做好城市地质工作作为重要战略任务来抓。但我国相较于其他发达国家而言，城市地质调查及城市地下空间开发起步较慢，经验不足，需要进一步加强方法研究和新方法推广应用。

1 我国城市地质总体情况

1.1 城市地质环境

进入21 世纪，随着我国城市化进程的进一步加快，城市环境地质问题越来越突出。中国地质调查局为了摸清我国城市环境地质问题状况，组织开展了大量的地质灾害与环境地质问题调查，调查发现我国很多城市遭受过包括滑坡、崩塌、泥石流威胁，岩溶塌陷影响，地面沉降，土壤与地下水污染，活动断裂或地震影响。这些影响随着城市建设进一步加强，也逐步变得更加频繁[1]。

1.2 城市地质资源

城市地质资源是对城市规划建设具有重要意义的地下水、地热、浅层地温能、矿泉水、地质遗迹、天然建筑材料、渣土等资源的统称。国内针对地热资源、地下水资源和地质遗迹资源开展了调查工作，发现地热资源量十分丰富，开发潜力大。我国地下水资源南北差异大，一些北方城市地下水资源超采严重，急需加强勘查并加以合理利用。

1.3 城市地下空间

城市地下空间资源量需要考虑城市规模及发展需求、城市地质条件、适宜开发利用强度等因素。现阶段，我国地下空间开发深度较浅，多数城市开发深度在30m以内，仅上海局部地区达到70m。相比较于日本、加拿大、美国、法国等发达国家，我国城市地下空间利用程度有待进一步提高。

2 常规物探方法在城市地质调查中的局限性

常规的物探方法包括重力勘探、磁法勘探、电法勘探和地震勘探，还有钻探。由于城市勘察环境限制和众多人文环境噪声干扰，常规物探方法受到众多不利条件限制，制约了它们在城市地质调查中的应用。

重力勘探、磁法勘探因为车流、人流和复杂城市环境的影响，无法发挥出其优势。钻探法，虽然能够准确的得到地下地层岩性、深度等信息，但因工作开展时，会造成环境破坏、产生噪音干扰，且费用高昂，因此无法广泛应用于城市地质调查中。

电法勘探中高密度电阻率法和探地雷达法已成为城市地下管线探测和浅层地质构造探测的主要手段之一，但其容易受到测区电阻率、人文噪声水平等因素的干扰，实际效果也是差强人意。

常规地震需要借助大能量震源才能确保勘探深度能够达到所需要的深度，而往往这类震源很大且笨重，需要专门设备搬运，且会对城市环境造成污染，因而在城市地质调查中难以登场。

3 微动勘探的特点及优势

微动勘探无需人工场源，属于被动源勘探，即不同于常规地震勘探需要人工震源，它是利用地球无时无刻都存在的微动提取面波信号的一种勘探手段[2]。微动信号微弱，其振幅在10-4～10-2mm 量级之间，人类难以感知，只有灵敏的地震计才可以记录到。微动信号来源广泛，但主要分为两类：一类是频率低于1Hz的微动，源于各种自然现象，例如大气洋流、海陆作用及火山地震等，这类微动信号通常也被称作长波微动；另一类是频率高于1Hz的微动，源于人类活动，例如工厂、汽车及日常活动等，这类微动通常也被称作常时微动。这些微动信号通过地下介质不断散射再到达接收点被记录，携带了大量地下结构信息和震源信息，因此可以利用微动信号提取面波信息，成像地下结构。

图1 高精度微动数据采集系统（图中共11套）Figure 1. High-precision microtremor data acquisition system（11 sets in total）

在勘探时，微动勘探主要通过将仪器形成特定的台阵来进行微动信号收集。台阵主要选用三重圆台阵、“＋”或直线形。微动勘探仪器相比较于常规地震勘探仪器，小巧轻便的多，单人即可携带使用，如安徽省物化探院使用的微动仪器（如图1），轻便小巧，摆放方便，数据采集时间短，只需数人即可完成数据采集工作。

数据采集后，便可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，以探查地质构造[3]。安徽省物化探院自主经过多年研究探索，编制开发了有自主知识产权的处理软件，处理高效快捷，能够在数据采集完成的数小时内完成处理成图工作，软件界面如图2所示。

图2 MicroSWP微动处理软件主界面Figure 2. Main interface of MicroSWP microtremor processing software

相较于其他常规地球物理勘探手段，微动勘探测线布置方便灵活、不受城市干扰影响，仪器轻便、数据采集效率高、省时省力，数据处理快捷高效，整个勘探过程对环境友好，无破坏性和侵入性。微动勘探的这些优点，决定了它能够很好地适应并完成城市地质调查中的多种勘探工作，如勘查城市排水管道、检测工程裂隙、陷落柱、采空区、岩溶溶洞、寻找断层破碎带、地热地下水勘查等[3]。

4 应用实例

[实例一] 安庆市月山镇黄岭小学岩溶溶洞勘探

此实例为安庆月山镇黄岭小学进行的岩溶溶洞勘探。该地区下伏基岩为三叠系下统南陵湖组灰岩，区内岩溶发育，均为浅覆盖岩溶区，岩溶形态为溶洞及溶蚀裂隙，以往曾出现坍陷情况，且发现黄岭小学里部分建筑物有不同程度的下沉（图3）。由于当地作业环境和人文环境限制，决定采用微动勘探，勘探成果如图4所示。

如图4 所示，6～16 号点间、29～31 号点间和36～39号点均存在低速带，推断均存在岩溶发育，但6～16号点间岩溶非常发育，且该地区正处于学校内，学校围墙、食堂墙角均出现很明显的裂隙，推断可能与下部岩溶发育的空洞有关。

图3 月山黄岭小学沉降照片Figure 3. Photo showing subsidence of the Huangling Primary School, Yueshan

图4 月山黄岭小学微动勘探线速度-深部断面和推断地质断面Figure 4. Microtremor exploration line velocity-depth section across the Huangling Primary School, Yueshan

图5 连云港工区物探剖面布置示意图Figure 5. Schematic layout of geophysical profiles in the Lianyungang working area

图6 微动勘探与音频大地电磁勘探结果对比Figure 6. Comparison of results of microtremor exploration and audio magnetotelluric exploration

[实例二] 连云港市海州区采空区勘探

连云港市政府决定在海州区刘志州山建立体育公园。该地区以前处于锦屏磷矿开采范围内，以往曾发生地表塌陷等地质灾害，因此，在公园建设之前，需要对该地区进行采空区调查。前期，在该地区已经开展过CSAMT勘探，但为了加强解释，弥补CSAMT的不足，建设单位决定，利用新兴的微动技术进行勘察。其中勘探线9线微动勘探和以往CSAMT勘探成果如图5、图6所示。

从成果图对比来看，CSAMT结果相较微动，无论是在精准度还是细节刻画上均存在一定的差距，在后期钻探验证时，钻孔ZK5 下钻到180m 处，钻孔ZK06下钻到260m 处均发现了采空处，在微动勘探的结果上，可以很好地找到相应的速率异常区域，而在CSAMT成果图上，确实光滑一片，并无异常。其余各线成果图也大致相同，表明微动在此区域采空区勘探效果更好。

[实例三] 合肥市政务新区某供水管道渗漏检测

合肥市政务新区某道路地下供水管道出现泄漏，泄露地区在闹市路边，路面硬化，下覆地下水管，路周边有供电线。该环境严重限制了钻探、高密度电法、探地雷达等其他方法手段，为了详细弄清泄露范围、找出泄露部分，有关部门经过详细研究后，决定应用微动勘探。勘探成果如图7所示。

结果如图7 所示，在1～22 点段，速度较低，在10、15 及19 号点为局部低速中心，其中19 号点为前期开挖地段（前期认为有漏点），据成果图判断，供水管道泄露区域应在10 号点至15 号点之间。后期，有关部门进行工程验证，验证结果很好吻合微动勘探成果。

图7 合肥政务新区某道路微动速度-深度剖面Figure 7. Microtremor velocity-depth profile across a road in the new administrative district of Hefei

图8 工区卫星影像图Figure 8. Satellite images of the work area：a. Image of year 2018；b. Image of year 2008

[实例四] 安庆市迎江区地质调查

安庆市政府为了更好利用城市土地资源，合理利用城市地下空间，联合南京地调中心开展城市地质调查项目，其中安庆市迎江区作为调查区域之一，需要对沿河入江的一块典型区域进行地质勘查，对第四系进行分层，并探查砾石层界面。因处于市区内，需采用无损环境、噪声污染小的勘探方法，之前南京地调中心做了一些高密度电法勘探，现增加微动勘探加强地质解释。

从图 8 中可见，剖面上 13～22 号点在 2008 年属于水域，在2018年已完成回填，变为暗浜。2018年卫星影像上可见在22～25 号点处的顺安河泵站建有拦水坝。

从图9 可以分析出，微动勘探和高密度电法均能对第四系分层和砾石层界面进行刻画，且对岩性的反应及层位划分基本一致，不过电法剖面深部全部是低阻异常，微动剖面在基岩可能存在溶蚀的位置刻画的更清晰。同时，两者在拦水坝人工构架的识别上结果一致，都表现为高值异常，但是在暗浜的边界、形态识别上，微动勘探明显优于电法。