微动勘探技术在城市地质工作中的应用

2021-11-23卜志伟

商品与质量 2021年7期

卜志伟

辽宁省第四地质大队有限责任公司辽宁阜新 123000

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[1]。

1 微动探测方法

1.1 微动探测原理

微动是地球表层由自然现象和人类活动引起的各种微弱震动的总称，它具有以下特点：①地球表面无论何时何地都存在；②空间分布、触发时间、强度、方向是随机的；③面波能量占微动总能量70%以上；④在一定的时空范围具有统计稳定性，可以用时间和空间上的平稳随机过程描述。微动探测方法是以平稳随机过程为依据，利用不同的观测方式获取微动信号，经数据处理和分析得到瑞雷面波的频散曲线，根据瑞雷面波在非均匀介质中的频散特性对频散曲线进行反演，进而获取地下介质的横波速度的一种方法。

1.2 微动探测的数据采集

为了准确提取面波频散信息，微动探测方法主要通过二维台阵采集信号，台阵的布置方式主要有圆形台阵、内嵌三角形台阵、L形台阵等，目前使用最为广泛的是圆形台阵。圆形台阵中观测台站的数量为4-13个，一个布置于圆心位置，其他则均匀布置在圆周上。也可以将多个圆形台阵进行组合，形成多重圆形观测台阵。台阵中测量台站越多，频散曲线的连续性越好，能量峰值越集中，误差也就越小；圆形台阵的探测深度与圆形的半径成正比，一般为3-5倍半径。由于微动信号在时间及空间上具有随机性，为了保证提取的频散曲线的质量，数据采集必须足够长，一般为10-15min。

1.3 微动探测数据处理

微动探测方法面波频散信息提取主要采用空间自相关法，根据空间自相关函数和零阶第一贝塞尔函数的关系计算出面波的相速度，进而得到面波的频散曲线。频散曲线的反演是基于其正演方法，即建立面波的方程及方程的求解，并与实测资料进行迭代拟合，获得横波信息，目前主要利用局部线性化方法中的最小二乘法。

2 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。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。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GN209远程实时微动系统，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。MicroSWP微动处理软件，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。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[2]。

3 微型勘探技术在勘察中的应用

3.1 采空区的探测

采空区通常指由人工挖掘或者天然地质运动在地表下面产生的空洞，具有隐伏性强、空间分布规律性差，采空区顶板冒落塌陷情况难预测等特点，随着城市地质调查工作的展开，对地下空区的探测尤为重要，例如城市轨道交通工程，大部分为地下工程，由于荷载大，运营震动等原因，采空区对轨道交通施工、运营带来重大安全隐患。采用单点与剖面探测相结合的微动探测方法，在进行采空区探测中效果较好，将单点反演s波速度曲线叠加于视s波速度剖面上，可以直观标定层位，分析岩性的纵、横向变化，通常低速度异常为空区，松动岩层、裂隙的反映，再结合其他地质资料及物探方法，可以有效识别采空区分布的范围轮廓。

3.2 风化残留体探测

岩浆地区球状风化一种常见的地质现象，岩浆岩风化残留体在勘探过程中不易被发现，在工程施工中很容易由此导致工程设计出现误差、施工困难、结构失稳、甚至还会误导勘察结果，从而对工程及建筑物造成断桩、钻孔条件难判定以及建筑物发生裂缝等问题。利用微动勘探技术对岩土分层进行勘察时，可以对风化残留物进行探测。在微动属性参数中，风化残留物对相速度、自相关系数以及H/V值都是有直接关系的，通常在频率相速度等值图中风化残留物为高速异常；在H/V比值线图中，该残留物表现为多峰异常且凸起；在频率自相关系数等值图中，该残留物表现为高值异常[3]。