微动探测技术在城市隐伏断层探测中的应用研究

季 进

(上海市岩土地质研究院有限公司，上海 200072)

1 引言

微动是地球表面无时无刻都存在着微弱无固定震源的震动，震源主要来源于人类活动和自然现象等，前者震动信号称为常时微动，属于高频信号源，频率大于1Hz；后者信号称为长波微动，属于低频信号源，频率小于1Hz，包括地壳活动、海浪涌动、河水流动、风、雨等[1，2]。微动信号是复杂的震动信号，由体波(P波和S波)和面波(Rayleigh和Love波)组成，面波能量约占总能量的70%以上[3]。通常是利用Rayleigh波与S波速度相近的特点(二者比值为0.87～0.95)、其振幅随着深度的增加呈指数衰减(能量主要集中范围为半个波长内)、在不均匀介质传播时会发生频散现象[4]等传播特性来研究地下速度结构，可以求取S波速度、反演不同深度的地质情况和提取出Rayleigh波信号等。其振幅和形态随着空间和时间的变化而变化，但是在一定的时空范围内具有统计稳定性，可以通过平稳随机过程来描述[5]。

通过从复杂的微动信号(图1为上海城区观测的某微动记录的能量谱，频谱特性反映了微动在时间和空间上的变化特征，其频率区间为0.1～100 Hz，低频和高频的震动信号丰富)中提取面波(Rayleigh波)频散曲线，通过对频散曲线的反演获得地下S波速度结构，再通过波速和波速差异解译地质构造等的地球物理勘探方法。近些年，我国学者在应用微动勘探方法开展了大量的研究工作，在地热资源勘探、城市地下地质结构调查、隐伏断层探测等多个方面取得显著成果[6～8]。本文通过微动勘探方法在上海城市隐伏断裂探测和地下速度结构模型建立等方面的应用实例分析研究，为城市区域开展类似地球物理探测工作提供借鉴。

图1 上海市区微动信号能量谱

2 微动勘探基本原理

2.1 数据采集

微动台阵布设较灵活，可以结合场地实际条件布设多重圆形、L型、圆形和直线型等组合台阵的形式，根据不同勘探点的组合可以实现单点、二维和三维微动勘探[9]。上海市地势平坦，第四系松散层覆盖较厚(平均厚度达240 m)，且靠江靠海(高低频振动源信号丰富)，进行隐伏断裂探测时一般优先采用多重圆形台阵观测系统(图2)，勘探深度约为圆形台阵半径R的3～5倍[10，11]。

图2 微动勘探四重圆形台阵观测系统

2.2 数据处理

微动勘探室内数据处理应用最为广泛为空间自相关方法提取瑞雷波频散曲线[11，12]，城区难于布设完整规则的多重圆形台阵观测系统时，可采用非规则台阵、通过扩展空间自相关方法(ESPAC法)进行数据处理[13]。首先，确定台阵中心点和各观测点之间的空间之相关函数，通过方位平均求得空间自相关系数[14]；其次，根据空间自相关系数与零阶贝塞尔函数的宗量关系确定宗量；再由此宗量与瑞雷波相速度关系求出瑞雷波的相速度，提取瑞雷波的频散曲线；最后，利用频散曲线与横波速度的关系反演地下横波速度的最优解，获得地下横波速度结构。可采用非规则台阵、通过扩展空间自相关方法(ESPAC法)进行数据处理、拟合Bessel函数来计算Rayleigh波相速度[13]。反演计算之前首先给定初始模型参数(层数、各层波速度、层厚)，如今应用分歧型遗传算法应用广泛，它从数千中模型中搜索出最小残差模型，并对模型进行交叉组合和变异操作，不断调整模型参数获得直到理论与实测频散曲线拟合最佳[15]。通过速度值的插值和光滑计算，可以实现二维和三维视S波速度剖面成像，进而解释地质构造等问题[15，16]。对于二维和三维微动勘探而言，更需要了解的是由地层岩性变化或断层等地质构造引起的S波速度值的变化情况，以便于有的放矢解译地质现象。根据图3处理流程，无需反演S波速度结构，直接计算微动观测点的Vx值，获得Vx值随深度H的变化曲线，通过对所有测点的Vx-H曲线进行插值和光滑计算处理，即可获得最终的二维或三维速度图像，而解释地质构造等问题[16]。

图3 微动剖面数据处理流程

2.3 城市环境微动勘探优势

上海地区高度城市化，地上地下建(构)筑物密集，道路交通繁忙，地下管线纵横交错[17]，城区范围强烈的电磁、噪声、振动等环境干扰[18]，限制了常规人工震源激发的纵横波地震勘探法和电、磁法等探测方法的应用，在城市区域进行隐伏断裂的探测变得越来越困难，给城市地球物理勘探等地质调查带来了很大难度和挑战[19]。传统的物探技术容易受到勘探场地及环境条件的制约，而微动探测因采用接收天然源微动信号，其受场地背景噪音、电磁场干扰及高低速地层夹层(如第四系松散沉积覆盖层)、低阻高导层(如海水浸入层)等屏蔽作用的影响较小[20]，是一种环保、抗干扰能力强、接收信号频带宽、有效波长长、探测深度大、适用范围广的新型物探技术，特别适用于人口稠密、有强烈振动及电磁等干扰的城市环境。微动勘探视S波速对应的地层标定是地质构造解译的关键，不同岩地层性分层、断层破碎带、岩溶发育范围、岩浆侵入体等异常地质体与周围岩土体的视S波速度差异明显，对于隐伏断裂构造、地层分层、深部地下结构划分等地质解译具有较好的效果。

3 案例分析

3.1 隐伏断裂探测

试验微动测线布置于上海典型的复杂城区环境中，周围建筑物林立、道路、轨道交通及地下管线纵横交错，各种震动、噪声、电磁干扰严重。结合城区场地实际情况，测线共布设6个微动勘探点，间距为422～517 m，测线长度为2.328 km，观测系统采用四重圆观测台阵(35—70—140—280 m)。图4a为测线3号微动勘探点原始面波记录图，数据处理采用扩展空间自相关方法(ESPAC法)，获得相速度频散曲线稳定连续追踪(图4b)。图5中视S波速度剖面清晰了反映了浅部及深部断裂构造速度差异，钻孔ZK1信息与解释地层层位(表1)对应好，解释的层位深度误差≤7.3%。根据值变化情况追踪主要波速界面，解译视S波速度异常特征和形态、速度异常值及其梯度变化等的地质含义，获取地层层序、低速异常(断裂破碎带)和断裂带位置及延伸划分等情况。图5中，可以识别出多个波速界面，其中S1、S2、S3为第四系内部的波速界面；微动剖面上对应于埋深215 m以下、Vx=750 m/s的速度分界面S4，该分界面以上地层岩性相对均匀，未见明显速度异常，分界面以下见多处低速异常，表明断裂构造发育，对应为第四系下更新统底界(基岩顶界面)。根据Vx值异常变化特征，断层F1和断层F2之间(区间为450～880 m)区域显示为明显的低速异常，与两侧相对高速反差鲜明，基岩破碎带特征明显。视S波剖面地层划分与钻孔ZK1岩性分层进行对比(表1)显示，微动勘探方法能很好地揭示地下岩土体的物性差异变化，在上海高干扰城市背景下的隐伏断层探测效果显著。

图4 微动勘探某点原始面波记录和频散曲线

表1 微动勘探与钻孔结果对比

3.2 三维地下速度模型建立

图6为上海某地近8 km2三维微动勘探测点分布图，测区内基岩岩性复杂，共设置39个微动勘探点(图中黑色标记为微动勘探点位置)，各勘探点间距约为400～900 m，采用四重圆台阵观测系统(35—70—140—280 m)。

数据处理采用扩展空间自相关方法(ESPAC法)进行，结合钻孔资料与反演的各微动勘探点的S波速度异常分界可以推测测区的基岩埋深，获得基岩顶板埋深为约-300～-220 m(图7)，整体赋存呈东高西低形态。图8a视S波三维速度体结构图为速度模型由集合视S波速度而成，三维速度模型展示出不同深度的地下地层结构和地质构造等特征，根据S波速度变化可以识别测区范围内的第四系与基岩物性界面，基岩面以下也存在多个波速界面。图8b中黑色圈标记范围内，可以清晰看出基岩内视S波速度存在间断不连续特征，推测为断层错断所致；且基岩内可以分辨出明显的低速异常条带，结合地质资料推测为燕山期中国东部强烈的岩浆活动，引起的岩浆沿断层面等裂隙侵入所致。通过三维微动勘探可以反演建立近地表到深部的视S波三维速度结构模型，可以根据波速值异常圈定异常地质体分布范围和划分地层岩性分界面等。

图6 微动勘探测点分布

图7 微动勘探基岩埋深等值线(m)

图8 三维微动勘探视S波三维速度体结构(m)

4 结论

通过微动勘探方法在上海城区隐伏断裂和异常地质体探测等方面的应用获得了以下结论。

(1)微动勘探相对于传统物探和钻探手段来说是一种无损、快捷、对观测环境无特殊要求的地球物理调查方法，丰富了城市区域地球物理勘探的手段，提高了复杂城区环境下物探的精度和有效性，为城市复杂环境地下空间地球物理勘探提供了新的勘探手段与思路。

(2)微动勘探对深部地下构造特征刻画效果显著，能够有效地刻画隐伏断层的空间展布特征、划分不同岩土体地层分层情况、圈定异常地质体空间分布范围等。

(3)微动勘探三维速度模型能有效刻画城市地下空间三维速度特征，可以获得不同岩土界面的深度信息、圈定异常地质体空间分布范围等，实现城市地下结构透明化显示。

(4)微动勘探成果在钻孔资料约束下进行数据反演处理和解译，可以提高微动探测成果的可靠性。

(5)微动勘探方法是通过剪切波速结构复原地层组合，横向精度的有效性和可靠性随着勘探点密度增加而提升，测点之间的波速结构剖面依靠插值获得，尽管可以实现剖面成像，然而相同岩性内弯折的界面、岩性差异小的界面细节无法通过该方法成像。建议在实际微动勘探过程中，结合地质任务适当采用较小间距的微动勘探点距，提高断层裂构造判断识别的可靠性。