微动方法在金属矿采空区三维探测中的应用——以安徽霍邱县某铁矿采空塌陷区为例

廖圣柱，万子轩，贾慧涛

1.安徽省地球物理地球化学勘查技术院，安徽合肥 230031；2.安徽省浅地表地球物理工程研究中心，安徽合肥 230031

在国民经济高速发展的今天，对地下金属矿产资源日益增长的需求导致了全国各地出现了大量的采空区，采空区易引发透水、塌陷、冒顶片帮等多种形式的地质灾害，易造成大量的人员伤亡和财产损失。由于地下金属矿采空区隐蔽性强、空间分布规律性差，使得采空区的探测成为一个难题（程力等，2020），因此针对探测方法的研究具有重大意义。

物探方法具有经济快捷和大范围探测的优势，近年来随着物探技术的不断成熟，物探方法被广泛应用于采空区探测（程久龙等,2014）。目前主要用于采空区探测的物探方法（薛国强等,2018)可分为两类：一是以电性差异为识别依据的电磁类方法，包括高密度电阻率法（杨镜明,2012）、地质雷达法(戴前伟等,2010)、瞬变电磁法（戴前伟等,2013）、可控源音频+大地电磁测深(陈玉玲等,2015)等；二是以波速差异为识别依据的地震类方法，包括反射波法（卫红学等,2014）、折射波法(王建文等,2010)、绕射波法（赵惊涛等,2022）和主被动源面波法（徐佩芬等,2009）等。各种方法均有其局限性，如高密度电阻率法探测深度有限且在采空区未充水情况下探测效果不佳，主动源地震方法受地表障碍及噪声影响较大（杨树流,2009)，这些因素制约了传统物探方法在高干扰背景下进行金属矿采空区探测的效果。

微动方法是近年来新发展的一种地球物理探测技术，具有探测深度大、纵向分辨率较高、施工成本低、抗干扰能力强、环境友好等特点，已在清洁能源勘查(盛勇等,2019;Tian B et al.,2022)、岩溶勘查（范长丽等,2020）、采空区勘查（贾煦等,2022）、城市地质调查（蔡祖华等,2021;何军等，2022；徐浩等,2022；张傲等，2022）等领域取得较好效果。本文以安徽霍邱地区某铁矿采空塌陷区为研究对象，针对该区域采空区埋深相对较大、人为干扰较严重等特点，选用微动探测方法开展采空塌陷区三维探测研究工作，为该区后续综合治理提供地球物理依据。

1 研究区地质概况及地球物理特征

1.1 地层

研究区位于安徽省六安市霍邱县，地处华北地台南缘，六安断裂以北，合肥凹陷和潢川凹陷之间。地层属于华北地层两淮地层分区，除部分古生代缺失，前寒武系至第四系均有发育（尹青青等,2013）。研究区均为第四系（Q）覆盖，下伏地层主要由侏罗系上统毛坦厂组（J3m）、新太古界霍邱群吴集组（Ar4w）沉积变质岩组成（图1）。地层从老到新分述如下：

图1 安徽省霍邱地区某铁矿地质简图Fig.1 Geological sketch map of an iron mine in Huoqiu area,Anhui province

（1）新太古界霍邱群吴集组（Ar4w）

为研究区主要地层，由片麻岩、片岩、混合岩、混合花岗岩及铁矿体组成，总层厚＞1000 m，呈似层状隐伏于第四系之下，为本区赋矿层位。

（2）侏罗系上统毛坦厂组（J3m）

局部分布于研究区的东部，主要由细、粉砂岩、泥页岩组成，总厚度＞350 m。

（3）第四系（Q）

第四系覆盖全区，上部为上更新统（Q3）粘土、粉质粘土，下部为中下更新统（Q1+2）粘土、中粗砂层和钙质胶结层，分布不稳定，总层厚32 m～157 m。

1.2 构造

1.3 地球物理特征

不同的地质条件对应着不同的物理特征。在正常沉积层序下，地层速度在水平方向应保持相近，纵向方向上随深度逐渐增大。研究区内矿带上覆的岩层由太古界吴集组片麻岩、片岩、混合岩、混合花岗岩及铁矿体组成。其上部为强风化带，岩石松散破碎，多呈土状，力学强度低，地震波速低；下部为弱风化带，裂隙发育，地震波速较强风化带有所增大，向下逐渐过渡为新鲜基岩，地震波速开始显著增大。

当采空区发生塌陷时，顶板岩层断裂、破碎和垮落导致上覆岩层可能形成三个影响带，即冒落带、裂隙带和弯曲下沉带（张淑婷,2012）。影响带由于岩体破碎、充水，地震波速度下降明显，而采空区无论是否被填充，相对周围地层均表现为低速异常，这些地球物理特征的变化为微动方法的应用提供了前提。

1.4 矿区采空塌陷情况

根据以往资料显示，矿区已知共有5个不同采高的采场，底部标高分别为-146 m、-160 m、-179 m、-195 m、-220 m。由于前期采矿工程尚有部分采空区未及时充填，受采空、断裂带、地下水等综合地质因素的影响，地表曾多次发生采空塌陷地质灾害，严重影响到该区域地形地貌景观及地表村庄的人员及财产的安全。前人在塌陷区开展了高密度电法和三维直流电阻率法的探测工作,获得了区域浅部地层（深度＜100 m）的结构信息，但并未对深部采空区进行深入研究。本次工作在此基础上，针对地下深部结构开展微动勘查工作。

2 微动方法原理

微动是指地球表面随时随地都存在的微弱振动，其中小于1Hz 的信号源于海洋、潮汐运动等自然现象，大于1Hz 的信号主要来自于交通、工业设施等人类活动。微动主要由体波和面波组成，其中面波的能量占比＞70%。利用台阵数据提取微动中面波的相速度频散特征，并通过反演获取地下横波速度结构是目前主流的微动勘探方法。

微动勘探的具体过程为：根据勘探目标和场地条件（地质、噪声源等），选取适宜的观测台阵及数据处理方法；从微动信号中提取出面波相速度频散曲线；反演频散曲线得到台阵下方横波速度结构（vs-h），方便起见也可直接采用公式（1）将相速度（vr-f）直接转换成视速度（vx-H）(Tokimatsu et al.,1992)。

其中，ti、vr，i分别为第i个频点的周期和相速度。

基于二维台阵测量相速度频散曲线的方法主要有F-K 方法（Capon，1970）和SPAC/ESPAC/MMSPAC 方法（Aki,1957;Ling S Q,1994;Okada,2003），两种方法各有优劣（Hayashi et al.,2022）。本次研究选用改进的高分辨率F-K 方法（Wathelet et al.,2018）进行频散测量，该方法在得到相速度的同时能够对噪声源进行定位(Gal et al.,2015)，其一般计算流程如下：①将微动数据等时长分成M段，对每段数据加窗函数以防止频谱泄漏，剔除振幅过大的数据段；②对分段数据进行傅里叶变换，在频率域计算其互相关谱C(f):

③利用Capon 方法计算整个台阵的聚束输出P(f，s):

④通过求取给定频率下P(f，s)的极大值对应的慢度(sx，sy)，计算出对应的相速度，对所有频率采取如上操作得到相速度频散曲线。

3 微动数据采集与处理

3.1 场地单点试验

在正式野外施工前，首先开展场地噪声源调查，以指导观测方案的设计和数据处理。利用15个台站组成的台阵进行观测试验，观测时间为半小时。图2 为试验数据时频分析结果，可见2～10 Hz频段信号较为丰富，表明区域内人文活动较为强烈，能够为本次勘探提供丰富的微动信号。5 Hz 以上出现间断持续且能量较大的单频噪声，为疑似干扰源。现场勘查结合噪声源聚束分析（图3），确定为厂区的工业机械噪声。该噪声源与其他源在慢度上接近，且具备频散特征，推断以平面波形式在场地传播，对频散曲线的质量影响不大。此外，聚束结果显示出场地低频噪声源均有明显的方向性，宜采用二维台阵进行数据观测（Liu Y et al.,2020）。

图2 试验点典型微动信号(a)和时间域波形记录(b)时频分析结果Fig.2 Typical micro motion signals at test points(a)and time domain waveform records(b)time-frequency analysis results

在地表塌陷区和远离塌陷区的位置分别进行了单点探测，可以看出正常地层的频散连续性更高、相速度更高（图4a），而塌陷区频散较为杂乱、3～5Hz频段基、高阶频散发生混叠，相速度较低（图4b），两者差异明显，是微动方法有效探测采空塌陷区的良好前提。

图4 研究区未塌陷区（a）及塌陷区（b）频散谱Fig.4 The dispersion spectrum in non-collapse area(a)and the dispersion spectrum in collapse area(b)

3.2 野外数据采集方法

采用国为电子公司生产的GN309 一体化远程智能微动勘探仪进行微动数据采集。在条件较好的情况下，微动台阵的探测深度可达观测半径的3倍以上（Foti et al.,2018）。根据以往勘查经验和场地试验结果，本次勘查采用10 个台站组成的三重圆形观测台阵，观测半径分别为20 m、40 m、80 m，探测点距为20 m。兼顾到施工效率，实际观测时共布设15个台站（图5），一次观测两个点1#和3#，观测时间为30 min，完成观测后台阵整体沿测线方向移动20 m，进行点2#和4#的观测，以此类推。根据场地塌陷情况和以往开采信息，布置了微动勘探剖面，测线、测点分布如图6所示。

图5 观测台阵示意图Fig.5 Schematic diagram of observatory array

图6 微动测点分布Fig.6 Locations of microtremor survey points

4 探测成果与资料解释

4.1 微动试验剖面

选取研究区地质、钻孔资料最丰富的L17-135线作为勘探试验剖面，以验证采集参数和处理方法的有效性。本次研究仅需了解剖面速度的相对变化，无需反演速度的绝对值。提取出频散曲线后，利用式（1）计算出剖面视横波速度vx，如图7所示。可以看出，剖面由浅至深，速度逐渐递增。速度等值线变化趋势是沿测线方向由浅入深，与已知地层倾向一致。速度分层明显，按速度变化规律可大致分为三层，并根据钻孔岩性推测其对应地层如下，第一层：速度100～400 m/s，推测为第四系亚粘土层（Q3）；第二层：速度400～500 m/s，推测为第四系钙质胶结层（Q1+2）；第三层：速度500～1600 m/s，推测为新太古界霍邱群吴集组上段（Ar4w2）片麻岩。图中标高-50～-100 m之间3处本应因存在矿体而为高速的地方，实测显示为低速异常（异常1-3），经与矿方沟通，确认异常1 与异常2 两处位置的矿脉均已采空（vx＜600 m/s），由已知到未知，推测异常3位置的矿脉也被开采，但已回填（600 m/s＜vx＜900 m/s）。

图7 L17-135线视横波速度剖面Fig.7 Apparent velocity profile of L17-135

综上，微动速度剖面结果与地质剖面钻孔资料基本吻合，由此可以开展全区测线综合解释。

4.2 成果解释

本次研究共完成14 条微动剖面，测点覆盖全区，通过数据插值构建了研究区标高-300 m以上的三维视横波速度结构。从速度水平切面图（图8、图9、图10）中可以看出，标高-140 m～-200 m 微动切片图中的低速异常边界与开采平面边界吻合良好，大部分开采地层虽已回填，但整体波速仍低于800 m/s，而同标高正常地层波速可达1000 m/s。在已知塌陷区域Y01(图9)，标高-160 m 以下异常不明显，表明塌陷点位于标高-146 m～-160 m 之间的开采平面；标高-40 m～-160 m 之间推测为塌陷冒落带，因为地层破碎充水，相较围岩表现为明显低速异常；标高-20 m切片低速异常不明显，结合以往物探资料推断标高-20 m以上地层趋于稳定。此外，标高-60 m～-100 m切片图中的异常范围大于地表已知沉降区，推测塌陷区周边也存在局部地层沉降或受塌陷影响产生地层扰动，地层稳定性有所下降，但受影响范围并未延伸到标高-60 m以上。

图8 研究区标高-20 m～-80 m三维横波速度结构水平切面图Fig.8 Horizontal sections of the three-dimensional shear wave velocity at elevation between-20m～-80m of the study area

图9 研究区标高-100m～-160m三维横波速度结构水平切面图Fig.9 Horizontal sections of the three-dimensional shear wave velocity at elevation between-100 m～-160m of the study area

异常带范围内存在两个明显的低速异常点Y02和Y03（图9），为区域内的隐伏灾害点。从速度切面三维透视图（图11）可以看出三处异常在标高-150 m～100 m区段的空间形态极为一致，并在标高-100 m～-90 m区段联通。结合已知的采空塌陷特征，推测Y02、Y03处发生了局部塌陷，塌陷点同样位于标高-146 m～-160 m间的开采平面，塌陷影响范围延伸至标高-80 m，可能存在进一步塌陷的风险。

图11 研究区标高-60 m～-160 m速度切片透视图Fig.11 Perspective view of Plots of horizontal sections at elevation between-60 m～-160 m of the study area

切片东部标高-140 m～-240 m 之间存在的低速异常带与区内已知断层F1 走向一致，推测为断层破碎充水的反映。而异常Y02和Y03恰好位于开采边界与断层破碎带的交界处，因此采空区与断层裂隙可能发生联通，但仅凭波速特征无法查明采空区与地层、构造之间的水力联系，因此导致塌陷的具体原因尚待进一步研究。

5 结论

（1）本次微动勘查结果表明，三维速度结构能够有效刻画出区内采空塌陷区与断层的空间展布及相互联通关系。弹性波速反映了介质力学性质强度，可据此对地层稳定性进行评估，为后续综合治理提供地球物理依据。但仅凭波速特征无法确认采空塌陷区域富水情况及其与地层构造之间的水力联系，若要查明塌陷具体原因需联合多物探方法进行综合解释。

（2）微动技术以背景噪声为信号源，天然具备抗干扰能力，且探测深度大。本次研究充分肯定了微动技术在金属矿采空区探测中的适用性，在探测目标深度较大，周围人文干扰较强的情况下具有良好的技术优势，本文的探测实践可为以后类似采空区探测提供借鉴。