智能微動勘探在地質(zhì)調(diào)查中的應用探索

李葉飛，韋 健

（廣西壯族自治區(qū)地球物理勘察院，廣西 柳州 545005）

城市是人類活動的中心地帶，由于人口擁擠、交通不暢、環(huán)境破壞、新型城鎮(zhèn)化建設(shè)、耕地紅線不能突破等因素，開展城市地質(zhì)調(diào)查是必然、必要的，這也是新型城鎮(zhèn)化戰(zhàn)略實施與城市可持續(xù)發(fā)展的必然方向。城市淺層地下空間探測則是目前城市地質(zhì)調(diào)查工作中的一個重要內(nèi)容，根據(jù)其探測深度、目的、技術(shù)要求等各方面的不同，采用的技術(shù)方法也有所不同[1]。鉆探是一種直接而可靠的方法，但是在城市中，因為各方面客觀條件的制約，許多地方不宜進行鉆孔，比如施工存在噪音擾民、破壞環(huán)境、工作效率低等諸多因素；因此，地球物理學方法在城市地質(zhì)調(diào)查、城市地下空間探測越來越占據(jù)主導地位。

地球物理學方法包括重、磁、電、震多種方法，應根據(jù)工作內(nèi)容和地質(zhì)環(huán)境條件確定有效方法[2,3]。在城市地質(zhì)調(diào)查工作中，城市環(huán)境中存在大量地電干擾、雜散電流以及電磁信號干擾等，嚴重影響電磁法勘探技術(shù)的勘探效果；而常規(guī)地震波勘探技術(shù)雖然不受電磁信號影響，但受震源所限無法實現(xiàn)大深度勘探，因此利用自然界中存在的各種微弱震動作為震源進行的微動勘探（也稱天然源面波勘探）逐漸被人們所重視。

1 方法簡介

1.1 方法原理

微動是由體波（P波和S波）和面波（瑞雷波和勒夫波）組成的復雜振動，其中面波的能量占信號總能量的70%以上。微動勘探主要采用臺陣方法來接收微動信息，從微動信息中提取瑞利面波的頻散特性，通過對頻散曲線進行反演獲得地層的橫波速度，以此推斷地殼內(nèi)部的橫波速度結(jié)構(gòu)[4]。

1.2 勘探臺陣

本文主要介紹嵌套式等邊三角形布置，最大三角形邊長為16m；該裝置的優(yōu)點在于同等數(shù)量拾振器條件下，拾振器連線構(gòu)成的指向多，有利于適應天然微動震源傳播方向的不確定性；構(gòu)成的不等長的線段多，有利于適應不同波長的天然源面波的采集。嵌套式等邊三角形布置如圖1所示。

圖1 嵌套式等邊三角形觀測臺陣示意圖

2 應用成果

北海市作為我國北部灣經(jīng)濟區(qū)和北部灣城市群的重要支撐城市，不僅是我國西部地區(qū)唯一的沿海開放城市，也是我國西部唯一具備空港、海港、高速公路和鐵路的城市，潿洲島更是享譽海內(nèi)外的旅游休閑度假勝地[5]。為了緩解日益增加的人口壓力及擁擠的交通，北海市欲向城市周邊及地下空間發(fā)展，故進行北海市城市地質(zhì)調(diào)查，為今后城市的發(fā)展做好充分準備。

2.1 測區(qū)地質(zhì)

北海市地層以新生界最發(fā)育，次為古生界；古生界構(gòu)成基底，中新生界組成蓋層，區(qū)內(nèi)廣泛分布第四系，其次出露有第三系、泥盆系。第四系、第三系以松散沉積土體為主，巖性為粉質(zhì)粘土、含粘土砂礫、礫砂，砂質(zhì)粘土、粘土等，在潿洲島、斜陽島，第四系則為堆積物、更新統(tǒng)的巖漿巖，其巖性為玄武巖、沉凝灰?guī)r、火山角礫巖，橄欖玄武巖，氣孔狀玄武巖。泥盆系信都組沉積巖，巖性為砂巖、細砂巖、粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖。

表1 土的類型劃分和剪切波速范圍

2.2 物理前提及推斷依據(jù)

不同的巖性顯示不同的速度，相同的巖性如密實度不同或環(huán)境不同亦顯示不同的波速，所以地層速度差異是微動勘探劃分巖性層的物理前提[6]?；鶐r面、不同時代地層分界面等地質(zhì)界面巖性差異大，從而也是良好的速度分界面，采用微動勘探可有效確定其深度。

地層速度隨巖性、構(gòu)造的變化而變化，根據(jù)其激發(fā)不同的頻散曲線以及它們之間頻散曲線分布規(guī)律，歸納總結(jié)本項目微動勘探中不同的地質(zhì)情況所獲得的頻散曲線，具有如下特征：

（1）當由表層向底層橫波速度逐層增高的情況下，頻散曲線呈逐漸增高的趨勢；

（2）當中間某層為低速層時，頻散曲線出現(xiàn)“之”字形異常、拐點異常，當?shù)退賹拥暮穸茸銐蚝駮r，則會出現(xiàn)頻散曲線往回凹；

（3）當巖石顆粒出現(xiàn)變化時，頻散曲線將會出現(xiàn)頻點疏密的變化；

（4）當巖石速度出現(xiàn)變化時，頻散曲線斜率出現(xiàn)變化。

2.3 成果分析

本次微動勘探于北海市中心城區(qū)部署了4條微動探測剖面，測線呈“井”字形相交，工作重點是對中心城區(qū)0m～30m深度范圍內(nèi)進行高精度勘探，同時兼顧100m以淺的地質(zhì)構(gòu)造，為今后地下空間的開發(fā)利用提供有力的物探依據(jù)。

通過對微動測點頻散曲線進行反演，獲得地層橫波速度（Vs），根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》GB 50011-2010(2016年版)中“表1土的類型劃分和剪切波速范圍”的規(guī)定，實現(xiàn)對北海市地下土類型進行劃分[7]。

利用對頻散曲線反演獲得的橫波速度，了解并基本控制了剖面的土類型分布情況，宏觀上推斷，北海中心城區(qū)土的類型可分為三大類：表層（即勘探數(shù)據(jù)離散區(qū)）存在中軟層，具體厚度未知，在可勘探范圍內(nèi)不做推斷；淺層至中層為中硬土，500m/s≥橫波波速（Vs）＞250m/s，推斷其主要巖性為密實狀、中密狀、稍密狀粗砂，可塑狀粘土，可塑狀粉質(zhì)粘土互層；深層為堅硬土，800m/s≥橫波波速（Vs）＞500m/s。

為了更直觀地了解北海中心市區(qū)地下空間情況，對北海工區(qū)繪制了剖面展布圖及堅硬土頂界面起伏三維圖，目的為了更好更直觀的了解北海中心市區(qū)地下空間情況，見圖2至圖3。

由圖可見，堅硬土頂界面埋深形態(tài)由西到東、由北到南呈逐漸加深的趨勢，整體來看西北面埋深較淺，東南面埋深較深。最深位置主要位于北海凹陷一帶，該段埋深高程可達-68m；最淺位置位于北海市城規(guī)劃局一帶，該段埋深高程僅為-8m左右。2線整體上是堅硬土埋深最深的測線，其中點號從3600～5600為最深位置，根據(jù)資料推斷該區(qū)域為北海凹陷（圖2白框）。通過空間展布圖從空間上、宏觀上更為直觀、清楚地了解市區(qū)整體的波速特征與土類型起伏情況；通過三維空間可以更好地研究地質(zhì)情況[8]。

圖2 北海中心城區(qū)微動勘探剖面展布圖

圖3 北海中心城區(qū)堅硬土頂界面起伏空間三維圖

3 結(jié)論

本次利用WD智能微動勘探系統(tǒng)在北海市中心城區(qū)進行的微動勘探完成了100米以淺的地質(zhì)調(diào)查工作，獲得了該地區(qū)的整體波速特征，清晰劃分了30米以淺的地層分布情況。通過本次智能微動勘探工作，我們總結(jié)了智能微動勘探技術(shù)進行城市地質(zhì)調(diào)查工作具有的特點，也為今后在我國南方濱海城市進行地質(zhì)調(diào)查工作提供一定的經(jīng)驗。

3.1 優(yōu)點

（1）實時獲得勘探成果：采集過程中實時獲得面波頻散曲線，以及面波頻散曲線隨采集過程逐漸收斂、細化、穩(wěn)定的過程，克服盲目采集的缺陷，降低現(xiàn)場工作的技術(shù)難度，提高工作效率。

（2）適應環(huán)境能力強：智能微動勘探具備近場源波型分離功能，可提取短周期頻散實現(xiàn)淺層勘探；可根據(jù)場地條件靈活布設(shè)臺陣形式，尤其適應城市勘探。

（3）地層劃分清晰：通過WD智能微動勘探獲得的速度曲線可以直觀地對地層、構(gòu)造進行劃分。

3.2 局限性

場地影響：由于在市區(qū)工作、且不能中斷交通，因此觀測臺陣的規(guī)模受到限制，從而導致勘探深度受限（深度與邊長的正比關(guān)系）。

3.3 建議

微動勘探是目前被公認為獲得S波（橫波）速度結(jié)構(gòu)最有效、最便捷的地球物理勘探方法之一，尤其適用于城區(qū)人口密度大、有震動干擾的環(huán)境，在對巖性分層、溶洞與土洞探查、土類型分析等方面有著顯著的效果及優(yōu)勢，目前微動勘探在城市地質(zhì)調(diào)查中的作用越來越大，尤其是在不宜開展鉆探工作的市區(qū)，微動勘探具有重要作用[9]。根據(jù)本次北海工作及筆者以往的微動勘探工作經(jīng)驗，認為智能微動勘探是適用于城市地質(zhì)調(diào)查的有效手段，在今后的城市勘探中，可重點使用。

以上是我們在《北海海岸帶陸海統(tǒng)籌綜合地質(zhì)調(diào)查》勘查項目工作中的部分成果，整體項目尚未完成。事關(guān)北海市的發(fā)展，提前公諸于眾，希望能引起高度重視，建立科學有序的城市地下空間開發(fā)利用機制，合理利用資源。

致謝：在數(shù)據(jù)采集、野外工作及論文撰寫時，得到劉云禎老師、金榮杰老師、廣西壯族自治區(qū)地球物理勘察院領(lǐng)導和各位同事的大力幫助、支持、付出及耐心指導，感謝他們的寶貴意見；感謝中國地質(zhì)調(diào)查局武漢地質(zhì)調(diào)查中心對《北海海岸帶陸海統(tǒng)籌綜合地質(zhì)調(diào)查-陸域物探》的資助與支持，在此一致表示感謝！