利用微動(dòng)探測(cè)技術(shù)調(diào)查尾礦庫壩體地基穩(wěn)定性

劉楊，盛勇，陳海波，賈慧濤

（安徽省地球物理地球化學(xué)勘查技術(shù)院，安徽合肥 230022）

0 引言

尾礦庫壩基穩(wěn)定性事關(guān)重大，若壩基變形導(dǎo)致尾礦礦漿泄露，會(huì)對(duì)周圍環(huán)境造成嚴(yán)重污染，嚴(yán)重威脅礦區(qū)人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。本文研究的尾礦庫壩為碾壓石料不透水壩，高80m，長(zhǎng)729m。近四個(gè)月來，壩腳T4 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移量達(dá)到4cm 之多。壩基東邊有一處規(guī)模較大的采空區(qū)，中心有一塊已回填的塌陷區(qū)；附近還有一處已用鋼筋砼封堵的漏水坑道。若監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移為壩體附近地基位移導(dǎo)致，則壩體的穩(wěn)定性堪憂，因而亟待查明該監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移原因。同時(shí)，因壩基周圍是礦區(qū)、工作區(qū)和生活區(qū)，工作環(huán)境復(fù)雜，電磁和人文干擾較大，常用的電法、淺震等物探手段受到較大限制，難以施展。而微動(dòng)技術(shù)具有不受電磁干擾、無損勘探的特性，因此非常適合本次研究工作。

微動(dòng)探測(cè)技術(shù)，是通過采集天然場(chǎng)源微動(dòng)信號(hào)，從中提取面波（瑞雷波）頻散曲線，再對(duì)頻散曲線反演獲得地下介質(zhì)的S 波速度結(jié)構(gòu)，進(jìn)而探查地質(zhì)構(gòu)造。這種方法具有環(huán)保和抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)。近年來，省物化探院對(duì)該技術(shù)進(jìn)行了深入系統(tǒng)的研究，對(duì)微動(dòng)數(shù)據(jù)采集和高分辨率頻率-波數(shù)法微動(dòng)數(shù)據(jù)處理技術(shù)進(jìn)行了革新，開發(fā)出一整套包含工作儀器、技術(shù)設(shè)計(jì)、野外工法及質(zhì)量評(píng)價(jià)、數(shù)據(jù)處理軟件(Micro‐SWP 微動(dòng)處理軟件)、異常分析解釋的多臺(tái)陣微動(dòng)剖面觀測(cè)技術(shù)，充分發(fā)揮該方法自由臺(tái)陣和高分辨率的特性，在資源勘查、環(huán)境調(diào)查等領(lǐng)域取得了理想效果。

本文使用高分辨率頻率-波數(shù)法微動(dòng)技術(shù)與大功率可控源大地電磁測(cè)深（CSAMT）開展聯(lián)合勘探，獲取發(fā)生位移的T4 監(jiān)測(cè)點(diǎn)附近地下介質(zhì)視S 波速度分布和視電阻率分布，進(jìn)而分析地質(zhì)狀況，對(duì)尾礦庫壩基的穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)，通過方法對(duì)比驗(yàn)證微動(dòng)探測(cè)的有效性和先進(jìn)性。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

研究區(qū)位于大通-順安北東向復(fù)向斜中次級(jí)青山背斜北東段的南東翼。青山背斜總體走向40°～50°，長(zhǎng)22.50km，寬8km，南西段窄，向北東漸開闊，均由三疊系下、中統(tǒng)組成，為一短軸不對(duì)稱褶曲。小褶曲發(fā)育，規(guī)模不大。區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造主要以印支—燕山晚期斷裂為主，分布規(guī)模較小的平移斷層組，包括區(qū)內(nèi)的沙子堡平移斷層組。該平移斷層組位于青山背斜南東翼，獅子山之南，走向北偏西30°，切割北西向閃長(zhǎng)玢巖巖脈，錯(cuò)距10～15m。

研究區(qū)內(nèi)第四系覆蓋層厚度0.5～17.5m?；鶐r主要是大理巖，其東北部和西南部存在不同規(guī)模的閃長(zhǎng)巖巖脈。閃長(zhǎng)巖的強(qiáng)風(fēng)化層埋深均較厚，厚度變化大，規(guī)律性不明顯。鉆探資料顯示研究區(qū)地基巖土主要為第四系殘積、坡積、洪積、沖積的黏土夾碎石層，三疊系中統(tǒng)大理巖以及巖漿侵入體閃長(zhǎng)巖、石英閃長(zhǎng)巖。

圖1 微動(dòng)探測(cè)工作布置圖Figure 1.Layout of microtremor detection

2 高分辨率頻率-波數(shù)法微動(dòng)探測(cè)技術(shù)

微動(dòng)信號(hào)是復(fù)雜的空間隨機(jī)波場(chǎng)。頻率-波數(shù)法假設(shè)微動(dòng)信號(hào)是空間、時(shí)間上的平穩(wěn)隨機(jī)過程，并且沿水平向傳播，通過觀測(cè)臺(tái)陣，用頻率F-波數(shù)K 來描述波場(chǎng)的空間變化，頻率-波數(shù)（相速度

V

）譜描述面波的頻散關(guān)系和傳播機(jī)制。數(shù)據(jù)處理時(shí)使用微動(dòng)信號(hào)中的垂直分量，其中的瑞雷面波相對(duì)占優(yōu)勢(shì)，在頻率-波數(shù)譜中反映為能量最大值。

本文使用的是高分辨率頻率-波數(shù)譜法（High-Resolution Frequency-Wavenumber Spectrum Analy‐sis）。Capon（1969）、Tokimatsu（1992）、Ohrn‐berge（r2004）等人通過理論和試驗(yàn)證實(shí)該方法具有比經(jīng)典頻率-波數(shù)法、聚束法（Frequency Domain Beamforming Filtering）、多信號(hào)分類法（Multiple Signal Characterization (MUSIC) Algorithm）等其他頻率-波數(shù)法更高的分辨率。盛勇、賈慧濤、范長(zhǎng)麗、劉楊等人使用該方法在地?zé)豳Y源勘探、地質(zhì)調(diào)查、工程勘探領(lǐng)域取得了很好的勘探效果。

式中，(

x

,

y

)、(

x

,

y

)分別為第

i

、

j

個(gè)拾震器的坐標(biāo)，(

k

,

k

)為波數(shù)

k

在

x

、

y

方向的分量。

式中，

Q

(

f

,

k

)為矩陣exp[

i

(

k

(

x

?

x

)+

k

(

y

?

y

))]?

S

(

f

)的逆矩陣。找到每一個(gè)頻率

f

在二維波數(shù)

k

?

k

平面上的高分辨率頻率-波數(shù)譜的極大值點(diǎn)位置，求得對(duì)應(yīng)的波數(shù)

k

，進(jìn)而求得對(duì)應(yīng)頻率的相速度

V

(

f

)，從而得到瑞雷波頻散曲線。

在瑞雷波頻散曲線的基礎(chǔ)上進(jìn)行反演，即可得到最終的微動(dòng)視S波速度-深度剖面。通過經(jīng)驗(yàn)公式：

（其中

t

為周期）計(jì)算視S 波速度

V

，再通過半波長(zhǎng)原理將

V

與

t

的對(duì)應(yīng)關(guān)系轉(zhuǎn)換成

V

，隨深度

H

的變化曲線(

V

-

H

曲線)，最終獲得視S 波速度剖面圖。視S 波速度是一種近似的剪切波速度，可以用來表征真實(shí)橫波速度的變化趨勢(shì)。

3 微動(dòng)數(shù)據(jù)采集和處理

3.1 微動(dòng)數(shù)據(jù)采集設(shè)備

本次研究采用剖面觀測(cè)方法，從壩基處平行于大壩向南端塌陷區(qū)共布設(shè)測(cè)線7 條，擬調(diào)查深度200m，根據(jù)微動(dòng)工作方法（劉楊，2021）使用5 點(diǎn)線性點(diǎn)陣（圖2），探測(cè)點(diǎn)距為10m，使用重慶地質(zhì)儀器廠主頻為2Hz的CDJ-S2C-2型三分量拾震器和合肥國(guó)為電子有限公司MicroGS微動(dòng)數(shù)據(jù)采集器（儀器參數(shù)見表1）采集數(shù)據(jù)，采樣頻率250Hz，測(cè)量時(shí)間30min。

表1 微動(dòng)數(shù)據(jù)采集設(shè)備主要性能指標(biāo)（20°）Table 1.Major performance indexes of microtremor data ac?quisition equipmen（t20°）

圖2 微動(dòng)線性觀測(cè)臺(tái)陣示意圖Figure 2.Schematic diagram of mictremor observation array

3.2 數(shù)據(jù)處理

圖3 單點(diǎn)頻率-波數(shù)曲線（1號(hào)線160號(hào)點(diǎn)f=6.0425Hz）Figure 3.Frequency-wave number curve（point 160 of line 1, f=6.0425Hz）

圖4 單點(diǎn)頻散曲線（1號(hào)線160號(hào)點(diǎn)）Figure 4.Dispersion curve（point 160 of line 1）

圖5 單點(diǎn)視S波速度結(jié)構(gòu)（1號(hào)線160號(hào)點(diǎn)）Figure 5.Apparent S-wave velocity structure（point 160 of line 1）

4 微動(dòng)勘探效果與分析

圖6為1號(hào)線微動(dòng)視S 波速度剖面。T4監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于1 號(hào)線240 點(diǎn)位置。圖中可見淺表為層狀低速異常，厚度較均勻，約為15～20m，與區(qū)內(nèi)厚度0.5～17.5m 第四系覆蓋層有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，推測(cè)此低速異常為腐殖土及碎石為主的第四系覆蓋物引起。覆蓋層以下視S 波速度并沒有隨深度明顯變化，低速異常顯著，巖石較破碎，在150 號(hào)點(diǎn)和240 號(hào)點(diǎn)下方可見低速異常呈帶狀分布，推測(cè)為斷裂破碎帶。兩處斷裂構(gòu)造近于直立，斷層線平直。

圖6 1號(hào)線微動(dòng)視S波速度剖面Figure 6.Apparent S-wave velocity profile obtained from mi?crotremor detection line 1

根據(jù)以往的地質(zhì)資料，研究區(qū)內(nèi)巖石主要是閃長(zhǎng)巖和大理巖。微動(dòng)成果剖面直觀顯示出斷裂破碎構(gòu)造，卻無法識(shí)別兩種巖石的界限。為此我們進(jìn)行了更深入的研究，估算兩種巖石的S波速度。

在尾礦庫修建之初，曾對(duì)研究區(qū)內(nèi)鉆孔巖心進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)定巖石物理力學(xué)性質(zhì)。根據(jù)這些實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)（表2），結(jié)合波動(dòng)理論，可以估算出地下介質(zhì)中的橫波速度理論值。

表2 研究區(qū)內(nèi)巖石力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)Table 2.Statistics of mechanical properties of rocks in the study area

橫波在固體中傳播速度

V

主要取決于介質(zhì)密度

ρ

和剪切模量

G

。

對(duì)于各項(xiàng)同性介質(zhì)，楊氏彈性模量

E

、剪切模量

G

和泊松比

r

之間存在以下關(guān)系：

則橫波速度

V

為：

從表3 可以看出，研究區(qū)內(nèi)的大理巖橫波速度實(shí)驗(yàn)室估值在1934～2530m/s，閃長(zhǎng)巖橫波速度實(shí)驗(yàn)室估值在1957～3299m/s，速度相近，并沒有非常顯著的速度差異，故而無法在微動(dòng)成果圖件上有效識(shí)別兩種巖石。根據(jù)以上估算成果，實(shí)際微動(dòng)勘探得到的巖石視S 波速度范圍在2000～3000m/s 左右，與以上實(shí)驗(yàn)室估值相吻合，也證實(shí)了此次微動(dòng)勘探的有效性。研究區(qū)內(nèi)還分布有塊狀矽卡巖，根據(jù)以往資料和勘探經(jīng)驗(yàn)，估計(jì)該巖石的視S 波速度不低于2000m/s。推測(cè)研究區(qū)內(nèi)微動(dòng)視S 波速度低于1500m/s的異常區(qū)域?qū)?yīng)斷裂破碎的可能性更大。

表3 研究區(qū)內(nèi)巖石橫波速實(shí)驗(yàn)室估值統(tǒng)計(jì)Table 3.Statistics of lab estimates of S-wave volocities of rocks in the study area

圖7 將7 條微動(dòng)視S 波速度剖面繪制成高程為50m、0m、-50m、-100m四個(gè)深度的深度平面圖。

圖7-a是高程50m的微動(dòng)綜合平面圖。雖然受地表起伏的影響，仍可以直觀看出第四系洪積坡區(qū)域、人工填土區(qū)域和采空區(qū)影響帶等質(zhì)地較疏松的介質(zhì)，預(yù)期均顯示視S 波速度低于1500m/s 低速異常，而大理巖和閃長(zhǎng)巖這些質(zhì)地較致密的巖石出露區(qū)域?qū)?yīng)視S波速度大于1800m/s的高速異常區(qū)域。

圖7-b是高程0m的微動(dòng)綜合平面圖。根據(jù)資料，坑道、塌陷及回填不超過百米，對(duì)這一層影響最大。區(qū)內(nèi)主要介質(zhì)為大理巖和閃長(zhǎng)巖，視S 波速度差異很小，無法從圖上直接識(shí)別。零星可見斑塊狀視S 波速度低于1800m/s的低速異常，推測(cè)為坑道和塌陷及回填不均勻?qū)е?。T4監(jiān)測(cè)點(diǎn)下方的低速異常較顯著，推測(cè)為巖石破碎引起。

圖7-c 是高程-50m的微動(dòng)綜合平面圖。此深度受坑道、塌陷和回填的影響較小。圖中從低速異常的分布可以依稀識(shí)別出北西-東南向沙子堡平移斷層組。小號(hào)點(diǎn)附近和T4 監(jiān)測(cè)點(diǎn)下方的低速異常，推測(cè)為斷裂破碎引起。

圖7-d 是高程-100m的微動(dòng)綜合平面圖。此深度已經(jīng)不受坑道、塌陷和回填的影響，能較好地反映該區(qū)原始的地質(zhì)狀況。如圖所示，帶狀低速異常與沙子堡平移斷層組有非常好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。T4 監(jiān)測(cè)點(diǎn)正位于該斷層組F2 與F4 交匯點(diǎn)上。根據(jù)微動(dòng)視S 波低速異常分布，可對(duì)該斷層組作更精細(xì)的推斷。斷層F6和F7并沒有一直向南延伸至研究區(qū)外，而是被140號(hào)點(diǎn)附近的左旋平移斷層F 截?cái)啵纬蒄8 和F9 延伸至研究區(qū)外。斷層F 在四個(gè)高度層位的微動(dòng)綜合平面圖上都有顯示（圖7a—d）。圖5 中1 號(hào)線微動(dòng)剖面上兩處低速異常帶正對(duì)應(yīng)著斷層F和F2。

圖7 微動(dòng)綜合平面圖Figure 7.Comprehensive plans of microtremor detection

綜上所述，我們認(rèn)為T4 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于沙子堡平移斷層組上，位于斷層F2 和F 交匯處，周圍地質(zhì)體較穩(wěn)定，沒有明顯的地質(zhì)體位移，沒有受到南面塌陷的影響。推斷T4 位移不是由于深部結(jié)構(gòu)性的破壞造成的，可能是周邊較淺的地質(zhì)問題或其他因素影響所致。研究區(qū)內(nèi)斷層F2、F5、F 距離尾礦庫壩體較近，且走向幾乎垂直于壩體，應(yīng)當(dāng)保持實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，注意警惕。

5 微動(dòng)探測(cè)與可控源大地電磁測(cè)量勘探效果對(duì)比

研究區(qū)內(nèi)同時(shí)開展了CSAMT 工作，圖8 將微動(dòng)測(cè)量成果與CSAMT成果進(jìn)行了對(duì)比。從圖中可以看出微動(dòng)低速異常區(qū)域與CSAMT低阻異常區(qū)相對(duì)應(yīng)：1號(hào)線、2號(hào)線、3號(hào)線受沙子堡平移斷層組的影響，破碎較多，低速低阻異常顯著。4 號(hào)線、5 號(hào)線、6 號(hào)線南端分布有礦物質(zhì)豐富的塊狀矽卡巖，因而顯示低電阻率；而矽卡巖與周圍的大理巖和閃長(zhǎng)巖波阻抗差異較小，未引起視S波速度異常，在微動(dòng)剖面上不可見。

圖8 綜合物探剖面Figure 8.Profiles of multi-geophysical survey

沙子堡平移斷層組雖引起了CSAMT 低阻異常，但是很難依據(jù)異常圈定斷層組形態(tài)，而微動(dòng)探測(cè)分辨率更高，與已知斷層有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，更直觀識(shí)別出斷層F，并顯示斷層F的形態(tài)，以及與斷層F6 和F7的關(guān)系。由此可見，微動(dòng)探測(cè)與CSAMT 勘探成果相符，但微動(dòng)的分辨率更高，顯示出更多直觀的構(gòu)造細(xì)節(jié)。

6 結(jié)論與討論

（1）本文為調(diào)查T4 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移的原因，采用微動(dòng)探測(cè)技術(shù)在T4 監(jiān)測(cè)點(diǎn)附近開展微動(dòng)剖面工作，識(shí)別出研究區(qū)內(nèi)沙子堡平移斷層組，并根據(jù)微動(dòng)視S 波低速異常重新推斷區(qū)內(nèi)斷層組細(xì)節(jié)，推斷出斷層F 及其與斷層組的關(guān)系，確認(rèn)T4 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于斷層F2 和F 交匯處。T4監(jiān)測(cè)點(diǎn)周圍地質(zhì)體較穩(wěn)定，未發(fā)現(xiàn)明顯的地質(zhì)體位移。后經(jīng)委托方證實(shí)，T4監(jiān)測(cè)點(diǎn)“位移”為山區(qū)設(shè)備信號(hào)差所致，在此次調(diào)查工作2個(gè)月后T4“位移”回到正常范圍內(nèi)。

（2）微動(dòng)探測(cè)可有效識(shí)別斷裂破碎構(gòu)造，但難以識(shí)別波阻抗相似、不足以引起微動(dòng)視S 波速度異常的巖石。此次工作中實(shí)際測(cè)量的微動(dòng)視S 波速度與實(shí)驗(yàn)室估算值非常接近，也證實(shí)了微動(dòng)探測(cè)工作的有效性。

（3）通過與同時(shí)開展的CSAMT工作成果對(duì)比，可以看出微動(dòng)探測(cè)具有對(duì)異常敏感、高分辨率的特點(diǎn)；微動(dòng)探測(cè)具無損檢測(cè)、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，使其在人口密集、不可破壞的環(huán)境中優(yōu)勢(shì)明顯；在地表地貌復(fù)雜的環(huán)境條件下，如礦區(qū)等也能應(yīng)用，具有很好的推廣前景。

（4）地形起伏對(duì)微動(dòng)探測(cè)結(jié)果產(chǎn)生了一些影響，但通過數(shù)據(jù)處理和解釋，仍可以識(shí)別主要的斷裂破碎構(gòu)造。