微動(dòng)技術(shù)在中深部地質(zhì)勘探中的應(yīng)用研究

賈慧濤，王子豪，蔡向陽，徐子橋

（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

隨著人類社會(huì)的發(fā)展，生存空間和資源日益緊缺，所以只能“上下求索”。星際探索早已提上日程，雖然取得了一定的成果，但是種種舉措仍處于理論階段，可以作為長期的目標(biāo)，卻不能解燃眉之急；地下?lián)碛袕V闊的空間和豐富的資源，這是目前研究的熱點(diǎn)。城市地下空間的開發(fā)利用有效地解決了交通、生活等諸多難題，但是淺部資源基本開發(fā)殆盡，中深部資源勘探成了全球資源勘探的重點(diǎn)、難點(diǎn)。

地質(zhì)雷達(dá)、淺震、高密度、瞬變等常規(guī)物探技術(shù)在淺部勘探中應(yīng)用良好，卻難以滿足中深部勘探的需求。而可控源音頻大地電磁法、地震、磁法、重力等為深部勘探中常用的手段，也存在一些缺陷，例如電磁法存在電磁干擾、重力在深部不能滿足高精度探測(cè)需求、地震需要強(qiáng)大震源危險(xiǎn)且成本高昂等等，所以新的物探手段——微動(dòng)勘探技術(shù)，成了目前地勘行業(yè)研究、應(yīng)用的熱點(diǎn)。微動(dòng)勘探技術(shù)采集天然源信號(hào)，不受電磁干擾、綠色環(huán)保，分辨率高、探測(cè)范圍大、經(jīng)濟(jì)高效，在城鎮(zhèn)等人口密集區(qū)有著傳統(tǒng)物探手段不可比擬的優(yōu)勢(shì)。它不僅在淺部勘探中優(yōu)勢(shì)明顯，在進(jìn)行中深部勘探時(shí)，其勘探精度、異常識(shí)別能力也比傳統(tǒng)物探方法更好。

安徽省地球物理地球化學(xué)勘查技術(shù)院基于2016年安徽省國土資源科技項(xiàng)目組建了微動(dòng)研究團(tuán)隊(duì)，在Capon（1969）[3]和Tokimatsu（1992）[4]等人對(duì)微動(dòng)技術(shù)中高分辨率頻率-波數(shù)譜法研究的基礎(chǔ)上，對(duì)微動(dòng)信號(hào)濾波及波數(shù)域極值點(diǎn)拾取算法進(jìn)行了改進(jìn)創(chuàng)新，改善了傳統(tǒng)頻率-波數(shù)法因能量分散難以提取頻散曲線的問題，能夠更準(zhǔn)確地提取微動(dòng)面波頻散曲線，進(jìn)而測(cè)算出更精確的速度結(jié)構(gòu)[5]。本文通過對(duì)地?zé)豳Y源、礦產(chǎn)資源勘探的幾個(gè)應(yīng)用案例，對(duì)微動(dòng)勘探技術(shù)在中深部地質(zhì)勘探中的應(yīng)用效果進(jìn)行探討。

1 微動(dòng)勘探理論

微動(dòng)是地球表面無論何時(shí)何地都存在的微弱震動(dòng)。其信號(hào)源主要分為兩類：一是由自然運(yùn)動(dòng)引起的頻率低于1Hz的長波微動(dòng)，常用于深部目標(biāo)探測(cè)；二是由人類活動(dòng)產(chǎn)生的頻率高于1Hz的常時(shí)微動(dòng)，常用于淺部精細(xì)結(jié)構(gòu)調(diào)查[6～7]。微動(dòng)勘探技術(shù)是指利用面波的頻散特性，從微動(dòng)信號(hào)中求取面波頻散，然后對(duì)頻散曲線進(jìn)行反演得到地下不同深度對(duì)應(yīng)的視剪切波速度，從而區(qū)分地層及構(gòu)造的地球物理探測(cè)方法[8]。

微動(dòng)數(shù)據(jù)采集一般采用多道拾震器組成的分布式臺(tái)陣方式進(jìn)行，各道拾震器通過衛(wèi)星同步授時(shí)，截取相同時(shí)間段的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理[9,10]。計(jì)算面波頻散常用的方法有SPAC 法和F-K 法，本文采用在F-K 法基礎(chǔ)上改進(jìn)的高分辨率頻率-波數(shù)法。

目前常用的微動(dòng)數(shù)據(jù)處理方法是針對(duì)微動(dòng)信號(hào)中的垂直分量進(jìn)行計(jì)算。面波能量是微動(dòng)信號(hào)能量主要組成部分[11]。面波中只有瑞雷面波具有垂直分量，所以對(duì)微動(dòng)信號(hào)垂直分量進(jìn)行處理時(shí)，瑞雷面波是微動(dòng)信號(hào)能量極大值，其在頻率-波數(shù)譜中對(duì)應(yīng)譜的極大值點(diǎn)。令瑞雷面波頻率為fi，頻率-波數(shù)譜極大值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的波數(shù)為ki=(kxi,kyi)，則fi所對(duì)應(yīng)的面波相速度為：

假定測(cè)量臺(tái)陣的拾震器有M道，將每道數(shù)據(jù)分為N段，每段長度為L，將第i和j道拾震器中第n塊數(shù)據(jù)的頻域信號(hào)記為Fin(f)和Fjn(f)，可得到N個(gè)頻域信號(hào)，計(jì)算得第i、j道拾震器對(duì)應(yīng)的互功率譜Sij(f)和自功率譜Sii(f)、Sjj(f)。K.Tokimatsu、K.Shinzawa和S.Kuwayama(1992)提出了高分辨率頻率-波數(shù)譜法[3]，在處理過程中，用對(duì)互功率譜Sij(f)進(jìn)行規(guī)格化，計(jì)算得到高分辨率頻率-波數(shù)譜：

其中，(kx,ky)為波數(shù)k在x、y方向的分量，(xi,yi)、(xj,yj)分別為第i、j個(gè)拾震器的坐標(biāo)。

其中，Qij(f,k)為矩陣exp[i(kx(xi-xj)+ky(yi-yj))]?Sij(f)的逆矩陣。

依次搜索得到每一個(gè)頻點(diǎn)f在二維kx-ky平面波數(shù)譜上的極大值點(diǎn)位置，計(jì)算得對(duì)應(yīng)的波數(shù)k，從而得到對(duì)應(yīng)頻率的相速度VR(f)，進(jìn)而得到頻散曲線。

利用計(jì)算出的瑞雷波頻散曲線，通過經(jīng)驗(yàn)公式[12]：

（其中ti為周期）計(jì)算得到視剪切波速度Vx，然后利用半波長原理，得到對(duì)應(yīng)深度：H=α?λ/2=α?Vx?ti/2，其中α為校正系數(shù)，從相速度頻散曲線得到視剪切波速度結(jié)構(gòu)(Vx-H曲線)，最終獲得視剪切波速度-深度剖面圖，從而直觀推斷測(cè)點(diǎn)地下各層的橫波速度結(jié)構(gòu)以及層厚度等地層信息。

2 應(yīng)用實(shí)例分析

2.1 皖北金屬礦勘探

評(píng)價(jià)區(qū)僅在蒙城小澗鎮(zhèn)附近零星出露新元古代地層，懷遠(yuǎn)縣城南之涂山兩側(cè)小面積出露新太古界-下元古界五河巖群變質(zhì)巖系，宏觀構(gòu)造為背斜，見圖1。該變質(zhì)巖結(jié)晶基底隆起帶呈東西向，由一套太古宇中深變質(zhì)巖系構(gòu)成，主要受混合巖化作用影響。懷遠(yuǎn)縣常墳至鳳陽縣劉府一帶出露有上元古界至下古生界地層，其余絕大部分被第四系覆蓋，厚度由數(shù)十米至上千米不等。近東西向和北東向的主斷裂構(gòu)造發(fā)育，次生構(gòu)造為北西向、近南北向。出露的地層由老到新有：上太古界-下元古界五河巖群，青白口系八公山群，南華-震旦系宿縣群，寒武系，奧陶系，侏羅系，白堊系，第四系。其中上太古界-下元古界五河巖群（Ar3Pt1W）作為結(jié)晶基底的主體在區(qū)域內(nèi)廣泛分布。侵入巖從基性到酸性巖均有發(fā)育，同時(shí)也是鐵、金多金屬礦的主要賦礦層位。

圖1 測(cè)區(qū)區(qū)塊基巖地質(zhì)簡圖Figure 1.Regional bedrock geology of the surveyed area

如圖2所示，根據(jù)區(qū)內(nèi)磁法測(cè)量結(jié)果，切割高磁異常布設(shè)3 條微動(dòng)剖面。采用重慶CDJ-2 型拾震器，主頻2Hz，采用十字形臺(tái)陣布設(shè)方式。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定各采樣參數(shù)：臺(tái)陣半徑定為0m-80m-160m，采樣頻率250Hz，采樣時(shí)間40min。

圖2 測(cè)區(qū)磁異常圖及微動(dòng)剖面布置示意圖Figure 2.Magnetic anomaly map and layout of microtremor exploration profiles in the surveyed area

如圖3所示，視剪切波速度大體上呈層狀分布，淺部為低速，深部為高速，速度隨深度的增加而變大。結(jié)合已知地質(zhì)資料劃分出三個(gè)速度層：

圖3 微動(dòng)視S速度-深度剖面Figure 3.Microtremor apparent transverse wave velocitydepth profile

①第一層0～80m 左右，速度范圍約200～500m/s。結(jié)合地質(zhì)資料，推斷為第四系黏土層。

②第二層80～200m 左右，速度范圍約500～800m/s。根據(jù)已知地質(zhì)資料，推斷為第四系砂礫層（含水）。

③第三層200～1000m，速度范圍約800～2100m/s。根據(jù)已知地質(zhì)資料，推斷為上太古界-下元古界五河巖群基巖層。該層中又以720m 為界面，其下反映的變質(zhì)巖層完整性相對(duì)較好。在1400～2200m 以及200～2000m 之間的串珠狀異常推斷為深部斷裂構(gòu)造的反映。

已經(jīng)鉆探驗(yàn)證，終孔深度640m。鉆孔資料顯示，第四系深度約180m，下為中基性巖體，風(fēng)化嚴(yán)重，有較強(qiáng)的蝕變性，厚約50m。鉆孔穿透巖體后發(fā)現(xiàn)，下部均為變質(zhì)巖層，以片麻巖、斜長角閃巖類等巖性為主，在孔深340m、600m 左右處，巖層破碎嚴(yán)重，在微動(dòng)剖面上表現(xiàn)為低速異常，可見物探推斷結(jié)果與鉆探驗(yàn)證結(jié)果吻合較好。能夠識(shí)別控礦構(gòu)造，對(duì)下一步礦產(chǎn)開發(fā)意義重大。

2.2 南京湯泉地?zé)峥碧?/h3>

勘查區(qū)位于南京市浦口區(qū)，通過綜合物探手段確定查區(qū)隱伏斷裂的空間展布；結(jié)合已知溫泉出露區(qū)查明區(qū)內(nèi)的地層結(jié)構(gòu)和地?zé)崃黧w的可能富集（區(qū)）帶。為湯泉地區(qū)地下熱水資源調(diào)查評(píng)價(jià)提供可靠的地球物理依據(jù)。

勘查區(qū)地表第四系廣為掩蓋，TC4 井揭露第四系覆蓋層下分布有白堊系紅層，震旦系和寒武系主要見于南部山區(qū)。查區(qū)主體充填白堊系陸向紅層，構(gòu)造形態(tài)為北西傾向斜坡，上覆地層為第四系。南部山區(qū)為“繼承式”單斜構(gòu)造，主要由震旦系和寒武系構(gòu)成，傾向北西，構(gòu)造線方向北東，并伏于本區(qū)紅層之下。單斜構(gòu)造受斷裂切割影響，自南向北呈階梯式下降。在山前塘馬－楊莊－湯泉一線推斷有隱伏斷裂存在，并在東西兩端被北北西向平移斷層錯(cuò)斷。該斷裂傾向北西，傾角較陡，為逆斷層，控制著地?zé)崴烊宦额^分布。從圖4 中可見，區(qū)內(nèi)存在一系列小的熱泉，均在500m3/d 以下，呈北東向分布，所以推斷區(qū)內(nèi)北東向構(gòu)造為導(dǎo)熱構(gòu)造，降水和地下水通過北西向的導(dǎo)水構(gòu)造向下流動(dòng)，經(jīng)過北東向的導(dǎo)熱構(gòu)造加熱之后，向上抬升，流出地表形成熱泉。

圖4 湯泉微動(dòng)剖面布置示意圖Figure 4.Layout of microtremor exploration in the Tangquan working area

采用EPS 便攜式數(shù)字地震儀，寬頻帶0.1～100Hz，采用十字形臺(tái)陣布設(shè)方式。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定各采樣參數(shù)：臺(tái)陣半徑定為0m-80m-160m，采樣頻率250Hz，采樣時(shí)間40min。

如圖5 所示，在12200 號(hào)點(diǎn)處，存在等值線明顯內(nèi)凹，且在深度300m 左右位置存在一塊低速區(qū)域。從圖4 中可知，此處有北西向構(gòu)造F6，還存在北東向構(gòu)造F3，是兩條構(gòu)造的交匯位置，故附近地層均較為破碎，呈現(xiàn)大范圍低速異常，建議在該位置布設(shè)鉆孔（R2）。目前該鉆孔正在施工，設(shè)計(jì)孔深800m，已在310m 位置見熱水。抽水試驗(yàn)結(jié)果顯示，出水量大于1000m3/d。

圖5 湯泉微動(dòng)速度-深度剖面Figure 5.Microtremor velocity-depth profile in the Tangquan working area

3 結(jié)論

（1）微動(dòng)勘探技術(shù)可實(shí)現(xiàn)無損勘探，對(duì)環(huán)境友好；抗干擾能力強(qiáng)，適用于人口密集區(qū)；探測(cè)深度范圍大，對(duì)淺部和深部信息均可識(shí)別。

（2）既能識(shí)別儲(chǔ)熱層、斷裂構(gòu)造等低速目標(biāo)，也能識(shí)別例如變質(zhì)巖、致密金屬礦體等高速巖體。

（3）在中深部勘探時(shí)，與傳統(tǒng)物探方法相比，對(duì)異常敏感、分辨率高，異常形態(tài)刻畫清晰，方法優(yōu)勢(shì)明顯，具有廣闊的生產(chǎn)應(yīng)用前景。