微動(dòng)勘探技術(shù)在城市地質(zhì)工作中的應(yīng)用

卜志偉

遼寧省第四地質(zhì)大隊(duì)有限責(zé)任公司 遼寧阜新 123000

城市地質(zhì)是應(yīng)對(duì)世界城市化加速發(fā)展的一門新興學(xué)科，主要是研究人類賴以生存的自然環(huán)境，包括地質(zhì)結(jié)構(gòu)、物質(zhì)組成、地質(zhì)過程及其與人類生產(chǎn)實(shí)踐活動(dòng)的相互影響。合理地開展城市地質(zhì)調(diào)查工作，能夠有效地查明城市地質(zhì)條件、地質(zhì)問題與地質(zhì)資源，引導(dǎo)城市地質(zhì)資源合理利用，規(guī)避城市地質(zhì)安全風(fēng)險(xiǎn)，全面支撐城市規(guī)劃、建設(shè)和管理，開發(fā)城市地下空間，促進(jìn)人地和諧[1]。

1 微動(dòng)探測(cè)方法

1.1 微動(dòng)探測(cè)原理

微動(dòng)是地球表層由自然現(xiàn)象和人類活動(dòng)引起的各種微弱震動(dòng)的總稱，它具有以下特點(diǎn)：①地球表面無論何時(shí)何地都存在；②空間分布、觸發(fā)時(shí)間、強(qiáng)度、方向是隨機(jī)的；③面波能量占微動(dòng)總能量70%以上；④在一定的時(shí)空范圍具有統(tǒng)計(jì)穩(wěn)定性，可以用時(shí)間和空間上的平穩(wěn)隨機(jī)過程描述。微動(dòng)探測(cè)方法是以平穩(wěn)隨機(jī)過程為依據(jù)，利用不同的觀測(cè)方式獲取微動(dòng)信號(hào)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理和分析得到瑞雷面波的頻散曲線，根據(jù)瑞雷面波在非均勻介質(zhì)中的頻散特性對(duì)頻散曲線進(jìn)行反演，進(jìn)而獲取地下介質(zhì)的橫波速度的一種方法。

1.2 微動(dòng)探測(cè)的數(shù)據(jù)采集

為了準(zhǔn)確提取面波頻散信息，微動(dòng)探測(cè)方法主要通過二維臺(tái)陣采集信號(hào)，臺(tái)陣的布置方式主要有圓形臺(tái)陣、內(nèi)嵌三角形臺(tái)陣、L形臺(tái)陣等，目前使用最為廣泛的是圓形臺(tái)陣。圓形臺(tái)陣中觀測(cè)臺(tái)站的數(shù)量為4-13個(gè)，一個(gè)布置于圓心位置，其他則均勻布置在圓周上。也可以將多個(gè)圓形臺(tái)陣進(jìn)行組合，形成多重圓形觀測(cè)臺(tái)陣。臺(tái)陣中測(cè)量臺(tái)站越多，頻散曲線的連續(xù)性越好，能量峰值越集中，誤差也就越??；圓形臺(tái)陣的探測(cè)深度與圓形的半徑成正比，一般為3-5倍半徑。由于微動(dòng)信號(hào)在時(shí)間及空間上具有隨機(jī)性，為了保證提取的頻散曲線的質(zhì)量，數(shù)據(jù)采集必須足夠長，一般為10-15min。

1.3 微動(dòng)探測(cè)數(shù)據(jù)處理

微動(dòng)探測(cè)方法面波頻散信息提取主要采用空間自相關(guān)法，根據(jù)空間自相關(guān)函數(shù)和零階第一貝塞爾函數(shù)的關(guān)系計(jì)算出面波的相速度，進(jìn)而得到面波的頻散曲線。頻散曲線的反演是基于其正演方法，即建立面波的方程及方程的求解，并與實(shí)測(cè)資料進(jìn)行迭代擬合，獲得橫波信息，目前主要利用局部線性化方法中的最小二乘法。

2 微動(dòng)勘探的特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)

微動(dòng)勘探無需人工場(chǎng)源，屬于被動(dòng)源勘探，即不同于常規(guī)地震勘探需要人工震源，它是利用地球無時(shí)無刻都存在的微動(dòng)提取面波信號(hào)的一種勘探手段。微動(dòng)信號(hào)微弱，其振幅在10-4-10-2mm量級(jí)之間，人類難以感知，只有靈敏的地震計(jì)才可以記錄到。微動(dòng)信號(hào)來源廣泛，但主要分為兩類：一類是頻率低于1Hz的微動(dòng)，源于各種自然現(xiàn)象，例如大氣洋流、海陸作用及火山地震等，這類微動(dòng)信號(hào)通常也被稱作長波微動(dòng)；另一類是頻率高于1Hz的微動(dòng)，源于人類活動(dòng)，例如工廠、汽車及日常活動(dòng)等，這類微動(dòng)通常也被稱作常時(shí)微動(dòng)。這些微動(dòng)信號(hào)通過地下介質(zhì)不斷散射再到達(dá)接收點(diǎn)被記錄，攜帶了大量地下結(jié)構(gòu)信息和震源信息，因此可以利用微動(dòng)信號(hào)提取面波信息，成像地下結(jié)構(gòu)。在勘探時(shí)，微動(dòng)勘探主要通過將儀器形成特定的臺(tái)陣來進(jìn)行微動(dòng)信號(hào)收集。臺(tái)陣主要選用三重圓臺(tái)陣、“+”或直線形。微動(dòng)勘探儀器相比較于常規(guī)地震勘探儀器，小巧輕便的多，單人即可攜帶使用，如GN209遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)微動(dòng)系統(tǒng)，輕便小巧，擺放方便，數(shù)據(jù)采集時(shí)間短，只需數(shù)人即可完成數(shù)據(jù)采集工作。數(shù)據(jù)采集后，便可從微動(dòng)信號(hào)中提取面波頻散曲線，通過對(duì)頻散曲線反演獲得地下介質(zhì)的S波速度結(jié)構(gòu)，以探查地質(zhì)構(gòu)造。MicroSWP微動(dòng)處理軟件，處理高效快捷，能夠在數(shù)據(jù)采集完成的數(shù)小時(shí)內(nèi)完成處理成圖工作。相較于其他常規(guī)地球物理勘探手段，微動(dòng)勘探測(cè)線布置方便靈活、不受城市干擾影響，儀器輕便、數(shù)據(jù)采集效率高、省時(shí)省力，數(shù)據(jù)處理快捷高效，整個(gè)勘探過程對(duì)環(huán)境友好，無破壞性和侵入性。微動(dòng)勘探的這些優(yōu)點(diǎn)，決定了它能夠很好地適應(yīng)并完成城市地質(zhì)調(diào)查中的多種勘探工作，如勘查城市排水管道、檢測(cè)工程裂隙、陷落柱、采空區(qū)、巖溶溶洞、尋找斷層破碎帶、地?zé)岬叵滤辈榈萚2]。

3 微型勘探技術(shù)在勘察中的應(yīng)用

3.1 采空區(qū)的探測(cè)

采空區(qū)通常指由人工挖掘或者天然地質(zhì)運(yùn)動(dòng)在地表下面產(chǎn)生的空洞，具有隱伏性強(qiáng)、空間分布規(guī)律性差，采空區(qū)頂板冒落塌陷情況難預(yù)測(cè)等特點(diǎn)，隨著城市地質(zhì)調(diào)查工作的展開，對(duì)地下空區(qū)的探測(cè)尤為重要，例如城市軌道交通工程，大部分為地下工程，由于荷載大，運(yùn)營震動(dòng)等原因，采空區(qū)對(duì)軌道交通施工、運(yùn)營帶來重大安全隱患。采用單點(diǎn)與剖面探測(cè)相結(jié)合的微動(dòng)探測(cè)方法，在進(jìn)行采空區(qū)探測(cè)中效果較好，將單點(diǎn)反演s波速度曲線疊加于視s波速度剖面上，可以直觀標(biāo)定層位，分析巖性的縱、橫向變化，通常低速度異常為空區(qū)，松動(dòng)巖層、裂隙的反映，再結(jié)合其他地質(zhì)資料及物探方法，可以有效識(shí)別采空區(qū)分布的范圍輪廓。

3.2 風(fēng)化殘留體探測(cè)

巖漿地區(qū)球狀風(fēng)化一種常見的地質(zhì)現(xiàn)象，巖漿巖風(fēng)化殘留體在勘探過程中不易被發(fā)現(xiàn)，在工程施工中很容易由此導(dǎo)致工程設(shè)計(jì)出現(xiàn)誤差、施工困難、結(jié)構(gòu)失穩(wěn)、甚至還會(huì)誤導(dǎo)勘察結(jié)果，從而對(duì)工程及建筑物造成斷樁、鉆孔條件難判定以及建筑物發(fā)生裂縫等問題。利用微動(dòng)勘探技術(shù)對(duì)巖土分層進(jìn)行勘察時(shí)，可以對(duì)風(fēng)化殘留物進(jìn)行探測(cè)。在微動(dòng)屬性參數(shù)中，風(fēng)化殘留物對(duì)相速度、自相關(guān)系數(shù)以及H/V值都是有直接關(guān)系的，通常在頻率相速度等值圖中風(fēng)化殘留物為高速異常；在H/V比值線圖中，該殘留物表現(xiàn)為多峰異常且凸起；在頻率自相關(guān)系數(shù)等值圖中，該殘留物表現(xiàn)為高值異常[3]。

4 結(jié)語

微動(dòng)勘探在城市地質(zhì)調(diào)查中是具有明顯優(yōu)勢(shì)的一種勘探方法。通過實(shí)際案例，證實(shí)了微動(dòng)勘探在城市地質(zhì)調(diào)查的各個(gè)方面均有著很好地發(fā)揮，應(yīng)用效果顯著。