微動(dòng)勘探方法在武漢軌道交通巖溶勘察中的應(yīng)用

劉 博 徐富文 王 鵬

（1、湖北省地質(zhì)局第一地質(zhì)大隊(duì)，湖北 大冶 435100 2、水利部長(zhǎng)江勘測(cè)技術(shù)研究所，湖北 武漢 430014）

微動(dòng)為地球表面隨時(shí)隨地都存在一種天然的微弱振動(dòng)，主要由人類的日?；顒?dòng)以及各種自然現(xiàn)象所產(chǎn)生。微動(dòng)是一種由體波和面波組成的復(fù)雜振動(dòng)，其中面波能量占微動(dòng)信號(hào)總能量的70%以上。微動(dòng)勘探就是以上述微弱振動(dòng)作為震源的一種地球物理勘探方法，該方法主要觀測(cè)天然源微動(dòng)信號(hào)并采用數(shù)據(jù)處理與分析技術(shù)提取面波頻散信息，通過(guò)反演技術(shù)獲得地質(zhì)體橫波速度結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)勘探目的。

微動(dòng)勘探方法應(yīng)用較早，20 世紀(jì)50 年代，Aki(1957)利用空間自相關(guān)法從微動(dòng)信號(hào)中提取面波頻散曲線估測(cè)地層結(jié)構(gòu)。1957 年和1969 年，Aki 和Capon 分別運(yùn)用空間自相關(guān)法(SPAC法)和頻率-波數(shù)法(F-K 法)從微動(dòng)信號(hào)中提取出面波并提取面波頻散曲線。1993 年Ling 和Okada 發(fā)展出了基于不規(guī)則臺(tái)陣的拓展空間自相關(guān)(ESPAC)[1]。

1986 年，王振東將微動(dòng)的空間自相關(guān)法引入中國(guó)。近年來(lái)徐佩芬、劉永勤等在煤礦陷落柱、土石混合滑坡體、暗浜、地鐵地下空洞、孤石等淺部不良地質(zhì)體探測(cè)方面取得了良好的效果，隨著國(guó)內(nèi)技術(shù)理論及應(yīng)用研究的不斷深入，微動(dòng)勘探方法在未來(lái)有著廣闊的應(yīng)用前景。

1 方法原理

面波是沿著介質(zhì)表面?zhèn)鞑サ囊环N地震波，它只存在于界面附近，面波分為瑞雷波（R 波）和勒夫波（L 波），通常情況下面波一般指瑞雷波，瑞雷波的能量非常強(qiáng)，且沿地表傳播方向衰減很慢，在不均勻介質(zhì)中傳播時(shí)發(fā)生頻散現(xiàn)象，不同的頻率分量以不同的速度傳播，即不同頻率的面波相速度不同，具有明顯的頻散特性。

空間自相關(guān)法（SPAC 法）是一種通過(guò)布設(shè)觀測(cè)臺(tái)陣獲取微動(dòng)信號(hào)、從微動(dòng)信號(hào)的垂直分量中提取瑞雷波相速度頻散曲線的數(shù)據(jù)處理方法[2]，瑞雷波頻散曲線的反演可估算介質(zhì)S 波速度結(jié)構(gòu)，在勘察過(guò)程中，可結(jié)合地質(zhì)體S 波速度特征對(duì)地質(zhì)體進(jìn)行分層。

2 工作方法

微動(dòng)勘探工作流程主要分4 步：（1）數(shù)據(jù)采集；（2）頻散曲線提?。唬?）頻散曲線反演；（4）成果解譯。

2.1 數(shù)據(jù)采集

空間自相關(guān)法需要布設(shè)圓形觀測(cè)臺(tái)陣，基本觀測(cè)臺(tái)陣由4臺(tái)儀器組成，布設(shè)在半徑為r 的圓周上，圓周上等間距布設(shè)3臺(tái)，圓心布設(shè)1 臺(tái)，也可使用7 臺(tái)儀器組成二重觀測(cè)臺(tái)陣（圖1），同理可使用10 臺(tái)儀器組成三重觀測(cè)臺(tái)陣等。臺(tái)陣觀測(cè)半徑r 決定了探測(cè)深度，探測(cè)深度一般為觀測(cè)半徑的3-5 倍。

圖1 空間自相關(guān)法圓形觀測(cè)臺(tái)陣布設(shè)示意圖

2.2 頻散曲線提取

空間自相關(guān)法對(duì)采集的微動(dòng)信號(hào)進(jìn)行以下處理：（1）將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)按時(shí)間序列分成若干段，剔除干擾明顯數(shù)據(jù)；（2）將各數(shù)據(jù)段通過(guò)中心頻率不同的窄帶濾波器，分別提取各個(gè)頻率成分；（3）計(jì)算中心測(cè)點(diǎn)與圓周上各測(cè)點(diǎn)間的空間自相關(guān)系數(shù)；（4）擬合第1類0 階貝塞爾函數(shù)，求出相速度并獲得相速度頻散曲線[3]。

2.3 頻散曲線反演

目前頻散曲線的反演與主動(dòng)源面波視S 波速度反演一樣，主要分為近似反演和定量反演，在對(duì)地質(zhì)體波速及分層情況未知的情況下，近似反演運(yùn)用的比較廣泛，該方法建立在理想的均勻介質(zhì)中勘探深度為波長(zhǎng)的一半、瑞雷波的速度代表著半波長(zhǎng)深度以上介質(zhì)的平均速度的概念之上，通過(guò)不同深度介質(zhì)平均速度的計(jì)算，來(lái)劃分不同層的平均速度及深度，由（1）式計(jì)算層速度。

式中：Vrn和Vrn-1分別為地面至第n 層和第n-1 層深度內(nèi)的平均速度，Vxn為第i 層的波速。

定量反演較為常用的為最小二乘法，該方法將層狀介質(zhì)中的非線性頻散方程進(jìn)行線性化，利用頻散曲線的拐點(diǎn)分層初步確定初始模型同時(shí)反演出橫波速度和地層厚度。

2.4 成果解譯

成果解釋主要在二維視橫波速度剖面上進(jìn)行，如有收集鉆孔資料，可首先將鉆孔柱狀圖疊加到Vx 剖面相應(yīng)位置，以標(biāo)定巖性層及其深度，并據(jù)此總結(jié)工區(qū)內(nèi)各巖性層對(duì)應(yīng)的視橫波速度范圍，以此作為二維微動(dòng)剖面追蹤、解釋巖性層的依據(jù)。對(duì)于無(wú)鉆孔資料的工區(qū)，可根據(jù)工區(qū)填土、粘土、基巖等剪切波速度經(jīng)驗(yàn)值來(lái)分層，通常在基巖面中較陡立的低速區(qū)域通常為破碎帶或斷層的反應(yīng)，水平的帶狀低速異常通常為軟弱夾層、斷層泥或局部風(fēng)化破碎發(fā)育區(qū)反應(yīng)。

3 應(yīng)用案例

3.1 項(xiàng)目概況

武漢軌道交通5 號(hào)線得勝橋路司門(mén)口站－曇華林站區(qū)間鉆孔顯示巖溶十分發(fā)育，其中2-K29 鉆孔有溶洞發(fā)育，本次微動(dòng)勘探工作在已知鉆孔2-K29 上開(kāi)展實(shí)驗(yàn)工作，同時(shí)評(píng)價(jià)2-K29鉆孔至2-K31 鉆孔周邊范圍基巖面的大致埋深及起伏情況，為該區(qū)段后期施工設(shè)計(jì)提供參考。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工條件，布設(shè)了2條不規(guī)則微動(dòng)剖面，均由6 個(gè)點(diǎn)組成，分別編號(hào)為L(zhǎng)1、L2，剖面長(zhǎng)分別為116 米、112 米（圖2）。

圖2 實(shí)際材料圖

3.2 工作方法技術(shù)

數(shù)據(jù)采集采用WD-1 型智能微動(dòng)勘探儀，該儀器智能化程度較高，在野外數(shù)據(jù)采集的過(guò)程中實(shí)時(shí)顯示面波頻散曲線，檢波器布置采用規(guī)則嵌套三角形臺(tái)陣（三重觀測(cè)臺(tái)陣）,最小三角形邊長(zhǎng)1m，最大三角形邊長(zhǎng)為4m（觀測(cè)半徑r=2.31m）（圖3），使用的檢波器為2HZ 主頻，接收道數(shù)為10 道，采樣間隔為5ms，采樣時(shí)要求采樣時(shí)間大于20 分鐘，當(dāng)頻散曲線形態(tài)趨于穩(wěn)定時(shí)，即可終止采集。

圖3 嵌套三角形臺(tái)陣布置圖

3.3 成果解譯

3.3.1 單點(diǎn)反演成果分析

對(duì)野外數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，對(duì)測(cè)點(diǎn)頻散曲線的拐點(diǎn)進(jìn)行人為分層，以此作為初始模型，運(yùn)用最小二乘法進(jìn)行反演分層，與已知鉆孔對(duì)比，可以看出，2-K29 鉆孔揭露的溶洞在頻散曲線反演結(jié)果上有明顯的低速顯示（圖4），2-K31 鉆孔素填土與黏土、黏土與黏土夾碎石、黏土夾碎石與灰?guī)r界面劃分的十分準(zhǔn)確，特別是軟弱夾層中速度明顯降低（圖5）。

圖4 1-4 號(hào)測(cè)點(diǎn)單點(diǎn)頻散波速反演分層與2-K29 鉆孔成果對(duì)比圖

圖5 2-6 號(hào)測(cè)點(diǎn)單點(diǎn)頻散波速反演分層與2-K31 鉆孔成果對(duì)比圖

3.3.2 剖面成果解譯

L1 剖面近似垂直于得勝橋路，穿過(guò)2-K29 鉆孔，測(cè)點(diǎn)多分布在密集的小區(qū)里。剖面波速整體由淺到深逐漸增大，波速等值線分布凌亂，淺部深約5-10m 以淺波速多＜200m/s，推斷為雜填土、素填土混淤泥質(zhì)黏土，由西向東越來(lái)越厚；剖面西側(cè)深度約7-21m、剖面東側(cè)深度約10-24m 波速多在200-500m/s 之間，該層上部波速約200-400m/s 之間的推斷為粉質(zhì)黏土，下部波速400-500m/s 之間的推斷為黏土；底部波速＞500m/s 的部分推斷為基巖（灰?guī)r），基巖面埋深約在21m-23m 之間（圖6）。

圖6 L1 線微動(dòng)勘探Vx 剖面成果圖

L2 剖面位于得勝橋路北側(cè)，與道路斜交，穿過(guò)2-K31 鉆孔，測(cè)點(diǎn)多分布在密集的小區(qū)里，2-6 號(hào)點(diǎn)在面波速度等值線圖中2-K31 鉆孔進(jìn)行對(duì)比，地質(zhì)分層與速度分層十分吻合，該點(diǎn)埋深15-20m 段黏土層中出現(xiàn)一波速值在500m/s 左右的高速帶，一直向南延伸至2-2 號(hào)點(diǎn)，推斷為黏土層。剖面埋深20m 上下出現(xiàn)一條速度值約在200-350m/s 之間的相對(duì)低速帶，推斷為黏土夾碎石，基巖面埋深約22-23m（圖7）。

圖7 L2 線微動(dòng)勘探Vx 剖面成果圖

4 結(jié)論

4.1 適用于場(chǎng)地復(fù)雜，建筑物密集、鉆探施工無(wú)法開(kāi)展的狹小空間開(kāi)展工作。

4.2 不受電磁干擾，對(duì)環(huán)境無(wú)破壞，野外施工高效便捷。

4.3 探測(cè)深度可隨臺(tái)陣的半徑不同而不同，淺部2.31m 小半徑臺(tái)陣探測(cè)深度可達(dá)25 米，有效探測(cè)深度可達(dá)臺(tái)陣半徑的10倍，淺部探測(cè)分辨率高，對(duì)基巖界面能夠十分準(zhǔn)確的劃分；

4.4 對(duì)地層的橫向速度變化敏感，對(duì)水平的帶狀分布的軟弱夾層有明顯的顯示，對(duì)巖溶發(fā)育區(qū)亦有很好的探測(cè)效果。