微動探測技術(shù)在城市隱伏斷層探測中的應(yīng)用研究

季 進

(上海市巖土地質(zhì)研究院有限公司，上海 200072)

1 引言

微動是地球表面無時無刻都存在著微弱無固定震源的震動，震源主要來源于人類活動和自然現(xiàn)象等，前者震動信號稱為常時微動，屬于高頻信號源，頻率大于1Hz；后者信號稱為長波微動，屬于低頻信號源，頻率小于1Hz，包括地殼活動、海浪涌動、河水流動、風(fēng)、雨等[1，2]。微動信號是復(fù)雜的震動信號，由體波(P波和S波)和面波(Rayleigh和Love波)組成，面波能量約占總能量的70%以上[3]。通常是利用Rayleigh波與S波速度相近的特點(二者比值為0.87～0.95)、其振幅隨著深度的增加呈指數(shù)衰減(能量主要集中范圍為半個波長內(nèi))、在不均勻介質(zhì)傳播時會發(fā)生頻散現(xiàn)象[4]等傳播特性來研究地下速度結(jié)構(gòu)，可以求取S波速度、反演不同深度的地質(zhì)情況和提取出Rayleigh波信號等。其振幅和形態(tài)隨著空間和時間的變化而變化，但是在一定的時空范圍內(nèi)具有統(tǒng)計穩(wěn)定性，可以通過平穩(wěn)隨機過程來描述[5]。

通過從復(fù)雜的微動信號(圖1為上海城區(qū)觀測的某微動記錄的能量譜，頻譜特性反映了微動在時間和空間上的變化特征，其頻率區(qū)間為0.1～100 Hz，低頻和高頻的震動信號豐富)中提取面波(Rayleigh波)頻散曲線，通過對頻散曲線的反演獲得地下S波速度結(jié)構(gòu)，再通過波速和波速差異解譯地質(zhì)構(gòu)造等的地球物理勘探方法。近些年，我國學(xué)者在應(yīng)用微動勘探方法開展了大量的研究工作，在地?zé)豳Y源勘探、城市地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)調(diào)查、隱伏斷層探測等多個方面取得顯著成果[6～8]。本文通過微動勘探方法在上海城市隱伏斷裂探測和地下速度結(jié)構(gòu)模型建立等方面的應(yīng)用實例分析研究，為城市區(qū)域開展類似地球物理探測工作提供借鑒。

圖1 上海市區(qū)微動信號能量譜

2 微動勘探基本原理

2.1 數(shù)據(jù)采集

微動臺陣布設(shè)較靈活，可以結(jié)合場地實際條件布設(shè)多重圓形、L型、圓形和直線型等組合臺陣的形式，根據(jù)不同勘探點的組合可以實現(xiàn)單點、二維和三維微動勘探[9]。上海市地勢平坦，第四系松散層覆蓋較厚(平均厚度達240 m)，且靠江靠海(高低頻振動源信號豐富)，進行隱伏斷裂探測時一般優(yōu)先采用多重圓形臺陣觀測系統(tǒng)(圖2)，勘探深度約為圓形臺陣半徑R的3～5倍[10，11]。

圖2 微動勘探四重圓形臺陣觀測系統(tǒng)

2.2 數(shù)據(jù)處理

微動勘探室內(nèi)數(shù)據(jù)處理應(yīng)用最為廣泛為空間自相關(guān)方法提取瑞雷波頻散曲線[11，12]，城區(qū)難于布設(shè)完整規(guī)則的多重圓形臺陣觀測系統(tǒng)時，可采用非規(guī)則臺陣、通過擴展空間自相關(guān)方法(ESPAC法)進行數(shù)據(jù)處理[13]。首先，確定臺陣中心點和各觀測點之間的空間之相關(guān)函數(shù)，通過方位平均求得空間自相關(guān)系數(shù)[14]；其次，根據(jù)空間自相關(guān)系數(shù)與零階貝塞爾函數(shù)的宗量關(guān)系確定宗量；再由此宗量與瑞雷波相速度關(guān)系求出瑞雷波的相速度，提取瑞雷波的頻散曲線；最后，利用頻散曲線與橫波速度的關(guān)系反演地下橫波速度的最優(yōu)解，獲得地下橫波速度結(jié)構(gòu)?？刹捎梅且?guī)則臺陣、通過擴展空間自相關(guān)方法(ESPAC法)進行數(shù)據(jù)處理、擬合Bessel函數(shù)來計算Rayleigh波相速度[13]。反演計算之前首先給定初始模型參數(shù)(層數(shù)、各層波速度、層厚)，如今應(yīng)用分歧型遺傳算法應(yīng)用廣泛，它從數(shù)千中模型中搜索出最小殘差模型，并對模型進行交叉組合和變異操作，不斷調(diào)整模型參數(shù)獲得直到理論與實測頻散曲線擬合最佳[15]。通過速度值的插值和光滑計算，可以實現(xiàn)二維和三維視S波速度剖面成像，進而解釋地質(zhì)構(gòu)造等問題[15，16]。對于二維和三維微動勘探而言，更需要了解的是由地層巖性變化或斷層等地質(zhì)構(gòu)造引起的S波速度值的變化情況，以便于有的放矢解譯地質(zhì)現(xiàn)象。根據(jù)圖3處理流程，無需反演S波速度結(jié)構(gòu)，直接計算微動觀測點的Vx值，獲得Vx值隨深度H的變化曲線，通過對所有測點的Vx-H曲線進行插值和光滑計算處理，即可獲得最終的二維或三維速度圖像，而解釋地質(zhì)構(gòu)造等問題[16]。

圖3 微動剖面數(shù)據(jù)處理流程

2.3 城市環(huán)境微動勘探優(yōu)勢

上海地區(qū)高度城市化，地上地下建(構(gòu))筑物密集，道路交通繁忙，地下管線縱橫交錯[17]，城區(qū)范圍強烈的電磁、噪聲、振動等環(huán)境干擾[18]，限制了常規(guī)人工震源激發(fā)的縱橫波地震勘探法和電、磁法等探測方法的應(yīng)用，在城市區(qū)域進行隱伏斷裂的探測變得越來越困難，給城市地球物理勘探等地質(zhì)調(diào)查帶來了很大難度和挑戰(zhàn)[19]。傳統(tǒng)的物探技術(shù)容易受到勘探場地及環(huán)境條件的制約，而微動探測因采用接收天然源微動信號，其受場地背景噪音、電磁場干擾及高低速地層夾層(如第四系松散沉積覆蓋層)、低阻高導(dǎo)層(如海水浸入層)等屏蔽作用的影響較小[20]，是一種環(huán)保、抗干擾能力強、接收信號頻帶寬、有效波長長、探測深度大、適用范圍廣的新型物探技術(shù)，特別適用于人口稠密、有強烈振動及電磁等干擾的城市環(huán)境。微動勘探視S波速對應(yīng)的地層標定是地質(zhì)構(gòu)造解譯的關(guān)鍵，不同巖地層性分層、斷層破碎帶、巖溶發(fā)育范圍、巖漿侵入體等異常地質(zhì)體與周圍巖土體的視S波速度差異明顯，對于隱伏斷裂構(gòu)造、地層分層、深部地下結(jié)構(gòu)劃分等地質(zhì)解譯具有較好的效果。

3 案例分析

3.1 隱伏斷裂探測

試驗微動測線布置于上海典型的復(fù)雜城區(qū)環(huán)境中，周圍建筑物林立、道路、軌道交通及地下管線縱橫交錯，各種震動、噪聲、電磁干擾嚴重。結(jié)合城區(qū)場地實際情況，測線共布設(shè)6個微動勘探點，間距為422～517 m，測線長度為2.328 km，觀測系統(tǒng)采用四重圓觀測臺陣(35—70—140—280 m)。圖4a為測線3號微動勘探點原始面波記錄圖，數(shù)據(jù)處理采用擴展空間自相關(guān)方法(ESPAC法)，獲得相速度頻散曲線穩(wěn)定連續(xù)追蹤(圖4b)。圖5中視S波速度剖面清晰了反映了淺部及深部斷裂構(gòu)造速度差異，鉆孔ZK1信息與解釋地層層位(表1)對應(yīng)好，解釋的層位深度誤差≤7.3%。根據(jù)值變化情況追蹤主要波速界面，解譯視S波速度異常特征和形態(tài)、速度異常值及其梯度變化等的地質(zhì)含義，獲取地層層序、低速異常(斷裂破碎帶)和斷裂帶位置及延伸劃分等情況。圖5中，可以識別出多個波速界面，其中S1、S2、S3為第四系內(nèi)部的波速界面；微動剖面上對應(yīng)于埋深215 m以下、Vx=750 m/s的速度分界面S4，該分界面以上地層巖性相對均勻，未見明顯速度異常，分界面以下見多處低速異常，表明斷裂構(gòu)造發(fā)育，對應(yīng)為第四系下更新統(tǒng)底界(基巖頂界面)。根據(jù)Vx值異常變化特征，斷層F1和斷層F2之間(區(qū)間為450～880 m)區(qū)域顯示為明顯的低速異常，與兩側(cè)相對高速反差鮮明，基巖破碎帶特征明顯。視S波剖面地層劃分與鉆孔ZK1巖性分層進行對比(表1)顯示，微動勘探方法能很好地揭示地下巖土體的物性差異變化，在上海高干擾城市背景下的隱伏斷層探測效果顯著。

圖4 微動勘探某點原始面波記錄和頻散曲線

表1 微動勘探與鉆孔結(jié)果對比

3.2 三維地下速度模型建立

圖6為上海某地近8 km2三維微動勘探測點分布圖，測區(qū)內(nèi)基巖巖性復(fù)雜，共設(shè)置39個微動勘探點(圖中黑色標記為微動勘探點位置)，各勘探點間距約為400～900 m，采用四重圓臺陣觀測系統(tǒng)(35—70—140—280 m)。

數(shù)據(jù)處理采用擴展空間自相關(guān)方法(ESPAC法)進行，結(jié)合鉆孔資料與反演的各微動勘探點的S波速度異常分界可以推測測區(qū)的基巖埋深，獲得基巖頂板埋深為約-300～-220 m(圖7)，整體賦存呈東高西低形態(tài)。圖8a視S波三維速度體結(jié)構(gòu)圖為速度模型由集合視S波速度而成，三維速度模型展示出不同深度的地下地層結(jié)構(gòu)和地質(zhì)構(gòu)造等特征，根據(jù)S波速度變化可以識別測區(qū)范圍內(nèi)的第四系與基巖物性界面，基巖面以下也存在多個波速界面。圖8b中黑色圈標記范圍內(nèi)，可以清晰看出基巖內(nèi)視S波速度存在間斷不連續(xù)特征，推測為斷層錯斷所致；且基巖內(nèi)可以分辨出明顯的低速異常條帶，結(jié)合地質(zhì)資料推測為燕山期中國東部強烈的巖漿活動，引起的巖漿沿斷層面等裂隙侵入所致。通過三維微動勘探可以反演建立近地表到深部的視S波三維速度結(jié)構(gòu)模型，可以根據(jù)波速值異常圈定異常地質(zhì)體分布范圍和劃分地層巖性分界面等。

圖6 微動勘探測點分布

圖7 微動勘探基巖埋深等值線(m)

圖8 三維微動勘探視S波三維速度體結(jié)構(gòu)(m)

4 結(jié)論

通過微動勘探方法在上海城區(qū)隱伏斷裂和異常地質(zhì)體探測等方面的應(yīng)用獲得了以下結(jié)論。

(1)微動勘探相對于傳統(tǒng)物探和鉆探手段來說是一種無損、快捷、對觀測環(huán)境無特殊要求的地球物理調(diào)查方法，豐富了城市區(qū)域地球物理勘探的手段，提高了復(fù)雜城區(qū)環(huán)境下物探的精度和有效性，為城市復(fù)雜環(huán)境地下空間地球物理勘探提供了新的勘探手段與思路。

(2)微動勘探對深部地下構(gòu)造特征刻畫效果顯著，能夠有效地刻畫隱伏斷層的空間展布特征、劃分不同巖土體地層分層情況、圈定異常地質(zhì)體空間分布范圍等。

(3)微動勘探三維速度模型能有效刻畫城市地下空間三維速度特征，可以獲得不同巖土界面的深度信息、圈定異常地質(zhì)體空間分布范圍等，實現(xiàn)城市地下結(jié)構(gòu)透明化顯示。

(4)微動勘探成果在鉆孔資料約束下進行數(shù)據(jù)反演處理和解譯，可以提高微動探測成果的可靠性。

(5)微動勘探方法是通過剪切波速結(jié)構(gòu)復(fù)原地層組合，橫向精度的有效性和可靠性隨著勘探點密度增加而提升，測點之間的波速結(jié)構(gòu)剖面依靠插值獲得，盡管可以實現(xiàn)剖面成像，然而相同巖性內(nèi)彎折的界面、巖性差異小的界面細節(jié)無法通過該方法成像。建議在實際微動勘探過程中，結(jié)合地質(zhì)任務(wù)適當采用較小間距的微動勘探點距，提高斷層裂構(gòu)造判斷識別的可靠性。