密集線性臺陣地震背景噪聲速度成像及其在湖南沃溪金鎢銻礦勘探中的應(yīng)用

王 悅，劉江山，沈長明，鄧 寶，蘇文君柳，陳棋福，李俊倫*

1.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 地球和空間科學(xué)學(xué)院，合肥 230026；

2.湖南省有色地質(zhì)勘查研究院, 長沙 410015；

3.中國科學(xué)院 地質(zhì)與地球物理研究所，中國科學(xué)院 地球與行星物理重點實驗室，北京 100029

1 引言

地震學(xué)是人類認知地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的一種不可或缺的研究手段。大尺度的研究區(qū)域主要依賴于天然地震的觀測數(shù)據(jù)，而小尺度局部區(qū)域的研究一般依賴于勘探手段。近年來，面波勘探技術(shù)發(fā)展迅速，有關(guān)瑞利波的研究大量問世。瑞利面波勘探作為一種新型淺層地震勘探手段，對淺地表結(jié)構(gòu)具有高分辨能力，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于油氣開采、城市地下空間勘察、無損檢測等方面（宓彬彬，2018）。如何從原始地震記錄中準確提取頻散曲線，并利用頻散曲線反演地下結(jié)構(gòu)是面波勘探技術(shù)的關(guān)鍵。

多道面波分析方法（MASW）（Park et al., 1999）是近二三十年來最流行的面波分析方法。常用的面波分析方法有F-K法（Capon，2005）、τ-p變換法（Mcmechan and Yedlin, 1981）、相 移 法（Park et al.,1998）、拉東變換法（Luo et al., 2009）等。F-K變換法具有方法簡單的特點，將二維時域信號進行傅里葉變換，轉(zhuǎn)換為F-K域上的信號。但F-K變換法要求空間和時間域采樣間隔相等，如果波形記錄中存在壞道，會對結(jié)果產(chǎn)生較大影響(盧建旗，2013)。τ-p變換法和拉東變換法均將數(shù)據(jù)進行傾斜疊加, 對高階信號分辨率較好, 但基階頻散曲線在低頻段成像效果較差（邵廣周和李慶春，2010）。相移法先對時間域信號進行傅里葉變換之后對幅值進行歸一化處理，在空間域進行積分, 通過在不同頻率下的速度掃描來提取頻散曲線, 更適用于提取基階頻散曲線（邵廣周和李慶春，2010）。對F-K法、τ-p變換方法和相移法進行對比發(fā)現(xiàn)，相移法在計算效率、抗噪性和靈活性等方面都優(yōu)于其他兩種方法（Dal Moro et al., 2003）。

背景噪聲技術(shù)近年來廣泛應(yīng)用于研究近地表三維速度結(jié)構(gòu)。其基本思想是通過計算臺站對之間的噪聲互相關(guān)函數(shù)來近似得到臺站對間的經(jīng)驗格林函數(shù)。通常，高頻面波對淺層結(jié)構(gòu)比較敏感，低頻面波對深部結(jié)構(gòu)比較敏感（Li et al., 2016）。早期的背景噪聲成像研究主要利用長周期的面波頻散反演地殼和上地幔結(jié)構(gòu)（Yao et al., 2006, 2008; Lin et al.,2007）。近年來，背景噪聲互相關(guān)方法在提取高頻面波信號反演淺層速度結(jié)構(gòu)方向取得了顯著進展（Lin et al., 2013; Fang et al., 2015; Du et al., 2020）。

基于背景噪聲技術(shù)和相移法的特點，我們提出了一種新的方法——拓距相移法，提高傳統(tǒng)相移法對低頻信號的提取能力。拓距相移法分為陣內(nèi)相移和陣外相移兩部分，利用陣內(nèi)相移對小孔徑范圍的中高頻信號進行提取，用陣外相移對大孔徑范圍的中低頻信號進行提取，然后將兩部分頻散曲線整合得到一條寬頻帶頻散曲線。本著發(fā)展新的有效物探手段進行深部找礦的根本目的，同時為了檢驗拓距相移法的有效性，我們在湖南沃溪布設(shè)了多條被動源密集測線，在2019年9月到2019年10月進行了為期一個月的連續(xù)數(shù)據(jù)采集，提取頻散曲線后反演得到地下橫波速度結(jié)構(gòu)。成像結(jié)果與已知斷層、巖性分界面、礦脈等有著較好的對應(yīng)關(guān)系。本文將從方法介紹、礦區(qū)地質(zhì)概況、互相關(guān)計算、頻散提取、速度結(jié)構(gòu)反演、地質(zhì)解釋與分析等方面進行闡述。湖南沃溪礦區(qū)成像案例證實了拓距相移法可以有效拓寬頻帶寬度，對于近地表地下資源勘探有著重要意義。

2 方法原理

2.1 相移法

傳統(tǒng)相移法主要原理（Park et al., 1998）假設(shè)位于 x 處的地震儀在 t 時刻接收到的地震記錄為u(x,t)，通過時間域傅里葉變換得到其頻譜

其中，A(x,)ω是振幅譜，包含了衰減和幾何擴散等特性，P(x,ω)=e?iψx是其相位譜（為地下真實的相速度），包含了全部頻散信息。我們可以對頻譜進行歸一化以消除振幅譜的影響，

對=(x,)ω在空間域做積分得：

為了提高傳統(tǒng)相移法頻散成像的效果，本文將互相關(guān)函數(shù)與傳統(tǒng)相移法結(jié)合，在相移法基礎(chǔ)上，利用所有道的相位差信息。同時，為便于實際數(shù)據(jù)處理，我們將式（3）積分形式離散化，對于N道數(shù)據(jù)，得到

當cT=cR時，頻散能量達到最大值。同樣，可以進行速度掃描，來獲得頻散能量圖。

實際情況中，由于噪聲源分布、儀器響應(yīng)和地表起伏等因素的干擾，我們采集到的信號中存在不相干的隨機噪聲干擾，僅用一對臺站計算得到的頻散能量穩(wěn)定性差。在實際應(yīng)用中，為了提高穩(wěn)定性及施工效率，我們將一條長測線劃分為許多次級臺陣，在次級臺陣內(nèi)部計算臺站對的頻散能量，并進行疊加平均，得到較穩(wěn)定的頻散能量圖。

2.2 拓距相移法

傳統(tǒng)相移法對于高頻信號的提取較為有效，但處理低頻信號時易受到線陣孔徑的影響，為了提高對中低頻信號的提取效果，我們在傳統(tǒng)相移法的基礎(chǔ)上提出了拓距相移法。

拓距相移法由陣內(nèi)相移和陣外相移兩部分組成。圖1是一條密集測線臺陣的拓距相移法示意圖，以某一臺站為中心劃分一個次級臺陣，分別利用陣內(nèi)相移和陣外相移各提取一條頻散曲線。陣內(nèi)相移易于提取高頻信號，而陣外相移易于提取中低頻信號。將分別提取的中低頻頻散和高頻頻散整合成一條完整的頻散曲線，再對頻散曲線反演得到速度結(jié)構(gòu)。

圖1 拓距相移法示意圖Fig.1 Sketch showing the extended range phase shift method

2.2.1 陣內(nèi)相移

由于陣內(nèi)相移處理過程中不涉及次級線陣外部臺站，陣內(nèi)臺站的拓距相移法類似于傳統(tǒng)相移法。在處理過程中，我們分別以一條密集測線上的每個臺站為中心，以一定半徑劃分次級線陣，獲得許多次級線陣。對每個次級線陣中的臺站對之間計算互相關(guān)函數(shù)，通過相移法獲得這一次級線陣的頻散能量圖。通過不斷移動中心臺站的位置，我們就可以獲取全部臺站下方的頻散信息。

2.2.2 陣外相移

陣外相移利用的地震數(shù)據(jù)既包含次級線陣內(nèi)部，也包含次級線陣外部。在處理過程中，我們以

2.2.1 中同樣的方式獲得許多次級線陣。對于一個次級線陣，將陣外的每一個臺站視為虛擬源。對于同一個虛擬源，將陣內(nèi)的所有臺站視為接收器，計算該源和全部接收器的頻散能量。

假設(shè)研究第 n 個臺站下方結(jié)構(gòu)，我們將其作為中心臺站，劃分次級線陣時兩側(cè)各包含m個臺站，線陣內(nèi)部包含 2m+1 個臺站。對線陣外的第 k 個源，計算該源和次級線陣內(nèi)全部臺站的頻散能量 V ：

將傳播路徑分為陣內(nèi)、陣外兩部分

公共的陣外路徑部分可提前到求和符號外部

當cT=cR時，頻散能量達到最大值。我們對每個虛擬源都進行同樣的運算，得到多個頻散能量圖。雖然不同源到同一次級線陣的路徑各不相同，但對中低頻頻段的信號而言，波長較長，衰減較慢，不易散射，我們可以認為信號在次級線陣的外部區(qū)域傳播路徑基本一致，此時仍然是次級線陣內(nèi)部區(qū)域?qū)︻l散能量起主導(dǎo)作用。因此，我們可以對這些不同虛擬源得到的頻散能量取絕對值以消除陣外公共路徑影響后進行疊加平均，獲得的頻散能量圖作為線陣中心臺站的陣外頻散能量。

對于衰減快，易散射的高頻信號，本身受地表起伏影響更大，遠臺間距的互相關(guān)函數(shù)信噪比較低，且其在陣外區(qū)域的傳播路徑更加復(fù)雜，疊加過程不能保證有效提升頻散能量質(zhì)量。因此，陣外相移對中低頻信號的頻散提取更加有效。

2.3 反演方法

我們通過阻尼最小二乘法，將利用拓距相移法提取出的寬頻帶頻散曲線反演得到地下橫波速度結(jié)構(gòu)剖面。反演的最小化目標函數(shù)為

其中d為觀測數(shù)據(jù)，即相速度頻散曲線，m為橫波速度模型，G為敏感度矩陣，L為模型的有限差分近似算子，α為阻尼系數(shù)。頻散曲線的正演計算利用CPS軟件包（Herrmann，2013），通過經(jīng)驗關(guān)系式（Brocher, 2005）由橫波速度得到縱波速度、密度，從而正演得到瑞利面波相速度。通過迭代進行求解，已有的單點反演方法根據(jù)如下方程計算速度模型更新：

式（9）中δd為觀測值與現(xiàn)有模型理論值的偏差，G為當前模型下的敏感度矩陣，Lv為垂直方向有限差分近似下的拉普拉斯算子，λv為垂直方向的阻尼因子，δm為進行一次迭代的模型速度修正量。式（9）括號中第一項用于反演速度結(jié)構(gòu)，第二項用于約束模型垂向變化，在此基礎(chǔ)上，我們加入橫向約束來約束模型水平變化，以提高反演過程魯棒性，有

Lh為水平方向有限差分近似下的拉普拉斯算子，λh為水平方向的阻尼因子。計算得到模型更新量后進行迭代，有

mk為第k次迭代后的速度模型，δmk為第k+1次迭代的修正量，mk+1為第k+1次迭代修正后的速度模型。通過反演獲得橫波速度模型的更新量，然后對新的速度模型進行正演獲得相速度的敏感核矩陣，之后對相速度進行更新，不斷迭代更新模型，直至反演收斂。

3 臺陣布設(shè)與數(shù)據(jù)采集

湖南省是我國黃金生產(chǎn)大省之一，開采黃金歷史悠久，最早可追溯至春秋戰(zhàn)國時期。由于長期的開采，礦產(chǎn)資源逐漸短缺，地表淺部大部分礦產(chǎn)已被發(fā)現(xiàn)，預(yù)測和找礦難度不斷增加。此外，礦區(qū)大多地處山區(qū)，地質(zhì)環(huán)境問題復(fù)雜，地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)。如何高效地勘察地質(zhì)結(jié)構(gòu)，提升工作效率，是當今地質(zhì)礦產(chǎn)行業(yè)的重要目標。

3.1 地質(zhì)背景

勘探資料證實，湖南省內(nèi)黃金礦區(qū)主要分布于雪峰山金、銻、鎢的成礦帶上。其中，湘西沅陵縣境內(nèi)的沃溪金礦位于雪峰弧形構(gòu)造隆起帶中段，是江南古陸金礦成礦帶上一個金、銻、鎢共生的大型礦產(chǎn)，具有重要的勘探價值（匡文龍等，2004）。對于礦區(qū)地層和構(gòu)造的進一步認識，有助于速度結(jié)構(gòu)反演以及地質(zhì)解釋工作。

3.1.1 礦區(qū)地層

湖南沃溪礦區(qū)出露地層主要為冷家溪群、板溪群、白堊系。根據(jù)沈長明等（2017）①沈長明，劉江山.2017.湖南省有色（貴）金屬礦山深邊部找礦綜合物探方法有效性研究報告[R].湖南省有色地質(zhì)勘查研究院.、匡文龍等（2004）給出的沃溪金礦地質(zhì)特征，研究區(qū)域的地層從老至新分別為：

（1）冷家溪群（Pt2lj）：為灰綠色絹云板巖，局部夾淺變質(zhì)石英巖、砂巖及少許凝灰質(zhì)砂巖，與上覆板溪群不整合接觸。

（2）板溪群（Pt3bn）：是礦區(qū)內(nèi)分布最廣的地層，自下而上分為：馬底驛組（Pt3bnm）和五強溪組（Pt3bnw）。

馬底驛組（Pt3bnm）又可分為上下兩段

(a)馬底驛組下段（Pt3bnm1）：為灰綠色變質(zhì)砂巖，呈帶狀分布，厚度在100 m左右。

(b)馬底驛組上段（Pt3bnm2）：為紫紅色、灰紫色條帶狀板巖、砂質(zhì)板巖、含鈣板巖，其中含鈣紅色絹云母板巖、砂質(zhì)板巖是金銻鎢礦的主要賦礦巖性。底部夾灰綠色板巖、砂質(zhì)板巖及中細粒砂巖，中、上部有鈣質(zhì)條帶及鈣質(zhì)結(jié)核。該地層為區(qū)內(nèi)出露的最主要地層，廣泛分布于沃溪大斷層下盤、礦區(qū)中部，與白堊系、震旦系地層呈斷層接觸。

五強溪組（Pt3bnw）：為青灰、灰綠色中厚層變質(zhì)紋帶狀石英砂巖，夾砂質(zhì)板巖、板巖，呈東西向分布。五強溪組和馬底驛組, 兩者之間呈斷層接觸。

（3）上白堊統(tǒng)（K2）：為巨厚層狀紅色、棕紅色砂礫巖，不整合覆蓋于板溪群地層上。

3.1.2 礦區(qū)構(gòu)造

礦區(qū)西南部為仙鵝抱蛋穹隆狀復(fù)背斜，東南部為拖毛嶺復(fù)背斜，中部為沃溪—唐滸坪反“S”型構(gòu)造（汪勁草等，2000）。礦區(qū)主要為近東西向的構(gòu)造。區(qū)域性的沃溪大斷層（F1）橫貫礦區(qū)，呈近東西向，傾向北，傾角約30°，長達20 km（李鍵炎，1989）。斷面常呈舒緩波狀，破裂帶寬為20~130 m，構(gòu)造巖主要由碎裂板巖、角礫巖、碎粒巖、糜棱巖和斷層泥組成（黃瑞華等，1998）。

圖2 沃溪地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造簡圖Fig.2 Regional geological map of the Woxi W-Sb-Au deposit

其次，礦區(qū)內(nèi)有多條較大的層間斷裂，走向長650~5300 m，與沃溪斷層（F1）呈“入”字形相交，沿走向呈舒緩波狀，斷層面上有斷層泥，厚度為1~20 cm。層間斷裂的規(guī)模和形態(tài)控制著蝕變帶及其中礦體的形態(tài)和規(guī)模，在層間斷裂傾角變陡處，層間脈礦化減弱，礦脈變??；反之礦化則增強，礦體變厚（匡文龍等，2004）。

礦體主要產(chǎn)出形態(tài)是層脈。層脈沿層間斷裂充填，產(chǎn)狀與巖層基本一致。層間脈的構(gòu)造特征反映了變質(zhì)熱液成礦的特征（陳吉華，2018）。

3.2 密集臺陣的布設(shè)

沃溪金礦劃分為五個礦段，分別為紅巖溪、魚兒山、粟家溪、十六棚公、上沃溪（沈長明等。2017）。本次研究區(qū)域沃溪金礦的粟家溪礦段，處于魚兒山和十六公棚兩個礦化富集中心的過渡部位，地勢南高北低，海拔在150~700 m之間。

基于密集臺陣的背景噪聲成像方法具有綠色環(huán)保、分辨率高等優(yōu)點。為了研究該區(qū)域的地質(zhì)構(gòu)造，我們選擇線性密集臺陣，跨區(qū)域性斷層F1和F2布設(shè)8條密集測線進行二維剖面采集。圖3展示了研究區(qū)域的臺站分布和地形特征，沃溪大斷層F1呈近東西向，唐滸坪斷層走向近北東向。8條測線平行分布，方位角為160°，長度均為10 km。此次數(shù)據(jù)處理選取了其中的3條測線，其中，160測線臺間距為 200 m，360測線臺間距為400 m，505測線基本臺間距為250 m，中段4 km重點研究區(qū)域加密至100 m。

圖3 8條密集測線的臺站分布Fig.3 The distribution of stations of the 8 dense arrays

3.3 數(shù)據(jù)采集

筆者采用467臺主頻為5 Hz的SmartSolo節(jié)點式短周期地震儀，在2019年9月到2019年10月進行了為期一個月的連續(xù)數(shù)據(jù)采集。相較于寬頻帶地震儀，短周期地震儀具有體積小、重量輕、可靠性高、續(xù)航能力強等特點，便于在山區(qū)、丘陵等復(fù)雜環(huán)境下布設(shè)以開展研究工作。

4 數(shù)據(jù)處理與反演方法

4.1 計算背景噪聲互相關(guān)函數(shù)

數(shù)據(jù)處理基本遵循Bensen等（2007）介紹的背景噪聲數(shù)據(jù)處理流程。首先進行單臺數(shù)據(jù)預(yù)處理，檢查連續(xù)波形的數(shù)據(jù)質(zhì)量并剔除壞道，按照每一小時截取數(shù)據(jù)片段，對數(shù)據(jù)片段分別進行去均值、去線性、濾波、譜白化、時域歸一化等處理?？紤]到每條測線采用的地震儀器類型相同，因此我們無需去除儀器響應(yīng)。然后將同一測線上所有臺站兩兩組合，對于每一個臺站對，利用對應(yīng)的每小時數(shù)據(jù)片段計算互相關(guān)并疊加得到互相關(guān)函數(shù)。如圖4所示，我們展示了160測線的部分互相關(guān)函數(shù)?？梢钥闯觯杉降男盘柧哂泻芨咝旁氡?，但正負半軸的信號不完全對稱，正半支信號明顯強于負半支信號，這主要是噪聲源分布不均勻造成的。

圖4 160測線0.5~5 s周期的部分互相關(guān)函數(shù)（信噪比大于5，其中對稱的紅色虛線表示速度為1 km/s和4 km/s 的時距線）Fig.4 The interstation cross-correlation functions of Line 160 with the signal-to-noise ratio (SNR) greater than 5 in the 0.5-2 s period band (The red dashed lines of different slopes define the groupvelocity of 1 km/s and 4 km/s, respectively)

4.2 提取頻散曲線

通過希爾伯特變換可從互相關(guān)函數(shù)中提取出經(jīng)驗格林函數(shù)（Yao et al., 2006）。我們采用拓距相移法對互相關(guān)函數(shù)進行處理，計算得到頻散能量圖并提取出相速度頻散曲線。通常情況下采用正負兩支相加平均的方法來壓制噪聲源不均勻帶來的影響（Yang et al., 2007）。但考慮到線陣的互相關(guān)正、負支代表來自兩個不同端源的噪聲源，本文處理對正支、負支、正負支平均3種方式分別計算頻散能量，為頻散提取提供更多選擇來避免正負支平均時有效信號被噪聲湮滅。

在計算頻散能量時，對于陣內(nèi)相移處理，孔徑設(shè)為600 m，提取周期范圍為0.1~0.5 s；對于陣外相移處理，孔徑設(shè)為1400 m，提取周期范圍為0.2~2.0 s（圖5）。比較圖5a和圖5d，我們可以明顯發(fā)現(xiàn)，在中高頻處（5 Hz以上）陣內(nèi)相移計算得到的頻散能量圖質(zhì)量更好，連續(xù)性更高；在中低頻處（1 Hz以下）陣外相移法計算得到的頻散能量圖質(zhì)量更好。通過對正支、負支、正負支平均3種處理方法的比較（圖5a，b，c或d，e，f），可以看出，不理想的噪聲源對頻散能量圖有明顯的影響。就互相關(guān)計算出的頻散能量圖質(zhì)量而言，正半支優(yōu)于負半支的結(jié)果，這與互相關(guān)函數(shù)（圖4）表現(xiàn)出的特征相吻合。對稱疊加的結(jié)果（圖5f）在1 Hz處出現(xiàn)間斷、不連續(xù)的現(xiàn)象，頻散能量被負半支噪聲的加入干擾。在本例中，正半支互相關(guān)計算出的頻散能量收斂性最好。因此，我們認為利用互相關(guān)函數(shù)的正半支、負半支、對稱疊加結(jié)果分別計算頻散能量是必要的，有助于我們提取更精確的頻散曲線。

圖5 拓距相移法頻散能量圖Fig.5 The dispersion energy map obtained by the extended range phase shift method

圖6展示了160測線的相速度頻散提取結(jié)果。陣內(nèi)、陣外相移法提取的頻散曲線在0.2~0.5 s頻段內(nèi)有一定差異（圖6a），可能與陣內(nèi)、陣外計算孔徑不同引起的平均效應(yīng)有關(guān)，但該差異仍在合理范圍之內(nèi)。將陣內(nèi)頻散和陣外頻散以一定方式整合為一條寬頻帶頻散。假設(shè)陣內(nèi)和陣外頻散曲線的拼接點為T拼接，在拼接點左右兩側(cè)加頻率窗df，則在頻率域，這個頻率時間窗最左側(cè)的頻率值為最右側(cè)的頻率值為轉(zhuǎn)化到時間域，這個時間窗最左側(cè)的周期值為，最右側(cè)的周期值為。陣內(nèi)和陣外相移的平均頻散曲線在0.3 s處相交（圖6(a)），于是選取T拼接為0.3 s，df為0.8 Hz，則整個時間窗范圍為（）。提取頻散的起始周期為0.1 s，間隔周期為0.025 s，故時間窗按周期點取為（0.225 s，0.4 s）。陣內(nèi)相移對于高頻更加敏感而陣外相移對于低頻更敏感。設(shè)置拼接點處的權(quán)重值為0.5，在拼接點左側(cè)，陣內(nèi)相移頻散的權(quán)重值分別為1、0.83、0.67，陣外相移頻散的權(quán)重值分別為0、0.17、0.33；在拼接點右側(cè)，陣內(nèi)相移頻散的權(quán)重值分別為0.375、0.25、0.125、0，陣外相移頻散的權(quán)重值分別為0.625、0.75、0.875、1。我們在該頻段內(nèi)將陣內(nèi)頻散曲線和陣外頻散曲線融合，短周期以陣內(nèi)頻散曲線為主，長周期以陣外頻散曲線為主，加權(quán)疊加得到整合后的寬頻帶頻散曲線（圖6(b)），用于反演地下介質(zhì)橫波速度結(jié)構(gòu)。

圖6 160測線相速度頻散曲線Fig.6 The phase-velocity dispersion curves for Line 160

4.3 反演的初始模型和參數(shù)設(shè)置

為了得到較好的橫波速度結(jié)構(gòu)反演的初始模型，我們根據(jù)以下經(jīng)驗公式確定了初始橫波速度（Xia et al., 1999）

其中μ是一個范圍從0.874到0.955的常數(shù)。以相速度cR來確定深度為0.63倍波長所在層的橫波速度初始值。在本文研究中，我們設(shè)置μ為0.95，以平均相速度計算出相應(yīng)層的橫波速度值作為初始模型。在層厚劃分上，我們在深度上設(shè)置了16個薄層，各薄層層厚從地表依次向下依次為：0.1、0.1、0.2、0.2、0.2、0.2、0.2、0.3、0.3、0.3、0.5、0.5、0.5、0.5、0.5、0.5 km。反演的迭代次數(shù)設(shè)置為10次。

4.4 瑞利面波相速度的敏感核

在一維層狀模型下，面波的相速度與地下介質(zhì)的縱波速度α，橫波波速β，密度ρ有關(guān)，在周期為ω時，相速度C在深度z方向上的敏感核可以表示為

其中，Kα(ω,z)，Kβ(ω,z)，Kρ(ω,z)分別為瑞利面波相速度對縱波速度，橫波速度以及密度的敏感核。

基于平均相速度的橫波速度初始模型，我們計算了不同周期下瑞利面波相速度對橫波速度的敏感核曲線（圖7）。可見隨著周期的增大，瑞利面波相速度對橫波波速的敏感深度逐漸加深。在本研究中，我們選取的頻散周期最大為2.0 s，可以較好地恢復(fù)2.5 km以淺的橫波速度結(jié)構(gòu)。

圖7 不同周期（0.2 s、0.5 s、1.0 s、2.0s）下瑞利面波相速度對橫波速度的敏感核曲線Fig.7 Sensitivity kernels of the Rayleigh-wave phase velocities with respect to shear-wave velocities for different periods (0.2 s,0.5 s, 1.0 s and 2.0s)

5 結(jié)果與討論

5.1 反演結(jié)果

從反演結(jié)果可以看出，160線、360線、505線3條測線的反演橫波速度結(jié)果表現(xiàn)出較好的一致性（圖8，圖9，圖10），在剖面中部均存在一個低速異常體，深度達1 km左右，在剖面兩側(cè)存在高速夾層，深度在0~0.5 km，剖面由淺至深總體呈現(xiàn)低—中—高的速度變化。圖中高程0 km代表平均海平面（MSL）。

160測線（圖8）：在剖面中部、深度0.5~1 km處有一個大型低速體，測線0~4 km、深度約0.5 km處存在一個規(guī)模較大的高速體，測線5.5~8 km、深度約0.5 km處存在一高速夾層。對反演結(jié)果分析可以發(fā)現(xiàn)，測線中部5 km處存在一條向左傾斜的速度異常分界面，傾角約為30°，其在位置和傾向上與F1斷層有著較好的對應(yīng)關(guān)系。測線8.5 km處存在一條向右下延伸的速度異常帶，傾角約為80°，推斷此處異常是由F2斷層引起的。

圖8 160測線橫波速度反演結(jié)果Fig.8 Vertical profile of the shear-wave velocity along Line 160

360測線（圖9）：由于360測線臺站稀疏，我們只利用了陣外相移中、低頻頻散數(shù)據(jù)進行反演，反演結(jié)果在淺地表的分辨率較低，精細結(jié)構(gòu)較少。整體來看，剖面在深度0.8~1.5 km處出現(xiàn)高低速分界面，推斷此界面為新老地層交界面。在測線5 km、深度約0.4 km處存在一個高低速夾層結(jié)構(gòu)。其與左側(cè)低速結(jié)構(gòu)形成一個速度異常面，推測該處速度異常為斷層F1的反映。高低速夾層沿水平方向延伸3 km左右，在測線8.5 km、深度0~0.5 km處夾層結(jié)構(gòu)截斷，推斷此處可能存在斷層。

圖9 360測線橫波速度反演結(jié)果Fig.9 Vertical profile of the shear-wave velocity along Line 360

505測線（圖10）：剖面中段呈現(xiàn)由淺至深地層橫波速度逐漸增高、并有局部高速體凸起，反映了地下復(fù)雜的褶皺構(gòu)造，剖面兩端深度約0.5 km存在高速夾層。測線7.5 km的速度異常分界面與斷層F2有著較好的對應(yīng)關(guān)系。

圖10 505測線橫波速度反演結(jié)果Fig.10 Vertical profile of the shear-wave velocity along Line 505

3條剖面在深度為1.5~2.5 km處均出現(xiàn)一條速度分界面，此界面頂部呈隆起狀，反映了此區(qū)域存在穹隆構(gòu)造。3條測線剖面反演結(jié)果均出現(xiàn)了高低速夾層結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)很好地反映了層間褶皺和斷裂。礦脈的形成明顯依賴于地層巖性和構(gòu)造的控制，層脈的產(chǎn)狀與巖層基本一致。因此，我們可以通過對橫波速度結(jié)構(gòu)的反演來尋找斷層，從而推斷可能的礦脈位置。

5.2 160線背景噪聲成像地質(zhì)解釋

根據(jù)沃溪礦區(qū)金銻鎢礦成礦地質(zhì)規(guī)律以及礦區(qū)坑道、鉆探等已知地質(zhì)資料，對160線背景噪聲成像橫波速度結(jié)構(gòu)剖面做如下推斷解釋：

如圖11所示，依據(jù)速度結(jié)構(gòu)，剖面總體可分為上、下兩大層。上層為低、中速互層結(jié)構(gòu)，對應(yīng)于白堊系地層和板溪群地層，該層自北西往南東厚度逐漸變?。幌聦訛橹小咚俳Y(jié)構(gòu)，對應(yīng)于冷家溪群地層和隱伏花崗巖，該層自北西往南東逐漸抬升、深度變淺。

第一大層（上層）：近地表的低速層由風化-半風化巖石及白堊系砂礫巖引起。北西段深度約0.5 km的規(guī)模較大的中速異常為板溪群五強溪組（Pt3bnw）的長石砂巖的反映，南東段深度約0.5 km的中速夾層為板溪群馬底驛組上段（Pt3bnm2）砂質(zhì)板巖的反映。剖面中段深度約1 km的低速層為板溪群馬底驛組上段（Pt3bnm2）泥質(zhì)板巖的反映。上層底部的中等速度層為板溪群馬底驛組下段（Pt3bnm1）變質(zhì)砂巖的反映，斷層F2東南側(cè)的低—中速層狀體與冷家溪群（Pt2lj）絹云母板巖對應(yīng)。

剖面左側(cè)2 km處存在一條速度異常帶，推斷該異常為斷層F4的反映，其上盤為新地層白堊系砂礫巖,下盤為老地層五強溪組，因此斷層F4為正斷層。剖面中段5 km處，存在一條傾角為30°的速度分界面，其與斷層F1有著較好的對應(yīng)關(guān)系。

剖面中段5 km附近、F1下盤，馬底驛組上段（Pt3bnm2）泥質(zhì)板巖與其上、下較高速度層的過渡上分布有礦脈V7、V8（圖11 黃色線）。根據(jù)此特征推斷V7、V8礦脈（圖11 黃色虛線）可能沿此兩個高低速過渡帶左右延伸，F(xiàn)1下盤的這兩個高低速過渡帶是上沃溪至龔家灣深部找礦的有利部位。

第二大層（下層）：該層頂界面呈波狀起伏，總體自西北往東南逐漸抬升，它反映了該地段老地層隆起，與本區(qū)存在穹窿構(gòu)造的已知地質(zhì)實事吻合；頂界面存在3處明顯的局部凹陷，系區(qū)域性斷裂切割深部地層所致。該層內(nèi)分布有兩個明顯的高速異常體，據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料推斷兩高速體為隱伏的花崗巖體。

據(jù)剖面內(nèi)存在自淺至深延伸的低速帶、速度界面不連續(xù)、速度層厚度或產(chǎn)狀發(fā)生突變等特征，推斷F1、F2、F4等3條區(qū)域性斷層，其中F1是本區(qū)的控礦導(dǎo)礦構(gòu)造。

6 結(jié)論

本文介紹了一種面波勘探的數(shù)據(jù)處理新方法——拓距相移法。該方法將傳統(tǒng)相移法與背景噪聲互相關(guān)相結(jié)合，很大程度上改善了傳統(tǒng)相移法在低頻段頻散信號提取較差的問題，有效地拓寬了提取頻散的可用頻帶，使橫波速度反演在不降低淺層分辨率的前提下提高了對深部結(jié)構(gòu)的有力約束。我們將拓距相移法應(yīng)用于湖南沃溪金銻鎢礦區(qū)采集的背景噪聲數(shù)據(jù)，通過陣內(nèi)相移和陣外相移分別提取了中高頻和中低頻的頻散曲線，將不同陣列得到的重疊頻率域的頻散曲線進行加權(quán)疊加，得到了0.1~2.0 s的頻散曲線，并將該頻散曲線用于反演，從而獲得了高分辨率的中淺層地下橫波速度結(jié)構(gòu)。通過利用已有的地質(zhì)資料進行對比驗證以及進一步的地質(zhì)解釋，我們發(fā)現(xiàn)160測線的地震橫波速度反演結(jié)果與斷層、巖性分界面及礦脈有著較好的對應(yīng)關(guān)系。本文的研究為今后深部找礦提供了一種有效的高精度成像方法。