智能微動勘探在地質調查中的應用探索

李葉飛，韋 健

（廣西壯族自治區地球物理勘察院，廣西 柳州 545005）

城市是人類活動的中心地帶，由于人口擁擠、交通不暢、環境破壞、新型城鎮化建設、耕地紅線不能突破等因素，開展城市地質調查是必然、必要的，這也是新型城鎮化戰略實施與城市可持續發展的必然方向。城市淺層地下空間探測則是目前城市地質調查工作中的一個重要內容，根據其探測深度、目的、技術要求等各方面的不同，采用的技術方法也有所不同[1]。鉆探是一種直接而可靠的方法，但是在城市中，因為各方面客觀條件的制約，許多地方不宜進行鉆孔，比如施工存在噪音擾民、破壞環境、工作效率低等諸多因素；因此，地球物理學方法在城市地質調查、城市地下空間探測越來越占據主導地位。

地球物理學方法包括重、磁、電、震多種方法，應根據工作內容和地質環境條件確定有效方法[2,3]。在城市地質調查工作中，城市環境中存在大量地電干擾、雜散電流以及電磁信號干擾等，嚴重影響電磁法勘探技術的勘探效果；而常規地震波勘探技術雖然不受電磁信號影響，但受震源所限無法實現大深度勘探，因此利用自然界中存在的各種微弱震動作為震源進行的微動勘探（也稱天然源面波勘探）逐漸被人們所重視。

1 方法簡介

1.1 方法原理

微動是由體波（P波和S波）和面波（瑞雷波和勒夫波）組成的復雜振動，其中面波的能量占信號總能量的70%以上。微動勘探主要采用臺陣方法來接收微動信息，從微動信息中提取瑞利面波的頻散特性，通過對頻散曲線進行反演獲得地層的橫波速度，以此推斷地殼內部的橫波速度結構[4]。

1.2 勘探臺陣

本文主要介紹嵌套式等邊三角形布置，最大三角形邊長為16m；該裝置的優點在于同等數量拾振器條件下，拾振器連線構成的指向多，有利于適應天然微動震源傳播方向的不確定性；構成的不等長的線段多，有利于適應不同波長的天然源面波的采集。嵌套式等邊三角形布置如圖1所示。

圖1 嵌套式等邊三角形觀測臺陣示意圖

2 應用成果

北海市作為我國北部灣經濟區和北部灣城市群的重要支撐城市，不僅是我國西部地區唯一的沿海開放城市，也是我國西部唯一具備空港、海港、高速公路和鐵路的城市，潿洲島更是享譽海內外的旅游休閑度假勝地[5]。為了緩解日益增加的人口壓力及擁擠的交通，北海市欲向城市周邊及地下空間發展，故進行北海市城市地質調查，為今后城市的發展做好充分準備。

2.1 測區地質

北海市地層以新生界最發育，次為古生界；古生界構成基底，中新生界組成蓋層，區內廣泛分布第四系，其次出露有第三系、泥盆系。第四系、第三系以松散沉積土體為主，巖性為粉質粘土、含粘土砂礫、礫砂，砂質粘土、粘土等，在潿洲島、斜陽島，第四系則為堆積物、更新統的巖漿巖，其巖性為玄武巖、沉凝灰巖、火山角礫巖，橄欖玄武巖，氣孔狀玄武巖。泥盆系信都組沉積巖，巖性為砂巖、細砂巖、粉砂巖、泥質粉砂巖。

表1 土的類型劃分和剪切波速范圍

2.2 物理前提及推斷依據

不同的巖性顯示不同的速度，相同的巖性如密實度不同或環境不同亦顯示不同的波速，所以地層速度差異是微動勘探劃分巖性層的物理前提[6]。基巖面、不同時代地層分界面等地質界面巖性差異大，從而也是良好的速度分界面，采用微動勘探可有效確定其深度。

地層速度隨巖性、構造的變化而變化，根據其激發不同的頻散曲線以及它們之間頻散曲線分布規律，歸納總結本項目微動勘探中不同的地質情況所獲得的頻散曲線，具有如下特征：

（1）當由表層向底層橫波速度逐層增高的情況下，頻散曲線呈逐漸增高的趨勢；

（2）當中間某層為低速層時，頻散曲線出現“之”字形異常、拐點異常，當低速層的厚度足夠厚時，則會出現頻散曲線往回凹；

（3）當巖石顆粒出現變化時，頻散曲線將會出現頻點疏密的變化；

（4）當巖石速度出現變化時，頻散曲線斜率出現變化。

2.3 成果分析

本次微動勘探于北海市中心城區部署了4條微動探測剖面，測線呈“井”字形相交，工作重點是對中心城區0m～30m深度范圍內進行高精度勘探，同時兼顧100m以淺的地質構造，為今后地下空間的開發利用提供有力的物探依據。

通過對微動測點頻散曲線進行反演，獲得地層橫波速度（Vs），根據《建筑抗震設計規范》GB 50011-2010(2016年版)中“表1土的類型劃分和剪切波速范圍”的規定，實現對北海市地下土類型進行劃分[7]。

利用對頻散曲線反演獲得的橫波速度，了解并基本控制了剖面的土類型分布情況，宏觀上推斷，北海中心城區土的類型可分為三大類：表層（即勘探數據離散區）存在中軟層，具體厚度未知，在可勘探范圍內不做推斷；淺層至中層為中硬土，500m/s≥橫波波速（Vs）＞250m/s，推斷其主要巖性為密實狀、中密狀、稍密狀粗砂，可塑狀粘土，可塑狀粉質粘土互層；深層為堅硬土，800m/s≥橫波波速（Vs）＞500m/s。

為了更直觀地了解北海中心市區地下空間情況，對北海工區繪制了剖面展布圖及堅硬土頂界面起伏三維圖，目的為了更好更直觀的了解北海中心市區地下空間情況，見圖2至圖3。

由圖可見，堅硬土頂界面埋深形態由西到東、由北到南呈逐漸加深的趨勢，整體來看西北面埋深較淺，東南面埋深較深。最深位置主要位于北海凹陷一帶，該段埋深高程可達-68m；最淺位置位于北海市城規劃局一帶，該段埋深高程僅為-8m左右。2線整體上是堅硬土埋深最深的測線，其中點號從3600～5600為最深位置，根據資料推斷該區域為北海凹陷（圖2白框）。通過空間展布圖從空間上、宏觀上更為直觀、清楚地了解市區整體的波速特征與土類型起伏情況；通過三維空間可以更好地研究地質情況[8]。

圖2 北海中心城區微動勘探剖面展布圖

圖3 北海中心城區堅硬土頂界面起伏空間三維圖

3 結論

本次利用WD智能微動勘探系統在北海市中心城區進行的微動勘探完成了100米以淺的地質調查工作，獲得了該地區的整體波速特征，清晰劃分了30米以淺的地層分布情況。通過本次智能微動勘探工作，我們總結了智能微動勘探技術進行城市地質調查工作具有的特點，也為今后在我國南方濱海城市進行地質調查工作提供一定的經驗。

3.1 優點

（1）實時獲得勘探成果：采集過程中實時獲得面波頻散曲線，以及面波頻散曲線隨采集過程逐漸收斂、細化、穩定的過程，克服盲目采集的缺陷，降低現場工作的技術難度，提高工作效率。

（2）適應環境能力強：智能微動勘探具備近場源波型分離功能，可提取短周期頻散實現淺層勘探；可根據場地條件靈活布設臺陣形式，尤其適應城市勘探。

（3）地層劃分清晰：通過WD智能微動勘探獲得的速度曲線可以直觀地對地層、構造進行劃分。

3.2 局限性

場地影響：由于在市區工作、且不能中斷交通，因此觀測臺陣的規模受到限制，從而導致勘探深度受限（深度與邊長的正比關系）。

3.3 建議

微動勘探是目前被公認為獲得S波（橫波）速度結構最有效、最便捷的地球物理勘探方法之一，尤其適用于城區人口密度大、有震動干擾的環境，在對巖性分層、溶洞與土洞探查、土類型分析等方面有著顯著的效果及優勢，目前微動勘探在城市地質調查中的作用越來越大，尤其是在不宜開展鉆探工作的市區，微動勘探具有重要作用[9]。根據本次北海工作及筆者以往的微動勘探工作經驗，認為智能微動勘探是適用于城市地質調查的有效手段，在今后的城市勘探中，可重點使用。

以上是我們在《北海海岸帶陸海統籌綜合地質調查》勘查項目工作中的部分成果，整體項目尚未完成。事關北海市的發展，提前公諸于眾，希望能引起高度重視，建立科學有序的城市地下空間開發利用機制，合理利用資源。

致謝：在數據采集、野外工作及論文撰寫時，得到劉云禎老師、金榮杰老師、廣西壯族自治區地球物理勘察院領導和各位同事的大力幫助、支持、付出及耐心指導，感謝他們的寶貴意見；感謝中國地質調查局武漢地質調查中心對《北海海岸帶陸海統籌綜合地質調查-陸域物探》的資助與支持，在此一致表示感謝！