微動勘探方法技術研究及其應用

盛勇，賈慧濤，劉楊

（安徽省地球物理地球化學勘查技術院， 安徽 合肥 230001）

0 引言

微動是地球表面何時何地都存在的微弱震動，沒有特定震源，其振幅和形態隨時空變化而變化，在一定時空范圍內又具有統計穩定性，可用時間和空間上的穩定隨機過程來描述[1]。微動的信號來源主要有兩種，分別為頻率高于1Hz的人類活動和頻率低于1Hz的自然活動。微動信號中包含了信號源、傳播路徑及地下結構的信息，面波是其主要能量組成部分，占總能量的70%以上（Tokoz and Lacoss，1968）。

微動勘探方法是以平穩隨機過程理論為依據，從微動信號中提取面波（瑞雷波）頻散曲線，通過對頻散曲線的反演得到地下介質的橫波速度結構，從而進行巖性分層及構造分析的地球物理勘探方法。早在1887年，英國數學物理學家瑞雷（Rayleigh）預言了均勻半空間中存在一種振幅沿縱向呈指數衰減的彈性波，后來人們從天然地震記錄中證實了這種波，并稱之為瑞雷面波。隨著研究的深入，于20世紀50年代初，人們又發現瑞雷面波在層狀介質中具有頻散特性，當時Haskell首先用矩陣方法計算了層狀介質中瑞雷面波的頻散曲線，這就是利用瑞雷面波勘查地層結構的理論基礎。1957年和1969年，Aki和Capon分別用空間自相關法(SPAC法)和頻率一波數法(F-K法)，從微動信號中提取出了面波，進而求出面波頻散曲線。Okada（1994,2003)、凌蘇群（1994）等對空間自相關法進行了改進，將擴展的空間自相關法應用到不同觀測半徑的多重陣列中，提高了數據處理的效率，從而使微動探測技術由理論走向了實際應用。2001年，美國內華達州立大學John N.Louie提出折射微動信號處理的新方法折射微動（REMI），使一維新型排列微動信號的處理成為可能。2014年，Céline Davy、Guilhem Barruol等在西南印度洋通過微動和海底水聲觀測成功追蹤大洋風暴。2016年，M Iodice、J Muggleton等通過多道面波分析方法結合FK法，檢測瀝青中的垂直裂縫，效果較好。2017年，Zhiqu Lu、Glenn V.Wilson等使用高頻表面波的多通道分析方法實現了土壤磐成像。1986年，王振東將微動探測技術介紹至國內。1992年，冉偉彥等利用長波微動法在北京花鄉公園成功探測出熱儲層。2004，2007年，葉太蘭、何正勤等在北京等地進行了微動探測，為北京的地熱開發提供了3km深度以上的速度結構，為確定地熱鉆孔提供了依據。2012年，徐佩芬等在江蘇多個地方深層地熱勘探中探測隱伏斷層、尋找深層地熱儲水構造，并成功打出地熱水。研究表明微動剖面技術可有效探測隱伏斷裂構造（熱水通道），間接探測地熱，同時單點微動測深可提供主要地層分層、埋藏深度等重要信息，為地熱井位選址提供重要信息。

微動勘探從微動信號中提取面波（瑞雷波）頻散曲線，通過對頻散曲線反演獲得地下介質的S波速度結構，進而探查地質構造。常用的提取面波頻散曲線的方法有頻率-波數法和空間自相關法，因實際工作中地形、環境等情況復雜，可以進行不規則布陣測量的頻率-波數法更利于野外施工。本文系統地研究了國內外頻率-波數法微動探測技術的發展，在K.Tokimatsu （1992）研究基礎上，結合地熱勘探實際，在保證其淺層分辨率的基礎上拓展勘探深度。通過與鉆探資料比較證實：微動探測技術對斷層破碎帶、含水層導致的低速區非常敏感，勘探效果明顯。下面結合微動勘探地熱資源勘查的實例，來介紹微動技術的理論、方法及應用效果。

1 微動技術

1.1 微動理論

微動信號中的面波包含瑞雷波（Rayleigh wave）和勒夫波（Love wave），其中勒夫波沒有垂直分量，所以對三分量信號中垂直分量做處理時，可以認為是對基階瑞雷波的處理。假定在微動信號垂直分量中，瑞雷面波相對占優勢，則其在頻率-波數譜中與最大值點相對應。設瑞雷面波頻率為fi，F-K譜最大值點對應的波數為ki=(kxi,kyi)，則對應于fi的面波相速度為

假定有M道拾震器，以長度L將每道數據分為N段，記第i和j道拾震器中第n塊數據的頻域信號為Fin(f)和Fjn(f)，得到N個頻域信號，求得到第i、j拾震器對應的自功率譜Sii(f)、Sjj(f)和互功率譜Sij(f)。K.Tokimatsu、K. Shinzawa 和S. Kuwayama(1992)提出了高分辨率頻率-波數譜法[5]，即在處理時，用對互功率譜Sij(f)進行規格化，進而得到高分辨率頻率-波數譜：

其中，(xi，yi)、(xj,yj)分別為第i、j個拾震器的坐標，(kx,ky)為波數k在x、y方向的分量。

其中，Qi=(f,k)為矩陣exp[i(kx(xi-xj)+ky(yi-yj))]·Sij(f)的逆矩陣。

找到每一個頻率f在二維波數kx-ky平面上的高分辨率頻率—波數譜的極大值點位置，求得對應的波數k，進而求得對應頻率的相速度VR(f)。

從實測微動信號中提取出瑞雷波頻散曲線后，用經驗公式:

（其中ti為周期）直接計算視S波速度Vx，通過半波長原理，計算探測深度：H=λ/2=Vx.ti/2，將相速度頻散曲線（Vr～f曲線）轉換成視S波速度Vx隨深度的變化曲線(Vx～H曲線)，再通過插值光滑計算，最終獲得視S波速度-深度剖面圖。

根據實測面波頻散曲線，通過遺傳算法優化目標函數的反演，擬合得到測點地下各層的橫波速度以及層厚度等地層信息。

1.2 微動數據處理

微動數據處理分為預處理、提取頻散曲線和計算速度結構，最終用視S波速度深度剖面圖描述處理結果。本文所使用的軟件為自主編制了高分辨率頻率-波數法處理軟件Micro-SWP，能夠實現同步時間信號截取、面波頻散曲線提取、V-H速度結構計算、繪制視S波速度-深度剖面圖等功能(圖1)。

1.3 微動數據采集系統

本文所采用的微動數據采集系統主要由拾震器、數據采集器兩部分組成。使用的重慶地質儀器廠生產的CDJ-S2C-2型三分量拾震器和項目組自主研發的MicroGS微動數據采集器(圖2)。

微動勘探中，一般選擇三重圓形臺陣單點測量：每一重同心圓的圓周上呈等邊三角形布設3個臺站，圓心處設一個臺站（圖3）。每次測量時，10個臺站同時觀測、記錄數據（如圖4）。

實際生產中，采用二維微動剖面測量方式布設臺陣，如圖5。在完成第一個臺陣測量后，部分臺站不需要移動仍可用于后續測量；減少儀器搬動，可提高工作效率。

2 微動勘探地熱應用實例

選取合肥某公園一處地熱勘田作為查區，區內為第四系覆蓋，斷裂構造發育，地層產狀總體走向為近東西，傾向北東，傾角10°～20°。據以往資料，實驗區內除斷裂構造含水外，白堊系上統張橋組（K2z）為主要含水層，該地層巖性為中、細粒砂巖，鈣質砂巖夾砂質泥巖。

表1 數據采集器參數指標Table 1 Microtremor survey data Collector Parameter Indexes

圖5 微動剖面測量示意圖Figure 5. Schematic diagram of microtremor section measurement

圖2 微動數據采集系統Figure 2. Microtremor data acquisition system

圖1 微動軟件界面Figure 1 Microtremor survey Software Interface

圖3 一重圓形臺陣示意圖Figure 3. Schematic diagram of a circular array

圖4 三重圓形臺陣觀測系統示意圖Figure 4. Schematic diagram of triple circular array observation system

2.1 剖面布置及測量參數

微動勘探剖面平行于以往的物探工作剖面，近似垂直于斷層F（如圖6所示）。采樣頻率250Hz，測量時長30～60min，采用三重圓形臺陣，臺陣半徑為50m～100m～200m，點距86m，測點7個。

2.2 數據處理

2.2.1 波數譜與頻散曲線

圖6 微動勘探工作位置布置示意圖Figure 6. Schematic diagram of working position layout for microtremor survey

圖7為1號點3.234Hz時的頻率波數譜，取波數譜極大值對應的波數計算該頻率對應的相速度，對應波數k=0.0589，相速度V=345.34m/s；圖8為1號點頻散曲線。

2.2.2 速度結構與視S波速度剖面

依上述方法，計算剖面中7個點的頻散曲線，通過經驗公式(4)計算視S波速度Vx,i，從而得到視S波速度隨深度變化的剖面圖(圖9)，以判斷地下介質結構。

2.3 應用效果分析

如圖10中所示，存在串軸狀的三個低速異常，推斷由斷層引起，而從圖6中可見，測區內存在斷層F。因微動剖面受斷層影響，將測區內鉆孔ZK1平行于F投影到微動剖面上，投影位置在剖面5號點和6號點之間。在圖10視S波速度剖面上5-6號點，400～500m之間存在低速異常，推斷此處為含水構造。而在實測鉆孔ZK1中（見表2），在400～500m之間為中生界白堊系下統新莊組的含水地層，剛好與剖面圖中的低速異常相吻合。且各速度層與鉆孔中的地層深度基本一致。

3 結論

地熱資源的開發利用具有巨大的經濟和社會價值，通常會優先考慮城鎮等人口密集區。傳統物探手段大地電磁、CSAMT容易受到電磁干擾，人工地震對城市建筑安全和環境帶來危害。微動勘探技術觀測方便、無需人工源、不受電磁干擾，是城市地熱資源勘探的理想選擇。通過合肥某公園勘探實例可見微動勘探效果顯著：地層界面清晰，破碎帶等構造明顯，含水層與低速異常有顯著的對應關系。利用微動勘探對層狀地熱田進行界面分層，識別構造是切實可行的。

圖7 1號點3.234Hz時的頻率波數譜Figure 7. Frequency wave number spectrum at 3.234Hz for point 1

圖8 1號點頻散曲線Figure 8. Frequency dispersion curve of point 1

圖9 1號點S波速度結構Figure 9. Velocity structure of S-wave at point 1

微動項技術可實現無損勘探，對環境友好，符合綠色勘探理念；數據分布式采集，操作方便，經濟高效；同時抗干擾能力強，適用于人口密集區；對異常敏感，探測效果好；且探測深度范圍大，對淺部和深部信息均可識別。在地熱資源勘查及城市建設中有很好的推廣前景。

圖10 視S波速度剖面與鉆孔對比圖Figure 10. Comparison between apparent S-wave velocity profile and borehole

表2 該公園ZK1鉆孔地層簡表Table 2. Stratigraphic profile of borehole ZK1 in the park

盡管如此，微動技術的觀測系統和數據處理還有很大的提升空間，對地熱構造的正演模擬和反演方法的改進可有效提高解釋的精度和可信度。