微動勘探方法在武漢軌道交通巖溶勘察中的應用

劉 博 徐富文 王 鵬

（1、湖北省地質局第一地質大隊，湖北 大冶 435100 2、水利部長江勘測技術研究所，湖北 武漢 430014）

微動為地球表面隨時隨地都存在一種天然的微弱振動，主要由人類的日常活動以及各種自然現象所產生。微動是一種由體波和面波組成的復雜振動，其中面波能量占微動信號總能量的70%以上。微動勘探就是以上述微弱振動作為震源的一種地球物理勘探方法，該方法主要觀測天然源微動信號并采用數據處理與分析技術提取面波頻散信息，通過反演技術獲得地質體橫波速度結構以實現勘探目的。

微動勘探方法應用較早，20 世紀50 年代，Aki(1957)利用空間自相關法從微動信號中提取面波頻散曲線估測地層結構。1957 年和1969 年，Aki 和Capon 分別運用空間自相關法(SPAC法)和頻率-波數法(F-K 法)從微動信號中提取出面波并提取面波頻散曲線。1993 年Ling 和Okada 發展出了基于不規則臺陣的拓展空間自相關(ESPAC)[1]。

1986 年，王振東將微動的空間自相關法引入中國。近年來徐佩芬、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體探測方面取得了良好的效果，隨著國內技術理論及應用研究的不斷深入，微動勘探方法在未來有著廣闊的應用前景。

1 方法原理

面波是沿著介質表面傳播的一種地震波，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，且沿地表傳播方向衰減很慢，在不均勻介質中傳播時發生頻散現象，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。

空間自相關法（SPAC 法）是一種通過布設觀測臺陣獲取微動信號、從微動信號的垂直分量中提取瑞雷波相速度頻散曲線的數據處理方法[2]，瑞雷波頻散曲線的反演可估算介質S 波速度結構，在勘察過程中，可結合地質體S 波速度特征對地質體進行分層。

2 工作方法

微動勘探工作流程主要分4 步：（1）數據采集；（2）頻散曲線提取；（3）頻散曲線反演；（4）成果解譯。

2.1 數據采集

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

圖1 空間自相關法圓形觀測臺陣布設示意圖

2.2 頻散曲線提取

空間自相關法對采集的微動信號進行以下處理：（1）將實測數據按時間序列分成若干段，剔除干擾明顯數據；（2）將各數據段通過中心頻率不同的窄帶濾波器，分別提取各個頻率成分；（3）計算中心測點與圓周上各測點間的空間自相關系數；（4）擬合第1類0 階貝塞爾函數，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，在對地質體波速及分層情況未知的情況下，近似反演運用的比較廣泛，該方法建立在理想的均勻介質中勘探深度為波長的一半、瑞雷波的速度代表著半波長深度以上介質的平均速度的概念之上，通過不同深度介質平均速度的計算，來劃分不同層的平均速度及深度，由（1）式計算層速度。

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，該方法將層狀介質中的非線性頻散方程進行線性化，利用頻散曲線的拐點分層初步確定初始模型同時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 剖面相應位置，以標定巖性層及其深度，并據此總結工區內各巖性層對應的視橫波速度范圍，以此作為二維微動剖面追蹤、解釋巖性層的依據。對于無鉆孔資料的工區，可根據工區填土、粘土、基巖等剪切波速度經驗值來分層，通常在基巖面中較陡立的低速區域通常為破碎帶或斷層的反應，水平的帶狀低速異常通常為軟弱夾層、斷層泥或局部風化破碎發育區反應。

3 應用案例

3.1 項目概況

武漢軌道交通5 號線得勝橋路司門口站－曇華林站區間鉆孔顯示巖溶十分發育，其中2-K29 鉆孔有溶洞發育，本次微動勘探工作在已知鉆孔2-K29 上開展實驗工作，同時評價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，為該區段后期施工設計提供參考。根據現場施工條件，布設了2條不規則微動剖面，均由6 個點組成，分別編號為L1、L2，剖面長分別為116 米、112 米（圖2）。

圖2 實際材料圖

3.2 工作方法技術

數據采集采用WD-1 型智能微動勘探儀，該儀器智能化程度較高，在野外數據采集的過程中實時顯示面波頻散曲線，檢波器布置采用規則嵌套三角形臺陣（三重觀測臺陣）,最小三角形邊長1m，最大三角形邊長為4m（觀測半徑r=2.31m）（圖3），使用的檢波器為2HZ 主頻，接收道數為10 道，采樣間隔為5ms，采樣時要求采樣時間大于20 分鐘，當頻散曲線形態趨于穩定時，即可終止采集。

圖3 嵌套三角形臺陣布置圖

3.3 成果解譯

3.3.1 單點反演成果分析

對野外數據進行處理，對測點頻散曲線的拐點進行人為分層，以此作為初始模型，運用最小二乘法進行反演分層，與已知鉆孔對比，可以看出，2-K29 鉆孔揭露的溶洞在頻散曲線反演結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、黏土夾碎石與灰巖界面劃分的十分準確，特別是軟弱夾層中速度明顯降低（圖5）。

圖4 1-4 號測點單點頻散波速反演分層與2-K29 鉆孔成果對比圖

圖5 2-6 號測點單點頻散波速反演分層與2-K31 鉆孔成果對比圖

3.3.2 剖面成果解譯

L1 剖面近似垂直于得勝橋路，穿過2-K29 鉆孔，測點多分布在密集的小區里。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、素填土混淤泥質黏土，由西向東越來越厚；剖面西側深度約7-21m、剖面東側深度約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（灰巖），基巖面埋深約在21m-23m 之間（圖6）。

圖6 L1 線微動勘探Vx 剖面成果圖

L2 剖面位于得勝橋路北側，與道路斜交，穿過2-K31 鉆孔，測點多分布在密集的小區里，2-6 號點在面波速度等值線圖中2-K31 鉆孔進行對比，地質分層與速度分層十分吻合，該點埋深15-20m 段黏土層中出現一波速值在500m/s 左右的高速帶，一直向南延伸至2-2 號點，推斷為黏土層。剖面埋深20m 上下出現一條速度值約在200-350m/s 之間的相對低速帶，推斷為黏土夾碎石，基巖面埋深約22-23m（圖7）。

圖7 L2 線微動勘探Vx 剖面成果圖

4 結論

4.1 適用于場地復雜，建筑物密集、鉆探施工無法開展的狹小空間開展工作。

4.2 不受電磁干擾，對環境無破壞，野外施工高效便捷。

4.3 探測深度可隨臺陣的半徑不同而不同，淺部2.31m 小半徑臺陣探測深度可達25 米，有效探測深度可達臺陣半徑的10倍，淺部探測分辨率高，對基巖界面能夠十分準確的劃分；

4.4 對地層的橫向速度變化敏感，對水平的帶狀分布的軟弱夾層有明顯的顯示，對巖溶發育區亦有很好的探測效果。