分析微動勘探技術在城市地質工作中的應用

鐘 立

（廣東省地質局第八地質大隊，廣東 梅州 514000）

在城市化加快發展的進程中，基于城市建設促使城市地質成為一門新興學科，其主要對人類生存發展的環境進行研究。包括對城市地質結構、物質組成以及地質過程、生產實踐影響等。通過開展城市地質調查工作，有利于明確城市地質條件、地質問題和地質資源，從而促使城市地質資源得到有效利用，盡可能地規避城市建設風險，更好地開發和利用資源，推動城市總體規劃趨向和諧、可行、有效。

1 城市地質情況

1.1 地理信息

在當前的城市化進程高速前進的背景下，城市環境地質問題逐漸突出，比如部分地區城市遭受滑坡、泥石流、崩塌、巖溶塌陷等不利影響，從而就會導致地面沉降、土壤與地下水受到嚴重污染、地震頻發等。尤其是在城市建設活動開展過程中，地質災害問題則越頻繁。以廣東省梅州市為例，其位于閩、粵、贛三省交界處，總體地質北高南低，存在有平原、階地、臺地、丘陵以及山地五大類。而且當地水資源較為豐富，境內多年平均降雨總量251.6×108m3，多年平均徑流量128.7×108m3，過境客水量127×108m3。因此當地以遭受流水切割、搬運以及綜合外力風化、剝蝕地質作用為主。

1.2 地層信息

梅州市出露地層主要有新元古界震旦系、古生界寒武系、泥盆系、石炭系、二疊系、侏羅系、白堊系、第四系等。地層分布呈現西北老、東南新的特征，其中前泥盆紀地層在不同程度上具有易變質、節理裂隙發育、易碎、雨水浸泡變軟、膨脹的特點。通常表土覆蓋層有3～8m 的碎石土，很容易發生崩塌以及滑坡等地質災害。同時石炭、二疊系巖石的完整性相對較好，表土層較薄，含有大量的石灰石以及煤炭等資源。另外在該市存在有40%面積的巖漿巖，主要分布在東南部地區，呈現巖基、巖株和巖脈產生、巖性多以酸性花崗巖、花崗斑巖為主，其特點為色淺、密度相對較小。通常表土風化層厚為10～20m，部分可達到50m，土層圖紙較為疏松，很容易誘發滑坡、崩塌等嚴重地質災害。

1.3 地質構造

本區域地質構造在總體上從東南到西北逐漸復雜，而且呈現多期疊加和符合的特征。構造形態以北東向為主，然后是北西向、南北向和東西向。并且次一級構造較多，在整體層面上呈現西北部比東南部發育。因此構造運動導致當地城市地質巖層的原始賦存狀態發生改變，并且斷裂構造對巖層的完整性產生了嚴重的破壞，致使其穩定性受到影響，其是形成地質災害、阻礙城市地下空間有效利用的重要因素。

該地區的地下水的類型主要分為松散巖類孔隙水、碳酸鹽類裂隙溶洞水、基巖裂隙水等。其中松散巖類孔隙水分布在沖洪積河谷平原以及山間盆地，含水巖性以砂、卵石為主，厚度為10～30m。碳酸鹽類裂隙溶洞水多隱伏在地表下，水質相對較好，一般泉流量在1.172～115.50L/s。基巖裂隙水又分為紅層裂隙水、層狀巖類裂隙水和塊狀巖類裂隙水等，分布在各類非松散巖類中。同時因為當地礦產資源開發活動較為頻繁，地質條件變化較快，對城市地質產生了很大的影響，比如水土流水、崩塌、滑坡以及地裂縫等次生地質災害發生狀況較多，并且受礦山廢棄物以及廢水排放的感染，很容易出現地下水和地表水污染等問題，對生態環境會產生較大的破壞。

2 常規物探方法在城市地質工作中的局限性

基于城市建設規劃活動的不斷開展，對城市地質調查的重要性越來越凸顯。有利于探明城市地質資源，對于城市建設具有重要意義。比如對地下水、地熱、淺層低溫能、天然建筑材料以及渣土等資源的探查。而當前比較常用的物探方法有電法勘探、地震波勘探、重力勘探和磁法勘探等，由于城市勘查環境比較特殊，在采用常規物探方法時，存在諸多限制條件，難以發揮其優勢。比如電法勘探主要是利用相應的儀器對人工或天然電場、交變電磁場進行觀測，以便于分析和解釋磁場特點以及規律，進而達到勘探目的[1]。但在城市地質工作中，因為周邊環境存在著大量的地電干擾、雜散電流干擾等，對電法勘探的效果會產生較大的影響，難以滿足城市地質勘探的要求。

應用常規地震波勘探時，一般包括地震發射波、地震折射波以及瞬態面波等方法。對于城市地下50～100m 的勘探深度來說，其往往需要借助大能量震源，比如可控連續震源、機械沖擊震源等。在實際操作中這一類震源的造價相對較高，而且體積巨大、笨重，需要依靠專門的運載設備，并對交通條件要求較高[2]。同時在震源工作時，也會對沖擊點的地面產生損傷，可能會導致嚴重的城市環境污染等現象。

重力勘探和磁法勘探在城市環境下的開展，則會受到車流、人流以及復雜交通的影響，難以發揮實際勘探優勢雖然能夠比較準確地獲得地下巖性、深度等信息，但在勘探中會產生較大的噪聲，無法廣泛開展在城市地質工作，因此應用常規物探方法具有較大的缺陷和局限性，在此情況下，為充分保障地質調查的準確性和高效性，當前多采用微動勘探技術。

3 微動勘探技術在城市地質工作中的應用

3.1 微動勘探技術工作原理

微動是一種沒有特定震源的微弱振動，在地表的任何時間和地點，都能夠保持一定的振幅。在應用中對于微動震源的劃分，通常包含有人類活動以及自然場。其中人類活動是指利用機械振動、道路交通等，該震源會產生頻率大于1Hz 的高頻信號源，被稱為常時微動。而自然場主要是依靠海浪對海岸的撞擊、河水流動、風、雨、氣壓變化等，其產生低于1Hz的低頻信號源，被稱為長波微動。當震源與臺陣的距離相對較近時，微動波場包括體波和面波，當距離相對較遠時，微動波場則為面波信息。在實際工作中，主要是借助占信號能量70%的面波，利用其中含有的瑞雷波進行勘探。瑞雷波是一般會沿著地層界面進行傳播，并且質點振動軌跡多為逆時針橢圓形[3]。基本性質如下：

（1）瑞雷波在不均勻的介質中出現傳播，會產生一定的頻散現象，當體波傳播在不均勻介質中時，則是以極化群的形式出現，不會發生頻散現象。這一特性是對瑞雷波信號進行提取的基礎條件。

（2）城市地層的瑞雷波的相速度與橫波速度較為接近，可通過計算相速度來反演估算橫波速度。

（3）瑞雷波的振幅會隨著深度的變化而呈現指數級衰減，對深度的影響約是一個波長左右，主要能量集中在半個波長范圍。所以某個波長相速度基本等同于半個波長內各個地層的橫波相速度加權平均值[4]。

3.2 微動勘探技術應用方法及步驟

在城市地質工作中對微動勘探技術的應用主要分為三個步驟，則是數據采集、頻散曲線提取、頻散曲線反演等。在對城市地質進行勘探時，由于面波具有散頻特性，因此其微動信號具有振幅、頻率隨時間和空間變化的特點。不過在一定時空范圍內，需要滿足統計穩定性的要求，則在實踐中可利用平穩隨機過程進行描述。同時相比于傳統的地震勘探和射線理論，因為對地震波傳播速度的不同、微動震源存在不確定性，可通過微動信號中面波的相速度來對圓形觀測系統陣列中臺站間的空間自相關系數進行計算，無需考慮微動震源的位置以及與觀測臺站的距離。其被稱為空間自相關法[5]。其具體實施步驟有以下幾點：

（1）數據采集。基于空間自相關法的應用，可從微動信號的垂直分量中提取相應的面波頻散曲線，并觀察系統臺站沿著圓周的布置情況，應當確保在圓周上等間隔布置至少3個觀測點，并在圓心布置一個臺站，以便于組成圓形觀測系統。此時圓形陣列的半徑被稱為觀測半徑，對微動探測深度具有決定性作用。一般情況下是保證探測深度在觀測半徑的3～5 倍，中心點的點距在2m左右。

（2）提取頻散曲線。在城市地質工作中，利用空間自相關法對頻散曲線進行提取的主要步驟是根據實測記錄，將其分為多個數據段，再將干擾較大的數據段進行剔除，然后有效提取有待分析的頻率成分。其后是對各個頻率分別計算中心接收點與不同圓周上各點的空間自相關系數，同時進行方向平均。最后對不同觀測半徑的空間自相關系數進行擬合，以得到相應的頻散曲線。

（3）反演頻散曲線。這一過程與主動源面波大致相同，即是從微動面波中提取頻散曲線，可對其進行反演，有利于準確獲得橫波速度結構。隨著城市的不斷發展，其地下構筑物越來越復雜，對地層結構會產生相應的影響，因此通過頻散曲線反演能夠推斷出地層范圍，對城市建設起到指導作用。

3.3 微動勘探技術應用優勢

在城市地質工作中應用微動勘探技術最為明顯的優勢，則是能夠體現有效性和便捷性。這是由于微動勘探是利用自然界以及人類活動所產生的振動，從中能夠獲取面波的頻散特性，從而更有效地推動地下速度結構。因此其是利用環境噪聲來減少人工震源所帶來的不便性，由此微動勘探技術在城市復雜環境中仍能對地質條件進行有效勘探，不僅不會受到市區交通的影響，而且還能夠提供比較豐富的高頻信號源。同時微動勘探無需人工操作來激發震源，對周圍環境不會產生任何的影響，只需在測試階段，通過時間較短的交通管控則能夠最大限度地避免環境污染。同時，根據面波頻散曲線來推斷地層橫波速度結構，其具有速度小、分辨率較高的特點。而且在城市地質工作中應用微動勘探技術可適當與少量鉆孔相結合，以此更為準確地獲得城市地下構造的二維剖面。另外一方面，在應用微動勘探技術時，面波對地層橫向的速度變化較為敏感，對地下孤石的勘探具有一定優勢。此外微動勘探技術與人工震源相比較而言，微動技術的主要成分是低頻振動。通過利用具有較好低頻特性的數據采集系統，則能夠有效地加大勘探深度，可延伸到地下3000m。

除此之外，微動勘探技術還能夠實現智能性，即是按照天然源微動勘探的特點，研發相關軟件和硬件，對其編程調試進行優化，可實施智能微動勘探技術，可在采集過程中直接得到面波頻散曲線。在城市地質調查中，能夠改善微動波形記錄的現狀，在數據采集過程中改善了人工控制的弊端，通過在線實時顯示勘探的面波頻散曲線，從而確保城市地質數據采集具有實效性，進一步提高勘探效率，有利于節省城市勘探作業空間，適宜活動的有序開展。

4 微動勘探技術在城市地質綜合應用中的效果

根據梅州市畬江鎮某鉆孔地層揭露，其地層分布主要為砂礫石、粘土雙層土體、層狀較軟變質巖組、紅層巖組、較硬碎屑巖組等，抗風化能力較差，其風化所形成的地表土層厚度最大可達到50m 以上，含砂量較大。在本區城市地質勘探中，根據勘探區內存在高壓線以及交通道路等環境現狀，決定采用微動勘探技術，共布置3個測點，采用10個1Hz拾震計，按照最小邊長為16m 布置是三個嵌套式等邊三角形，采樣間隔為10m，采集時長20min。同時為保障信噪比得到提高，確保信號質量，采用挖坑埋置拾震計的方式進行勘探。通過比對微動勘探結構以及鉆孔資料，發現頻散曲線上的拐點較為明確，分層清除，在66.5～83.6m 之間出現低速層，與鉆孔資料所標注的構造破碎帶相一致。該測點的深度為450m，是三角形臺陣的最大邊長的7倍。對于200m較淺地層進行地質調查，則是采用最小邊長為8m 的臺陣，有效地降低了場地要求，并節省了布點時間，有效提高工作效率。

通過上述應用操作，其取得效果如下：

（1）利用微動勘探技術進行城市地質工作，重新建立本區內的巖石地層層序，并厘定了斷裂構造體系以及判定活動性斷裂構造。根據歷史地震的記載，對可能發生地震的“潛在震源區”進行合理圈定，有利于評價地殼的穩定性。

（2）建立先進的實時在線監測網絡，并開展地面沉降機理研究，有效地完善了城市地質預測預報數學模型，保證同步模擬和預測，更有效地尋找地面沉降防治方法。

（3）查明城市地下水的分布情況，為三維地下水流和一維固耦合數值模型奠定基礎，保證水流場與地面沉降可得到同步模擬和預測，對城市地下水的可開采量進行準確估算，為城市建設提供合理依據。

（4）對城市各類地基持力層以及脆弱土層等進行空間分布調查和力學特性分析，并結合相關工程的實際監測數據，對城市建筑物的適宜性和穩定性進行良好評價。

（5）根據微動勘探技術的實施結果，有效掌握各類地層的構造和發展規律，為城市生態環境治理提供參考和依據。并能夠實現城市建設工程預警預報，提高實用性價值。

5 結束語

綜上所述，微動勘探技術在當前城市地質工作中，其是一種不可獲取的新型勘探方法，對城市地質調查以及城市建設規劃具有積極作用。同時結合地理信息以及遙感技術等，對城市地質和礦產資源進行歸納劃分，利用微動勘探的數據采集、頻散曲線以及反演等，構建完善的城市地質數據庫，保障其綜合應用具有實效性，以此為城市發展和礦產資源總體規劃建設奠定堅實的基礎，提高城市地質工作水平。