微动技术在中深部地质勘探中的应用研究

2021-02-14贾慧涛王子豪蔡向阳徐子桥

安徽地质 2021年4期

贾慧涛，王子豪，蔡向阳，徐子桥

（安徽省地球物理地球化学勘查技术院，安徽合肥 230022）

0 引言

随着人类社会的发展，生存空间和资源日益紧缺，所以只能“上下求索”。星际探索早已提上日程，虽然取得了一定的成果，但是种种举措仍处于理论阶段，可以作为长期的目标，却不能解燃眉之急；地下拥有广阔的空间和丰富的资源，这是目前研究的热点。城市地下空间的开发利用有效地解决了交通、生活等诸多难题，但是浅部资源基本开发殆尽，中深部资源勘探成了全球资源勘探的重点、难点。

地质雷达、浅震、高密度、瞬变等常规物探技术在浅部勘探中应用良好，却难以满足中深部勘探的需求。而可控源音频大地电磁法、地震、磁法、重力等为深部勘探中常用的手段，也存在一些缺陷，例如电磁法存在电磁干扰、重力在深部不能满足高精度探测需求、地震需要强大震源危险且成本高昂等等，所以新的物探手段——微动勘探技术，成了目前地勘行业研究、应用的热点。微动勘探技术采集天然源信号，不受电磁干扰、绿色环保，分辨率高、探测范围大、经济高效，在城镇等人口密集区有着传统物探手段不可比拟的优势。它不仅在浅部勘探中优势明显，在进行中深部勘探时，其勘探精度、异常识别能力也比传统物探方法更好。

安徽省地球物理地球化学勘查技术院基于2016年安徽省国土资源科技项目组建了微动研究团队，在Capon（1969）[3]和Tokimatsu（1992）[4]等人对微动技术中高分辨率频率-波数谱法研究的基础上，对微动信号滤波及波数域极值点拾取算法进行了改进创新，改善了传统频率-波数法因能量分散难以提取频散曲线的问题，能够更准确地提取微动面波频散曲线，进而测算出更精确的速度结构[5]。本文通过对地热资源、矿产资源勘探的几个应用案例，对微动勘探技术在中深部地质勘探中的应用效果进行探讨。

1 微动勘探理论

微动是地球表面无论何时何地都存在的微弱震动。其信号源主要分为两类：一是由自然运动引起的频率低于1Hz的长波微动，常用于深部目标探测；二是由人类活动产生的频率高于1Hz的常时微动，常用于浅部精细结构调查[6～7]。微动勘探技术是指利用面波的频散特性，从微动信号中求取面波频散，然后对频散曲线进行反演得到地下不同深度对应的视剪切波速度，从而区分地层及构造的地球物理探测方法[8]。

微动数据采集一般采用多道拾震器组成的分布式台阵方式进行，各道拾震器通过卫星同步授时，截取相同时间段的数据进行处理[9,10]。计算面波频散常用的方法有SPAC 法和F-K 法，本文采用在F-K 法基础上改进的高分辨率频率-波数法。

目前常用的微动数据处理方法是针对微动信号中的垂直分量进行计算。面波能量是微动信号能量主要组成部分[11]。面波中只有瑞雷面波具有垂直分量，所以对微动信号垂直分量进行处理时，瑞雷面波是微动信号能量极大值，其在频率-波数谱中对应谱的极大值点。令瑞雷面波频率为fi，频率-波数谱极大值点对应的波数为ki=(kxi,kyi)，则fi所对应的面波相速度为：

假定测量台阵的拾震器有M道，将每道数据分为N段，每段长度为L，将第i和j道拾震器中第n块数据的频域信号记为Fin(f)和Fjn(f)，可得到N个频域信号，计算得第i、j道拾震器对应的互功率谱Sij(f)和自功率谱Sii(f)、Sjj(f)。K.Tokimatsu、K.Shinzawa和S.Kuwayama(1992)提出了高分辨率频率-波数谱法[3]，在处理过程中，用对互功率谱Sij(f)进行规格化，计算得到高分辨率频率-波数谱：

其中，(kx,ky)为波数k在x、y方向的分量，(xi,yi)、(xj,yj)分别为第i、j个拾震器的坐标。

其中，Qij(f,k)为矩阵exp[i(kx(xi-xj)+ky(yi-yj))]⋅Sij(f)的逆矩阵。

依次搜索得到每一个频点f在二维kx-ky平面波数谱上的极大值点位置，计算得对应的波数k，从而得到对应频率的相速度VR(f)，进而得到频散曲线。

利用计算出的瑞雷波频散曲线，通过经验公式[12]：

（其中ti为周期）计算得到视剪切波速度Vx，然后利用半波长原理，得到对应深度：H=α⋅λ/2=α⋅Vx⋅ti/2，其中α为校正系数，从相速度频散曲线得到视剪切波速度结构(Vx-H曲线)，最终获得视剪切波速度-深度剖面图，从而直观推断测点地下各层的横波速度结构以及层厚度等地层信息。

2 应用实例分析

2.1 皖北金属矿勘探

评价区仅在蒙城小涧镇附近零星出露新元古代地层，怀远县城南之涂山两侧小面积出露新太古界-下元古界五河岩群变质岩系，宏观构造为背斜，见图1。该变质岩结晶基底隆起带呈东西向，由一套太古宇中深变质岩系构成，主要受混合岩化作用影响。怀远县常坟至凤阳县刘府一带出露有上元古界至下古生界地层，其余绝大部分被第四系覆盖，厚度由数十米至上千米不等。近东西向和北东向的主断裂构造发育，次生构造为北西向、近南北向。出露的地层由老到新有：上太古界-下元古界五河岩群，青白口系八公山群，南华-震旦系宿县群，寒武系，奥陶系，侏罗系，白垩系，第四系。其中上太古界-下元古界五河岩群（Ar3Pt1W）作为结晶基底的主体在区域内广泛分布。侵入岩从基性到酸性岩均有发育，同时也是铁、金多金属矿的主要赋矿层位。

图1 测区区块基岩地质简图Figure 1.Regional bedrock geology of the surveyed area

如图2所示，根据区内磁法测量结果，切割高磁异常布设3 条微动剖面。采用重庆CDJ-2 型拾震器，主频2Hz，采用十字形台阵布设方式。经现场试验确定各采样参数：台阵半径定为0m-80m-160m，采样频率250Hz，采样时间40min。

图2 测区磁异常图及微动剖面布置示意图Figure 2.Magnetic anomaly map and layout of microtremor exploration profiles in the surveyed area

如图3所示，视剪切波速度大体上呈层状分布，浅部为低速，深部为高速，速度随深度的增加而变大。结合已知地质资料划分出三个速度层：

图3 微动视S速度-深度剖面Figure 3.Microtremor apparent transverse wave velocitydepth profile

①第一层0～80m 左右，速度范围约200～500m/s。结合地质资料，推断为第四系黏土层。

②第二层80～200m 左右，速度范围约500～800m/s。根据已知地质资料，推断为第四系砂砾层（含水）。

③第三层200～1000m，速度范围约800～2100m/s。根据已知地质资料，推断为上太古界-下元古界五河岩群基岩层。该层中又以720m 为界面，其下反映的变质岩层完整性相对较好。在1400～2200m 以及200～2000m 之间的串珠状异常推断为深部断裂构造的反映。

已经钻探验证，终孔深度640m。钻孔资料显示，第四系深度约180m，下为中基性岩体，风化严重，有较强的蚀变性，厚约50m。钻孔穿透岩体后发现，下部均为变质岩层，以片麻岩、斜长角闪岩类等岩性为主，在孔深340m、600m 左右处，岩层破碎严重，在微动剖面上表现为低速异常，可见物探推断结果与钻探验证结果吻合较好。能够识别控矿构造，对下一步矿产开发意义重大。

2.2 南京汤泉地热勘探

勘查区位于南京市浦口区，通过综合物探手段确定查区隐伏断裂的空间展布；结合已知温泉出露区查明区内的地层结构和地热流体的可能富集（区）带。为汤泉地区地下热水资源调查评价提供可靠的地球物理依据。

勘查区地表第四系广为掩盖，TC4 井揭露第四系覆盖层下分布有白垩系红层，震旦系和寒武系主要见于南部山区。查区主体充填白垩系陆向红层，构造形态为北西倾向斜坡，上覆地层为第四系。南部山区为“继承式”单斜构造，主要由震旦系和寒武系构成，倾向北西，构造线方向北东，并伏于本区红层之下。单斜构造受断裂切割影响，自南向北呈阶梯式下降。在山前塘马－杨庄－汤泉一线推断有隐伏断裂存在，并在东西两端被北北西向平移断层错断。该断裂倾向北西，倾角较陡，为逆断层，控制着地热水天然露头分布。从图4 中可见，区内存在一系列小的热泉，均在500m3/d 以下，呈北东向分布，所以推断区内北东向构造为导热构造，降水和地下水通过北西向的导水构造向下流动，经过北东向的导热构造加热之后，向上抬升，流出地表形成热泉。

图4 汤泉微动剖面布置示意图Figure 4.Layout of microtremor exploration in the Tangquan working area

采用EPS 便携式数字地震仪，宽频带0.1～100Hz，采用十字形台阵布设方式。经现场试验确定各采样参数：台阵半径定为0m-80m-160m，采样频率250Hz，采样时间40min。

如图5 所示，在12200 号点处，存在等值线明显内凹，且在深度300m 左右位置存在一块低速区域。从图4 中可知，此处有北西向构造F6，还存在北东向构造F3，是两条构造的交汇位置，故附近地层均较为破碎，呈现大范围低速异常，建议在该位置布设钻孔（R2）。目前该钻孔正在施工，设计孔深800m，已在310m 位置见热水。抽水试验结果显示，出水量大于1000m3/d。