刘 博 徐富文 王 鹏

（1、湖北省地质局第一地质大队，湖北 大冶 435100 2、水利部长江勘测技术研究所，湖北 武汉 430014）

微动为地球表面随时随地都存在一种天然的微弱振动，主要由人类的日常活动以及各种自然现象所产生。微动是一种由体波和面波组成的复杂振动，其中面波能量占微动信号总能量的70%以上。微动勘探就是以上述微弱振动作为震源的一种地球物理勘探方法，该方法主要观测天然源微动信号并采用数据处理与分析技术提取面波频散信息，通过反演技术获得地质体横波速度结构以实现勘探目的。

微动勘探方法应用较早，20 世纪50 年代，Aki(1957)利用空间自相关法从微动信号中提取面波频散曲线估测地层结构。1957 年和1969 年，Aki 和Capon 分别运用空间自相关法(SPAC法)和频率-波数法(F-K 法)从微动信号中提取出面波并提取面波频散曲线。1993 年Ling 和Okada 发展出了基于不规则台阵的拓展空间自相关(ESPAC)[1]。

1986 年，王振东将微动的空间自相关法引入中国。近年来徐佩芬、刘永勤等在煤矿陷落柱、土石混合滑坡体、暗浜、地铁地下空洞、孤石等浅部不良地质体探测方面取得了良好的效果，随着国内技术理论及应用研究的不断深入，微动勘探方法在未来有着广阔的应用前景。

1 方法原理

面波是沿着介质表面传播的一种地震波，它只存在于界面附近，面波分为瑞雷波（R 波）和勒夫波（L 波），通常情况下面波一般指瑞雷波，瑞雷波的能量非常强，且沿地表传播方向衰减很慢，在不均匀介质中传播时发生频散现象，不同的频率分量以不同的速度传播，即不同频率的面波相速度不同，具有明显的频散特性。

空间自相关法（SPAC 法）是一种通过布设观测台阵获取微动信号、从微动信号的垂直分量中提取瑞雷波相速度频散曲线的数据处理方法[2]，瑞雷波频散曲线的反演可估算介质S 波速度结构，在勘察过程中，可结合地质体S 波速度特征对地质体进行分层。

2 工作方法

微动勘探工作流程主要分4 步：（1）数据采集；（2）频散曲线提取；（3）频散曲线反演；（4）成果解译。

2.1 数据采集

空间自相关法需要布设圆形观测台阵，基本观测台阵由4台仪器组成，布设在半径为r 的圆周上，圆周上等间距布设3台，圆心布设1 台，也可使用7 台仪器组成二重观测台阵（图1），同理可使用10 台仪器组成三重观测台阵等。台阵观测半径r 决定了探测深度，探测深度一般为观测半径的3-5 倍。

图1 空间自相关法圆形观测台阵布设示意图

2.2 频散曲线提取

空间自相关法对采集的微动信号进行以下处理：（1）将实测数据按时间序列分成若干段，剔除干扰明显数据；（2）将各数据段通过中心频率不同的窄带滤波器，分别提取各个频率成分；（3）计算中心测点与圆周上各测点间的空间自相关系数；（4）拟合第1类0 阶贝塞尔函数，求出相速度并获得相速度频散曲线[3]。

2.3 频散曲线反演

目前频散曲线的反演与主动源面波视S 波速度反演一样，主要分为近似反演和定量反演，在对地质体波速及分层情况未知的情况下，近似反演运用的比较广泛，该方法建立在理想的均匀介质中勘探深度为波长的一半、瑞雷波的速度代表着半波长深度以上介质的平均速度的概念之上，通过不同深度介质平均速度的计算，来划分不同层的平均速度及深度，由（1）式计算层速度。

式中：Vrn和Vrn-1分别为地面至第n 层和第n-1 层深度内的平均速度，Vxn为第i 层的波速。

定量反演较为常用的为最小二乘法，该方法将层状介质中的非线性频散方程进行线性化，利用频散曲线的拐点分层初步确定初始模型同时反演出横波速度和地层厚度。

2.4 成果解译

成果解释主要在二维视横波速度剖面上进行，如有收集钻孔资料，可首先将钻孔柱状图叠加到Vx 剖面相应位置，以标定岩性层及其深度，并据此总结工区内各岩性层对应的视横波速度范围，以此作为二维微动剖面追踪、解释岩性层的依据。对于无钻孔资料的工区，可根据工区填土、粘土、基岩等剪切波速度经验值来分层，通常在基岩面中较陡立的低速区域通常为破碎带或断层的反应，水平的带状低速异常通常为软弱夹层、断层泥或局部风化破碎发育区反应。

3 应用案例

3.1 项目概况

武汉轨道交通5 号线得胜桥路司门口站－昙华林站区间钻孔显示岩溶十分发育，其中2-K29 钻孔有溶洞发育，本次微动勘探工作在已知钻孔2-K29 上开展实验工作，同时评价2-K29钻孔至2-K31 钻孔周边范围基岩面的大致埋深及起伏情况，为该区段后期施工设计提供参考。根据现场施工条件，布设了2条不规则微动剖面，均由6 个点组成，分别编号为L1、L2，剖面长分别为116 米、112 米（图2）。

图2 实际材料图

3.2 工作方法技术

数据采集采用WD-1 型智能微动勘探仪，该仪器智能化程度较高，在野外数据采集的过程中实时显示面波频散曲线，检波器布置采用规则嵌套三角形台阵（三重观测台阵）,最小三角形边长1m，最大三角形边长为4m（观测半径r=2.31m）（图3），使用的检波器为2HZ 主频，接收道数为10 道，采样间隔为5ms，采样时要求采样时间大于20 分钟，当频散曲线形态趋于稳定时，即可终止采集。

图3 嵌套三角形台阵布置图

3.3 成果解译

3.3.1 单点反演成果分析

对野外数据进行处理，对测点频散曲线的拐点进行人为分层，以此作为初始模型，运用最小二乘法进行反演分层，与已知钻孔对比，可以看出，2-K29 钻孔揭露的溶洞在频散曲线反演结果上有明显的低速显示（图4），2-K31 钻孔素填土与黏土、黏土与黏土夹碎石、黏土夹碎石与灰岩界面划分的十分准确，特别是软弱夹层中速度明显降低（图5）。

图4 1-4 号测点单点频散波速反演分层与2-K29 钻孔成果对比图

图5 2-6 号测点单点频散波速反演分层与2-K31 钻孔成果对比图

3.3.2 剖面成果解译

L1 剖面近似垂直于得胜桥路，穿过2-K29 钻孔，测点多分布在密集的小区里。剖面波速整体由浅到深逐渐增大，波速等值线分布凌乱，浅部深约5-10m 以浅波速多＜200m/s，推断为杂填土、素填土混淤泥质黏土，由西向东越来越厚；剖面西侧深度约7-21m、剖面东侧深度约10-24m 波速多在200-500m/s 之间，该层上部波速约200-400m/s 之间的推断为粉质黏土，下部波速400-500m/s 之间的推断为黏土；底部波速＞500m/s 的部分推断为基岩（灰岩），基岩面埋深约在21m-23m 之间（图6）。

图6 L1 线微动勘探Vx 剖面成果图

L2 剖面位于得胜桥路北侧，与道路斜交，穿过2-K31 钻孔，测点多分布在密集的小区里，2-6 号点在面波速度等值线图中2-K31 钻孔进行对比，地质分层与速度分层十分吻合，该点埋深15-20m 段黏土层中出现一波速值在500m/s 左右的高速带，一直向南延伸至2-2 号点，推断为黏土层。剖面埋深20m 上下出现一条速度值约在200-350m/s 之间的相对低速带，推断为黏土夹碎石，基岩面埋深约22-23m（图7）。

图7 L2 线微动勘探Vx 剖面成果图

4 结论

4.1 适用于场地复杂，建筑物密集、钻探施工无法开展的狭小空间开展工作。

4.2 不受电磁干扰，对环境无破坏，野外施工高效便捷。

4.3 探测深度可随台阵的半径不同而不同，浅部2.31m 小半径台阵探测深度可达25 米，有效探测深度可达台阵半径的10倍，浅部探测分辨率高，对基岩界面能够十分准确的划分；

4.4 对地层的横向速度变化敏感，对水平的带状分布的软弱夹层有明显的显示，对岩溶发育区亦有很好的探测效果。