孙 康

(西南交通大学地球科学与环境工程学院，四川成都 611756)

1 地脉动勘探技术

地下采空区的存在是当今工程建设中的一大难题，威胁着采空区上部路基、桥基及隧道等工程建设的施工安全和运营安全。同时，矿区地下隐伏采空区极大的限制了采矿业的发展，随着矿井开采范围的延拓与加深，坍塌事故的发生几率也在逐步提升，因此无论工程建设还是采矿工程计划执行都需要有效查明地下采空区展布范围。目前世界各国地下采空区探测主要利用地球物理探测方法，其中地脉动勘探是地下采空区勘探的常用技术。地脉动勘探是被动源探测法的一种，地脉动信号是指地球近表面各种频率的微小振动集合，虽然在天然地震研究中一般称之为背景噪声，但地脉动信号中包含了丰富的地质信息，能够有效探测地下地质结构。地脉动勘探相较于传统地震勘探方法，其具有无需人工震源辅助、受环境影响小的优势[1-2]。

2 技术原理

地脉动信号组成成分主要是体波(P波和S波)、面波(Rayleigh波和Love波)，其能量约占总能量的70%，在进行地脉动探测时一般利用信号中的瑞利面波成分，通过一定排列的地震台阵记录地脉动信号，并利用空间自相关方法提取其瑞利面波频散曲线进行反演获得该场地的横波(S波)速度结构[3]。

空间自相关理论由Aki于1956年首先提出，后经多个学者发展并完善，其基本理论是假设地脉动信号为关于时间与空间位置的平稳随机过程。在这一假设之下，对于相对距离为的2个地震观测台站(检波器)记录到的地脉动信号，将信号进行方位平均后可以利用零阶贝塞尔函数近似空间自相关系数的计算[4]。

自相关系数按式(1)、式(2)计算：

(1)

(2)

3 实例应用

本章主要以福建省某矿场地下采空区塌陷区调查项目为例，从实际应用的角度出发介绍地脉动法在地下采空区探测中的数据采集及处理方法。

3.1 场地概况及物探工作布置

该矿区受早期采矿活动影响，在标段的83线-87线间地表发生局部塌陷，为保证矿山开采活动的安全，拟对塌陷区开展地球物理勘查，目的在于查明塌陷所在区域的采空区平面分布范围及空间展布特征。该区域属闽西山地博平岭山脉的中段山岭地带，地貌上属构造侵蚀地形，地形较复杂，主要为山岭及部分丘陵、谷地。矿区位于龙岩盆地东南部中低山区，山峦连绵起伏，“V”形沟谷发育，属侵蚀中低山地貌类型。其东西两侧由泥盆系南靖群浅变质岩和花岗岩体组成的近南北向分水岭，矿区处于分水岭至河谷过渡地带，侵蚀作用显著，地形切割强烈，大体呈北东向(图1)。

图1 现场照片

勘探区地形起伏较大，物探工作设计测线与已有地质勘探线平行，测线大致与地形等高线平行，为尽量减小地形影响，兼顾质量及效率，本次微动探测台站排列选用直线型，台阵排列方向与测线重合,为保障勘探精度，采用的微动仪器的频带范围为0.05～230 Hz，工作参数台站间距设置为20 m，采样率1 000，每个点有效同步观测时长不少于30 min，每条测线布设29个观测台站，场地概况及测线分布如图2所示。

3.2 数据处理

对地脉动信号数据的处理大体可分为4个部分：预处理、空间自相关计算、提取频散曲线和地层横波速度结构反演。

3.2.1 预处理

地脉动信号也叫微动信号振动，周围出现人类的日常活动、环境因素等都会对信号造成干扰，导致观测数据中包含很多干扰信息。因此，在进行自相关计算前需要对采集到的观测数据进行预处理。预处理就是对采集到的信号在使用之前进行先一步处理，从而提高数据的准确性，否则提取频散曲线的结果会出现异常。

图3 某台站记录垂直分量地脉动信号

图3为本次探测工作中某台站所观测的3 h信号记录，采样间隔为5 ms,采样点数为2 293 459。图中可以看到在2:41—2:50段及5:45—5:53段出现极高幅值信号，这可能受周边环境强震动事件影响，因此信号预处理时需要将异常值剔除。同时还需对原始信号进行趋势项消除，趋势项就是由于放大器随温度变化产生的零点漂移、传感器频率范围外低频性能的不稳定以及传感器周围的环境干扰等，导致偏离基线的整个过程。

3.2.2 空间自相关计算与频散曲线提取

由于本次探测工作采用直线型阵列布设台站进行观测，因此需要对同一测线上所有台站进行两两互相关计算，在将原始观测数据进行预处理后，选择合适的信号窗口利用第2小节中的方法进行空间自相关计算得到相应的自相关系数，即每条测线应计算得到406条自相关系数曲线。

图4(a)为测线Line4的台站1与台站20进行自相关计算后得到的自相关系数曲线，图中信号的噪点尖峰依然存在，因此需要对该曲线进行平滑处理。此外，实际有效探测深度与可分辨的频带有关，从图4(a)中可以看出在35 Hz之后，自相关系数曲线幅值整体较平稳，因此本条曲线的有效频带大致为1～35 Hz，频散曲线的频率也在这个范围内。

对该曲线进行波形平滑与振幅补偿后得到图4(b)所示的自相关系数曲线。因为频散曲线对应的相速度可以通过拾取频率域自相关系数曲线极值点确定，将多个相速度-频率点进行多项式拟合，即可得到相应台站的速度频散曲线。重复上述步骤就能得到整条测线的频散曲线族。

图4 Q1-Q20台站自相关曲线

图5给出了测线Line4中Q2台站与Q3-Q29台站的自相关系数曲线提取的实际观测频散点即总体的5次多项式拟合频散曲线，图中方形点即为通过拾取自相关系数曲线的波峰或波谷值得到的频率-相速度对应数据。

图5 实际观测频散点及其多项式拟合

3.2.3 地层横波速度结构反演

数据处理的最后一步是通过频散曲线来进行场地视横波速度结构反演，Aki等[5]的研究已经证明了瑞利面波速度频散是横波(S波)速度、纵波(P波)速度、层厚度以及密度的函数，其中纵波(P波)速度与密度对面波速度频散的影响不大，故而不将其作为主要因素考虑。面波速度频散对横波(S波)速度最为敏感，因此工程上一般采用地层横波(S波)速度结构来进行工程场地的评价。

为了获得比较真实的横波速度结构，可以在实测频散曲线的基础上进行地层结构的反演即微动面波频散曲线的反演。基本反演思路如图6所示，其中横波速度反演初始模型可利用半波长法对频散曲线求取测深获得。最后通过插值、光滑计算，获得真实的地层横波速度结构剖面。

图6 频散曲线反演流程

图7给出了测线中某段平均频散曲线通过半波长法相速度和相应的反演横波(S波)速度随深度变化曲线，地下介质从松散的覆盖层到较完整的基岩，波速也应由低速到高速，图中埋深20 m左右2条曲线的速度值均发生骤降，证明此处可能为塌陷区或采空区，2条速度曲线中横波速度变化更为明显，说明横波速度结构对地下介质的变化更为敏感。

图7 视横波速度/相速度-深度

3.3 物探成果解译

微动探测数据反演得到的横波速度(剪切波速度)和下伏岩土层的岩性、密度、含水饱和度等物性性质有密切关系。岩土层越完整，其剪切波速度越大；岩土层越破碎，其剪切波速度越小。岩土层横向变化可根据微动反演断面剪切波速度横向等值线趋势判断，横向等值线趋势越平缓，岩土层横向越均匀；横向等值趋势越跳跃，岩土层横向变化越大。

在剖面上，如果剪切波速度等值线密集带或横向斜率突变带，说明在该处两侧存在不同地质体，往往是不同速度地层的分界处或断裂带；在推断断裂时，低速显示区范围广，剪切波速度值低，很可能为断裂破碎严重区。在资料分析中，判别异常区(即本次工程应用中的采空区塌陷区)主要是根据剪切波速度值变化及相对值、等值线的形态等综合因素考虑的。

图8展示了本次探测工作中Line4测线段的横波速度剖面及相应物探解译，剖面整体趋势为上部为横波速度低速区域，横波速度范围值为100～350 m/s，物探推测为覆盖层(碎石含量越高，横波波速值越小)；中部为相对低速区域，横波速度范围值为350～750 m/s，物探推测为较破碎基岩；底部为高速区域，横波速度范围值为750～2 000 m/s，物探推测为相对完整基岩。剖面从左至右低速层(相对破碎岩体)厚度逐渐减小，与地质界线趋势相符。Line4剖面中部(100～300 m范围)出现等值线下凹区域，说明该区域可能存在更大的采空区或其他地质变化情况。

图8 测线Line4横波速度剖面及物探解译

物探推测采空区为等值线下凹或等值线闭合的低阻区域。采空区的波速特征为相对低速，横波波速变化值范围大概在500～700 m/s之间。依据反演成果图，结合整个测区的地质资料进行综合解释，解释结果如表1所示，即可推测出采空区的大致位置。

4 结束语

本文以福建省某矿场地下采空区塌陷区地脉动法调查项目为例，详细介绍了地微动法的数据采集和数据处理流程和方法，并通过测线速度剖面图对地下介质结构进行物探解

表1 物探异常位置(推测采空区)分布 单位：m

译，由于横波波速对地下介质的敏感性高，证明了地脉动测试法对宏观判别波速差异较大的不同岩性分布、岩体完整性分析、基岩面覆盖层厚度、断裂破碎带的空间分布特征方面有较好效果。