钟 立

（广东省地质局第八地质大队，广东 梅州 514000）

在城市化加快发展的进程中，基于城市建设促使城市地质成为一门新兴学科，其主要对人类生存发展的环境进行研究。包括对城市地质结构、物质组成以及地质过程、生产实践影响等。通过开展城市地质调查工作，有利于明确城市地质条件、地质问题和地质资源，从而促使城市地质资源得到有效利用，尽可能地规避城市建设风险，更好地开发和利用资源，推动城市总体规划趋向和谐、可行、有效。

1 城市地质情况

1.1 地理信息

在当前的城市化进程高速前进的背景下，城市环境地质问题逐渐突出，比如部分地区城市遭受滑坡、泥石流、崩塌、岩溶塌陷等不利影响，从而就会导致地面沉降、土壤与地下水受到严重污染、地震频发等。尤其是在城市建设活动开展过程中，地质灾害问题则越频繁。以广东省梅州市为例，其位于闽、粤、赣三省交界处，总体地质北高南低，存在有平原、阶地、台地、丘陵以及山地五大类。而且当地水资源较为丰富，境内多年平均降雨总量251.6×108m3，多年平均径流量128.7×108m3，过境客水量127×108m3。因此当地以遭受流水切割、搬运以及综合外力风化、剥蚀地质作用为主。

1.2 地层信息

梅州市出露地层主要有新元古界震旦系、古生界寒武系、泥盆系、石炭系、二叠系、侏罗系、白垩系、第四系等。地层分布呈现西北老、东南新的特征，其中前泥盆纪地层在不同程度上具有易变质、节理裂隙发育、易碎、雨水浸泡变软、膨胀的特点。通常表土覆盖层有3～8m 的碎石土，很容易发生崩塌以及滑坡等地质灾害。同时石炭、二叠系岩石的完整性相对较好，表土层较薄，含有大量的石灰石以及煤炭等资源。另外在该市存在有40%面积的岩浆岩，主要分布在东南部地区，呈现岩基、岩株和岩脉产生、岩性多以酸性花岗岩、花岗斑岩为主，其特点为色浅、密度相对较小。通常表土风化层厚为10～20m，部分可达到50m，土层图纸较为疏松，很容易诱发滑坡、崩塌等严重地质灾害。

1.3 地质构造

本区域地质构造在总体上从东南到西北逐渐复杂，而且呈现多期叠加和符合的特征。构造形态以北东向为主，然后是北西向、南北向和东西向。并且次一级构造较多，在整体层面上呈现西北部比东南部发育。因此构造运动导致当地城市地质岩层的原始赋存状态发生改变，并且断裂构造对岩层的完整性产生了严重的破坏，致使其稳定性受到影响，其是形成地质灾害、阻碍城市地下空间有效利用的重要因素。

该地区的地下水的类型主要分为松散岩类孔隙水、碳酸盐类裂隙溶洞水、基岩裂隙水等。其中松散岩类孔隙水分布在冲洪积河谷平原以及山间盆地，含水岩性以砂、卵石为主，厚度为10～30m。碳酸盐类裂隙溶洞水多隐伏在地表下，水质相对较好，一般泉流量在1.172～115.50L/s。基岩裂隙水又分为红层裂隙水、层状岩类裂隙水和块状岩类裂隙水等，分布在各类非松散岩类中。同时因为当地矿产资源开发活动较为频繁，地质条件变化较快，对城市地质产生了很大的影响，比如水土流水、崩塌、滑坡以及地裂缝等次生地质灾害发生状况较多，并且受矿山废弃物以及废水排放的感染，很容易出现地下水和地表水污染等问题，对生态环境会产生较大的破坏。

2 常规物探方法在城市地质工作中的局限性

基于城市建设规划活动的不断开展，对城市地质调查的重要性越来越凸显。有利于探明城市地质资源，对于城市建设具有重要意义。比如对地下水、地热、浅层低温能、天然建筑材料以及渣土等资源的探查。而当前比较常用的物探方法有电法勘探、地震波勘探、重力勘探和磁法勘探等，由于城市勘查环境比较特殊，在采用常规物探方法时，存在诸多限制条件，难以发挥其优势。比如电法勘探主要是利用相应的仪器对人工或天然电场、交变电磁场进行观测，以便于分析和解释磁场特点以及规律，进而达到勘探目的[1]。但在城市地质工作中，因为周边环境存在着大量的地电干扰、杂散电流干扰等，对电法勘探的效果会产生较大的影响，难以满足城市地质勘探的要求。

应用常规地震波勘探时，一般包括地震发射波、地震折射波以及瞬态面波等方法。对于城市地下50～100m 的勘探深度来说，其往往需要借助大能量震源，比如可控连续震源、机械冲击震源等。在实际操作中这一类震源的造价相对较高，而且体积巨大、笨重，需要依靠专门的运载设备，并对交通条件要求较高[2]。同时在震源工作时，也会对冲击点的地面产生损伤，可能会导致严重的城市环境污染等现象。

重力勘探和磁法勘探在城市环境下的开展，则会受到车流、人流以及复杂交通的影响，难以发挥实际勘探优势虽然能够比较准确地获得地下岩性、深度等信息，但在勘探中会产生较大的噪声，无法广泛开展在城市地质工作，因此应用常规物探方法具有较大的缺陷和局限性，在此情况下，为充分保障地质调查的准确性和高效性，当前多采用微动勘探技术。

3 微动勘探技术在城市地质工作中的应用

3.1 微动勘探技术工作原理

微动是一种没有特定震源的微弱振动，在地表的任何时间和地点，都能够保持一定的振幅。在应用中对于微动震源的划分，通常包含有人类活动以及自然场。其中人类活动是指利用机械振动、道路交通等，该震源会产生频率大于1Hz 的高频信号源，被称为常时微动。而自然场主要是依靠海浪对海岸的撞击、河水流动、风、雨、气压变化等，其产生低于1Hz的低频信号源，被称为长波微动。当震源与台阵的距离相对较近时，微动波场包括体波和面波，当距离相对较远时，微动波场则为面波信息。在实际工作中，主要是借助占信号能量70%的面波，利用其中含有的瑞雷波进行勘探。瑞雷波是一般会沿着地层界面进行传播，并且质点振动轨迹多为逆时针椭圆形[3]。基本性质如下：

（1）瑞雷波在不均匀的介质中出现传播，会产生一定的频散现象，当体波传播在不均匀介质中时，则是以极化群的形式出现，不会发生频散现象。这一特性是对瑞雷波信号进行提取的基础条件。

（2）城市地层的瑞雷波的相速度与横波速度较为接近，可通过计算相速度来反演估算横波速度。

（3）瑞雷波的振幅会随着深度的变化而呈现指数级衰减，对深度的影响约是一个波长左右，主要能量集中在半个波长范围。所以某个波长相速度基本等同于半个波长内各个地层的横波相速度加权平均值[4]。

3.2 微动勘探技术应用方法及步骤

在城市地质工作中对微动勘探技术的应用主要分为三个步骤，则是数据采集、频散曲线提取、频散曲线反演等。在对城市地质进行勘探时，由于面波具有散频特性，因此其微动信号具有振幅、频率随时间和空间变化的特点。不过在一定时空范围内，需要满足统计稳定性的要求，则在实践中可利用平稳随机过程进行描述。同时相比于传统的地震勘探和射线理论，因为对地震波传播速度的不同、微动震源存在不确定性，可通过微动信号中面波的相速度来对圆形观测系统阵列中台站间的空间自相关系数进行计算，无需考虑微动震源的位置以及与观测台站的距离。其被称为空间自相关法[5]。其具体实施步骤有以下几点：

（1）数据采集。基于空间自相关法的应用，可从微动信号的垂直分量中提取相应的面波频散曲线，并观察系统台站沿着圆周的布置情况，应当确保在圆周上等间隔布置至少3个观测点，并在圆心布置一个台站，以便于组成圆形观测系统。此时圆形阵列的半径被称为观测半径，对微动探测深度具有决定性作用。一般情况下是保证探测深度在观测半径的3～5 倍，中心点的点距在2m左右。

（2）提取频散曲线。在城市地质工作中，利用空间自相关法对频散曲线进行提取的主要步骤是根据实测记录，将其分为多个数据段，再将干扰较大的数据段进行剔除，然后有效提取有待分析的频率成分。其后是对各个频率分别计算中心接收点与不同圆周上各点的空间自相关系数，同时进行方向平均。最后对不同观测半径的空间自相关系数进行拟合，以得到相应的频散曲线。

（3）反演频散曲线。这一过程与主动源面波大致相同，即是从微动面波中提取频散曲线，可对其进行反演，有利于准确获得横波速度结构。随着城市的不断发展，其地下构筑物越来越复杂，对地层结构会产生相应的影响，因此通过频散曲线反演能够推断出地层范围，对城市建设起到指导作用。

3.3 微动勘探技术应用优势

在城市地质工作中应用微动勘探技术最为明显的优势，则是能够体现有效性和便捷性。这是由于微动勘探是利用自然界以及人类活动所产生的振动，从中能够获取面波的频散特性，从而更有效地推动地下速度结构。因此其是利用环境噪声来减少人工震源所带来的不便性，由此微动勘探技术在城市复杂环境中仍能对地质条件进行有效勘探，不仅不会受到市区交通的影响，而且还能够提供比较丰富的高频信号源。同时微动勘探无需人工操作来激发震源，对周围环境不会产生任何的影响，只需在测试阶段，通过时间较短的交通管控则能够最大限度地避免环境污染。同时，根据面波频散曲线来推断地层横波速度结构，其具有速度小、分辨率较高的特点。而且在城市地质工作中应用微动勘探技术可适当与少量钻孔相结合，以此更为准确地获得城市地下构造的二维剖面。另外一方面，在应用微动勘探技术时，面波对地层横向的速度变化较为敏感，对地下孤石的勘探具有一定优势。此外微动勘探技术与人工震源相比较而言，微动技术的主要成分是低频振动。通过利用具有较好低频特性的数据采集系统，则能够有效地加大勘探深度，可延伸到地下3000m。

除此之外，微动勘探技术还能够实现智能性，即是按照天然源微动勘探的特点，研发相关软件和硬件，对其编程调试进行优化，可实施智能微动勘探技术，可在采集过程中直接得到面波频散曲线。在城市地质调查中，能够改善微动波形记录的现状，在数据采集过程中改善了人工控制的弊端，通过在线实时显示勘探的面波频散曲线，从而确保城市地质数据采集具有实效性，进一步提高勘探效率，有利于节省城市勘探作业空间，适宜活动的有序开展。

4 微动勘探技术在城市地质综合应用中的效果

根据梅州市畲江镇某钻孔地层揭露，其地层分布主要为砂砾石、粘土双层土体、层状较软变质岩组、红层岩组、较硬碎屑岩组等，抗风化能力较差，其风化所形成的地表土层厚度最大可达到50m 以上，含砂量较大。在本区城市地质勘探中，根据勘探区内存在高压线以及交通道路等环境现状，决定采用微动勘探技术，共布置3个测点，采用10个1Hz拾震计，按照最小边长为16m 布置是三个嵌套式等边三角形，采样间隔为10m，采集时长20min。同时为保障信噪比得到提高，确保信号质量，采用挖坑埋置拾震计的方式进行勘探。通过比对微动勘探结构以及钻孔资料，发现频散曲线上的拐点较为明确，分层清除，在66.5～83.6m 之间出现低速层，与钻孔资料所标注的构造破碎带相一致。该测点的深度为450m，是三角形台阵的最大边长的7倍。对于200m较浅地层进行地质调查，则是采用最小边长为8m 的台阵，有效地降低了场地要求，并节省了布点时间，有效提高工作效率。

通过上述应用操作，其取得效果如下：

（1）利用微动勘探技术进行城市地质工作，重新建立本区内的岩石地层层序，并厘定了断裂构造体系以及判定活动性断裂构造。根据历史地震的记载，对可能发生地震的“潜在震源区”进行合理圈定，有利于评价地壳的稳定性。

（2）建立先进的实时在线监测网络，并开展地面沉降机理研究，有效地完善了城市地质预测预报数学模型，保证同步模拟和预测，更有效地寻找地面沉降防治方法。

（3）查明城市地下水的分布情况，为三维地下水流和一维固耦合数值模型奠定基础，保证水流场与地面沉降可得到同步模拟和预测，对城市地下水的可开采量进行准确估算，为城市建设提供合理依据。

（4）对城市各类地基持力层以及脆弱土层等进行空间分布调查和力学特性分析，并结合相关工程的实际监测数据，对城市建筑物的适宜性和稳定性进行良好评价。

（5）根据微动勘探技术的实施结果，有效掌握各类地层的构造和发展规律，为城市生态环境治理提供参考和依据。并能够实现城市建设工程预警预报，提高实用性价值。

5 结束语

综上所述，微动勘探技术在当前城市地质工作中，其是一种不可获取的新型勘探方法，对城市地质调查以及城市建设规划具有积极作用。同时结合地理信息以及遥感技术等，对城市地质和矿产资源进行归纳划分，利用微动勘探的数据采集、频散曲线以及反演等，构建完善的城市地质数据库，保障其综合应用具有实效性，以此为城市发展和矿产资源总体规划建设奠定坚实的基础，提高城市地质工作水平。