鄭亞迪，殷偉偉，李 峰，丁學(xué)文，趙向佳，霍 魁，任力偉

(1.山西省地震局，山西 太原 030021；2.冀中能源邯鄲礦業(yè)集團(tuán)，河北 邯鄲 056082；3.太原大陸裂谷動(dòng)力學(xué)國家野外科學(xué)觀測研究站，山西 太原 030025)

0 引言

我國大多數(shù)煤田地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，煤礦采掘過程中會(huì)遇到斷層構(gòu)造，對(duì)安全生產(chǎn)造成威脅[1]。探明礦區(qū)隱伏斷層等地質(zhì)構(gòu)造，可防范采煤過程中因斷層造成的井巷圍巖失穩(wěn)、礦井突水等隱患，是煤礦安全生產(chǎn)的重要保障。常用的探測煤礦斷層等地質(zhì)構(gòu)造的物探方法有三維地震勘探法[2]、探地雷達(dá)法[3]、瞬變電磁法[4]和直流電法[5]等。這些方法探測深度淺，受地形影響大，受環(huán)境干擾嚴(yán)重，信噪比、分辨率低。微動(dòng)探測是應(yīng)用環(huán)境噪聲中的面波信號(hào)，研究地下速度結(jié)構(gòu)的一種技術(shù)。作為礦山勘查的一種方法，在識(shí)別煤礦隱伏斷層構(gòu)造[6]、陷落柱[7]、采空區(qū)[8]及巖性差異較大的地質(zhì)界面等方面有較好效果，不受各種場地限制，抗干擾能力強(qiáng)，可把不同的振動(dòng)源化為自身的場源[8]。該文以山西介休鑫峪溝煤礦為例，采用微動(dòng)探測方法，對(duì)研究區(qū)斷層構(gòu)造和地層分層進(jìn)行探測研究。

1 微動(dòng)探測原理

微動(dòng)本質(zhì)上是一種復(fù)雜振動(dòng)，由體波(P波、S波)和面波(瑞雷波、拉夫波)組成，垂直方向上面波的能量大，為信號(hào)總能量的70%以上[9]。微動(dòng)探測方法是從微動(dòng)信號(hào)提取瑞雷波面波的頻散曲線，通過對(duì)頻散曲線的反演，獲取地下速度結(jié)構(gòu)信息的地球物理探測方法[8]。提取微動(dòng)信號(hào)中的瑞雷波頻散曲線的常用方法有空間自相關(guān)方法(SPAC法)[10]、頻率波數(shù)法(F-K法)[11]。此次研究通過圓形臺(tái)陣進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采用空間自相關(guān)方法提取頻散曲線，反演出研究區(qū)地下視S波速度結(jié)構(gòu)。

2 山西介休鑫峪溝礦區(qū)微動(dòng)探測

2.1 測區(qū)概況

研究區(qū)位于介休市張?zhí)m鎮(zhèn)溝口村，地處華北地臺(tái)山西斷隆之沁水臺(tái)凹西緣。研究區(qū)內(nèi)地表大多被第四系全新統(tǒng)及中、上更新統(tǒng)覆蓋，中部溝谷地帶出露二疊系上統(tǒng)上石盒子組，東部、中部出露二疊系上統(tǒng)上石盒子組、二疊系下統(tǒng)下石盒子組。其中，第四系全新統(tǒng)為張澗河及主要支溝溝谷沖、洪積物，由卵石、礫石和砂土等組成，厚度0～35 m，平均厚度12 m。第四系中、上更新統(tǒng)為淺棕黃、淺棕紅色砂質(zhì)黏土，底部為厚層砂土和碎石土，厚度0～175 m，平均厚度35 m左右。區(qū)域構(gòu)造多為斷裂，褶曲不甚發(fā)育，總體上呈向北西緩傾斜的單斜構(gòu)造。存在影響區(qū)域煤層賦存和水文地質(zhì)特征的區(qū)域性斷裂構(gòu)造，如，化家窯地壘和F3正斷層。井田總體構(gòu)造為背斜，軸部位于井田東側(cè)，走向北段近NS向，南段為ES向，地層傾角一般為5°～13°，局部可達(dá)30°。斷裂構(gòu)造發(fā)育，井田構(gòu)造屬中等類型。F5正斷層位于井田中部，走向NE，傾向NW，傾角70°，落差15～20 m。通過鉆孔煤巖層對(duì)比和井巷工程控制，井田內(nèi)延伸長度2 200 m。微動(dòng)測線選定在縣道邊沿路的方向布設(shè) (見第48頁圖1)。

圖1 研究區(qū)地質(zhì)構(gòu)造及微動(dòng)探測測線布設(shè)Fig.1 Geological structure map of the study area and the layout of the microtremor survey line

2.2 微動(dòng)數(shù)據(jù)采集

此次微震探測的目的是探測洗煤廠附近的F5斷層構(gòu)造(見圖1)，分析研究區(qū)已有的工程地質(zhì)勘查資料，結(jié)合地形條件選定在縣道邊沿路方向布設(shè)測線。為便于研究微動(dòng)探測技術(shù)對(duì)斷層的探測效果，設(shè)計(jì)微動(dòng)測線1條，微動(dòng)勘探物理點(diǎn)6個(gè)，測線為NNW向，經(jīng)過F5斷層。由于礦區(qū)大型重車較多，測線一側(cè)的洗煤廠工作時(shí)會(huì)有持續(xù)較強(qiáng)震動(dòng)，現(xiàn)場人為干擾較多。采用三重圓臺(tái)陣進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，根據(jù)探測深度，經(jīng)試驗(yàn)并結(jié)合現(xiàn)場地形條件，選擇30 m、60 m、120 m半徑的三重圓形觀測臺(tái)陣(見圖2)。為適應(yīng)地形條件，探測點(diǎn)距設(shè)置為30～90 m不等的微動(dòng)剖面觀測系統(tǒng)。采用GN309微動(dòng)探測系統(tǒng)，主頻為2 Hz的垂直分量寬頻帶拾震器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集(見第49頁圖3)，采集站參數(shù)如第49頁表1所示。觀測臺(tái)陣由10個(gè)臺(tái)站組成一個(gè)探測點(diǎn)，每次觀測時(shí)間為1 h，觀測結(jié)束后將儀器移至下一探測點(diǎn)，逐點(diǎn)觀測?，F(xiàn)場采用4G數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)，確保采集到有效數(shù)據(jù)(見第49頁圖4)。

圖2 三重圓臺(tái)陣布設(shè)Fig.2 The layout of the triple circle array

圖3 GN309微動(dòng)探測系統(tǒng)儀器外觀Fig.3 Instrument appearance of GN309 microtremor survey system

圖4 數(shù)據(jù)采集過程中實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)部分界面Fig.4 Partial interface of real-time data monitoring system during data acquisition

表1 采集站參數(shù)Table 1 Acquisition station parameters

為確保采集的數(shù)據(jù)真實(shí)有效，在正式采集數(shù)據(jù)前，進(jìn)行儀器的一致性測試[9]。將所有儀器放在一起，進(jìn)行20 min的同步采集，得到的一致性測試波形記錄、計(jì)算獲得的各臺(tái)儀器功率譜、功率譜之比、相干系數(shù)和相位差如圖5、圖6 所示，所有臺(tái)站采集數(shù)據(jù)波形同步，各儀器一致性達(dá)到微動(dòng)探測要求。

圖5 儀器一致性測試部分波形Fig.5 Partial waveforms of instrument consistency test

圖6 一致性測試結(jié)果Fig.6 Conformance test results

2.3 數(shù)據(jù)處理

微動(dòng)探測數(shù)據(jù)處理，是從測點(diǎn)時(shí)序數(shù)據(jù)中提取瑞雷波頻散曲線來計(jì)算視S波速度(見圖7)，得到二維視S波速度剖面，反映地下速度結(jié)構(gòu)變化。采用上述方法從實(shí)測微動(dòng)數(shù)據(jù)中提取頻散譜，如圖8所示，頻散譜中相速度與頻率的變化特征反映出地下波速總體上與深度呈正比的趨勢。頻散譜能量分布躍變反映出地下巖性的不均勻。

圖7 微動(dòng)單點(diǎn)原始波形Fig.7 Single point original waveform of microtremor

圖8 單點(diǎn)頻散譜Fig.8 Single point dispersion spectrum

對(duì)于地下斷層的識(shí)別，只需計(jì)算剖面上S波速度的相對(duì)變化。將實(shí)際微動(dòng)信號(hào)中提取的瑞雷波頻散譜通過半波法經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行反演，得到地下視S波速度結(jié)構(gòu)信息。半波法經(jīng)驗(yàn)公式為：

式中：VS為視S波速度(m/s)；Vr為瑞雷波相速度(m/s)；ti為周期(s)，對(duì)應(yīng)的深度一般取半波長[8]。

2.4 成果資料解釋

如圖9所示，微動(dòng)探測視S波速度剖面圖從測點(diǎn)1到測點(diǎn)6的方向即為由北至南沿測線布設(shè)的方向?？梢钥闯?，從地表至埋深45～70 m左右為第一層，波速分布均勻，表明該地層較均勻、平緩，對(duì)應(yīng)地質(zhì)勘查資料，該層為第四系土層；埋深45 m～70 m至100 m左右為第二層，北側(cè)相對(duì)較薄，南側(cè)較厚，呈北低南高走勢，從第5個(gè)測點(diǎn)開始該層與向下的低速異常通道連接；埋深80 m至180 m處，存在一個(gè)高速夾層，夾層北側(cè)較致密，南側(cè)較松散，呈北低南高走勢。在北側(cè)第5個(gè)測點(diǎn)埋深80 m處，開始存在向下、向北側(cè)傾斜的低速異常通道，延伸至第3個(gè)測點(diǎn)下埋深至400多米，推測這一低速異常通道為斷層構(gòu)造發(fā)育區(qū)域。該斷層為正斷層，斷距約20 m，與礦區(qū)前期地質(zhì)勘查資料中F5斷層的位置、產(chǎn)狀、斷距等結(jié)果的顯示一致(圖9中直線為推斷構(gòu)造走向及位置)。

圖9 微動(dòng)探測視S波速度結(jié)構(gòu)Fig.9 Velocity structure of apparent S-wave in microtremor survey

3 結(jié)語

此次微動(dòng)探測通過采集礦山微震動(dòng)信號(hào)，提取面波頻散曲線，反演得到地下視S波速度結(jié)構(gòu)。探測結(jié)果表明，在測點(diǎn)下方，地層存在明顯錯(cuò)動(dòng)和低速異常通道，推測該處存在一斷距約20 m的正斷層。此次微動(dòng)探測工作抗干擾能力強(qiáng)，受場地影響小，對(duì)礦區(qū)內(nèi)的斷層勘探具有較高的分辨率，對(duì)斷層的空間位置、斷距，顯著地層分界面均有較好的反應(yīng)。此次微動(dòng)探測結(jié)果為該區(qū)域的后續(xù)開采提供參考依據(jù)。