孫 康

(西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，四川成都 611756)

1 地脈動(dòng)勘探技術(shù)

地下采空區(qū)的存在是當(dāng)今工程建設(shè)中的一大難題，威脅著采空區(qū)上部路基、橋基及隧道等工程建設(shè)的施工安全和運(yùn)營安全。同時(shí)，礦區(qū)地下隱伏采空區(qū)極大的限制了采礦業(yè)的發(fā)展，隨著礦井開采范圍的延拓與加深，坍塌事故的發(fā)生幾率也在逐步提升，因此無論工程建設(shè)還是采礦工程計(jì)劃執(zhí)行都需要有效查明地下采空區(qū)展布范圍。目前世界各國地下采空區(qū)探測主要利用地球物理探測方法，其中地脈動(dòng)勘探是地下采空區(qū)勘探的常用技術(shù)。地脈動(dòng)勘探是被動(dòng)源探測法的一種，地脈動(dòng)信號(hào)是指地球近表面各種頻率的微小振動(dòng)集合，雖然在天然地震研究中一般稱之為背景噪聲，但地脈動(dòng)信號(hào)中包含了豐富的地質(zhì)信息，能夠有效探測地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)。地脈動(dòng)勘探相較于傳統(tǒng)地震勘探方法，其具有無需人工震源輔助、受環(huán)境影響小的優(yōu)勢[1-2]。

2 技術(shù)原理

地脈動(dòng)信號(hào)組成成分主要是體波(P波和S波)、面波(Rayleigh波和Love波)，其能量約占總能量的70%，在進(jìn)行地脈動(dòng)探測時(shí)一般利用信號(hào)中的瑞利面波成分，通過一定排列的地震臺(tái)陣記錄地脈動(dòng)信號(hào)，并利用空間自相關(guān)方法提取其瑞利面波頻散曲線進(jìn)行反演獲得該場地的橫波(S波)速度結(jié)構(gòu)[3]。

空間自相關(guān)理論由Aki于1956年首先提出，后經(jīng)多個(gè)學(xué)者發(fā)展并完善，其基本理論是假設(shè)地脈動(dòng)信號(hào)為關(guān)于時(shí)間與空間位置的平穩(wěn)隨機(jī)過程。在這一假設(shè)之下，對(duì)于相對(duì)距離為的2個(gè)地震觀測臺(tái)站(檢波器)記錄到的地脈動(dòng)信號(hào)，將信號(hào)進(jìn)行方位平均后可以利用零階貝塞爾函數(shù)近似空間自相關(guān)系數(shù)的計(jì)算[4]。

自相關(guān)系數(shù)按式(1)、式(2)計(jì)算：

(1)

(2)

3 實(shí)例應(yīng)用

本章主要以福建省某礦場地下采空區(qū)塌陷區(qū)調(diào)查項(xiàng)目為例，從實(shí)際應(yīng)用的角度出發(fā)介紹地脈動(dòng)法在地下采空區(qū)探測中的數(shù)據(jù)采集及處理方法。

3.1 場地概況及物探工作布置

該礦區(qū)受早期采礦活動(dòng)影響，在標(biāo)段的83線-87線間地表發(fā)生局部塌陷，為保證礦山開采活動(dòng)的安全，擬對(duì)塌陷區(qū)開展地球物理勘查，目的在于查明塌陷所在區(qū)域的采空區(qū)平面分布范圍及空間展布特征。該區(qū)域?qū)匍}西山地博平嶺山脈的中段山嶺地帶，地貌上屬構(gòu)造侵蝕地形，地形較復(fù)雜，主要為山嶺及部分丘陵、谷地。礦區(qū)位于龍巖盆地東南部中低山區(qū)，山巒連綿起伏，“V”形溝谷發(fā)育，屬侵蝕中低山地貌類型。其東西兩側(cè)由泥盆系南靖群淺變質(zhì)巖和花崗巖體組成的近南北向分水嶺，礦區(qū)處于分水嶺至河谷過渡地帶，侵蝕作用顯著，地形切割強(qiáng)烈，大體呈北東向(圖1)。

圖1 現(xiàn)場照片

勘探區(qū)地形起伏較大，物探工作設(shè)計(jì)測線與已有地質(zhì)勘探線平行，測線大致與地形等高線平行，為盡量減小地形影響，兼顧質(zhì)量及效率，本次微動(dòng)探測臺(tái)站排列選用直線型，臺(tái)陣排列方向與測線重合,為保障勘探精度，采用的微動(dòng)儀器的頻帶范圍為0.05～230 Hz，工作參數(shù)臺(tái)站間距設(shè)置為20 m，采樣率1 000，每個(gè)點(diǎn)有效同步觀測時(shí)長不少于30 min，每條測線布設(shè)29個(gè)觀測臺(tái)站，場地概況及測線分布如圖2所示。

3.2 數(shù)據(jù)處理

對(duì)地脈動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)的處理大體可分為4個(gè)部分：預(yù)處理、空間自相關(guān)計(jì)算、提取頻散曲線和地層橫波速度結(jié)構(gòu)反演。

3.2.1 預(yù)處理

地脈動(dòng)信號(hào)也叫微動(dòng)信號(hào)振動(dòng)，周圍出現(xiàn)人類的日常活動(dòng)、環(huán)境因素等都會(huì)對(duì)信號(hào)造成干擾，導(dǎo)致觀測數(shù)據(jù)中包含很多干擾信息。因此，在進(jìn)行自相關(guān)計(jì)算前需要對(duì)采集到的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。預(yù)處理就是對(duì)采集到的信號(hào)在使用之前進(jìn)行先一步處理，從而提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，否則提取頻散曲線的結(jié)果會(huì)出現(xiàn)異常。

圖3 某臺(tái)站記錄垂直分量地脈動(dòng)信號(hào)

圖3為本次探測工作中某臺(tái)站所觀測的3 h信號(hào)記錄，采樣間隔為5 ms,采樣點(diǎn)數(shù)為2 293 459。圖中可以看到在2:41—2:50段及5:45—5:53段出現(xiàn)極高幅值信號(hào)，這可能受周邊環(huán)境強(qiáng)震動(dòng)事件影響，因此信號(hào)預(yù)處理時(shí)需要將異常值剔除。同時(shí)還需對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行趨勢項(xiàng)消除，趨勢項(xiàng)就是由于放大器隨溫度變化產(chǎn)生的零點(diǎn)漂移、傳感器頻率范圍外低頻性能的不穩(wěn)定以及傳感器周圍的環(huán)境干擾等，導(dǎo)致偏離基線的整個(gè)過程。

3.2.2 空間自相關(guān)計(jì)算與頻散曲線提取

由于本次探測工作采用直線型陣列布設(shè)臺(tái)站進(jìn)行觀測，因此需要對(duì)同一測線上所有臺(tái)站進(jìn)行兩兩互相關(guān)計(jì)算，在將原始觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理后，選擇合適的信號(hào)窗口利用第2小節(jié)中的方法進(jìn)行空間自相關(guān)計(jì)算得到相應(yīng)的自相關(guān)系數(shù)，即每條測線應(yīng)計(jì)算得到406條自相關(guān)系數(shù)曲線。

圖4(a)為測線Line4的臺(tái)站1與臺(tái)站20進(jìn)行自相關(guān)計(jì)算后得到的自相關(guān)系數(shù)曲線，圖中信號(hào)的噪點(diǎn)尖峰依然存在，因此需要對(duì)該曲線進(jìn)行平滑處理。此外，實(shí)際有效探測深度與可分辨的頻帶有關(guān)，從圖4(a)中可以看出在35 Hz之后，自相關(guān)系數(shù)曲線幅值整體較平穩(wěn)，因此本條曲線的有效頻帶大致為1～35 Hz，頻散曲線的頻率也在這個(gè)范圍內(nèi)。

對(duì)該曲線進(jìn)行波形平滑與振幅補(bǔ)償后得到圖4(b)所示的自相關(guān)系數(shù)曲線。因?yàn)轭l散曲線對(duì)應(yīng)的相速度可以通過拾取頻率域自相關(guān)系數(shù)曲線極值點(diǎn)確定，將多個(gè)相速度-頻率點(diǎn)進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，即可得到相應(yīng)臺(tái)站的速度頻散曲線。重復(fù)上述步驟就能得到整條測線的頻散曲線族。

圖4 Q1-Q20臺(tái)站自相關(guān)曲線

圖5給出了測線Line4中Q2臺(tái)站與Q3-Q29臺(tái)站的自相關(guān)系數(shù)曲線提取的實(shí)際觀測頻散點(diǎn)即總體的5次多項(xiàng)式擬合頻散曲線，圖中方形點(diǎn)即為通過拾取自相關(guān)系數(shù)曲線的波峰或波谷值得到的頻率-相速度對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)。

圖5 實(shí)際觀測頻散點(diǎn)及其多項(xiàng)式擬合

3.2.3 地層橫波速度結(jié)構(gòu)反演

數(shù)據(jù)處理的最后一步是通過頻散曲線來進(jìn)行場地視橫波速度結(jié)構(gòu)反演，Aki等[5]的研究已經(jīng)證明了瑞利面波速度頻散是橫波(S波)速度、縱波(P波)速度、層厚度以及密度的函數(shù)，其中縱波(P波)速度與密度對(duì)面波速度頻散的影響不大，故而不將其作為主要因素考慮。面波速度頻散對(duì)橫波(S波)速度最為敏感，因此工程上一般采用地層橫波(S波)速度結(jié)構(gòu)來進(jìn)行工程場地的評(píng)價(jià)。

為了獲得比較真實(shí)的橫波速度結(jié)構(gòu)，可以在實(shí)測頻散曲線的基礎(chǔ)上進(jìn)行地層結(jié)構(gòu)的反演即微動(dòng)面波頻散曲線的反演?；痉囱菟悸啡鐖D6所示，其中橫波速度反演初始模型可利用半波長法對(duì)頻散曲線求取測深獲得。最后通過插值、光滑計(jì)算，獲得真實(shí)的地層橫波速度結(jié)構(gòu)剖面。

圖6 頻散曲線反演流程

圖7給出了測線中某段平均頻散曲線通過半波長法相速度和相應(yīng)的反演橫波(S波)速度隨深度變化曲線，地下介質(zhì)從松散的覆蓋層到較完整的基巖，波速也應(yīng)由低速到高速，圖中埋深20 m左右2條曲線的速度值均發(fā)生驟降，證明此處可能為塌陷區(qū)或采空區(qū)，2條速度曲線中橫波速度變化更為明顯，說明橫波速度結(jié)構(gòu)對(duì)地下介質(zhì)的變化更為敏感。

圖7 視橫波速度/相速度-深度

3.3 物探成果解譯

微動(dòng)探測數(shù)據(jù)反演得到的橫波速度(剪切波速度)和下伏巖土層的巖性、密度、含水飽和度等物性性質(zhì)有密切關(guān)系。巖土層越完整，其剪切波速度越大；巖土層越破碎，其剪切波速度越小。巖土層橫向變化可根據(jù)微動(dòng)反演斷面剪切波速度橫向等值線趨勢判斷，橫向等值線趨勢越平緩，巖土層橫向越均勻；橫向等值趨勢越跳躍，巖土層橫向變化越大。

在剖面上，如果剪切波速度等值線密集帶或橫向斜率突變帶，說明在該處兩側(cè)存在不同地質(zhì)體，往往是不同速度地層的分界處或斷裂帶；在推斷斷裂時(shí)，低速顯示區(qū)范圍廣，剪切波速度值低，很可能為斷裂破碎嚴(yán)重區(qū)。在資料分析中，判別異常區(qū)(即本次工程應(yīng)用中的采空區(qū)塌陷區(qū))主要是根據(jù)剪切波速度值變化及相對(duì)值、等值線的形態(tài)等綜合因素考慮的。

圖8展示了本次探測工作中Line4測線段的橫波速度剖面及相應(yīng)物探解譯，剖面整體趨勢為上部為橫波速度低速區(qū)域，橫波速度范圍值為100～350 m/s，物探推測為覆蓋層(碎石含量越高，橫波波速值越小)；中部為相對(duì)低速區(qū)域，橫波速度范圍值為350～750 m/s，物探推測為較破碎基巖；底部為高速區(qū)域，橫波速度范圍值為750～2 000 m/s，物探推測為相對(duì)完整基巖。剖面從左至右低速層(相對(duì)破碎巖體)厚度逐漸減小，與地質(zhì)界線趨勢相符。Line4剖面中部(100～300 m范圍)出現(xiàn)等值線下凹區(qū)域，說明該區(qū)域可能存在更大的采空區(qū)或其他地質(zhì)變化情況。

圖8 測線Line4橫波速度剖面及物探解譯

物探推測采空區(qū)為等值線下凹或等值線閉合的低阻區(qū)域。采空區(qū)的波速特征為相對(duì)低速，橫波波速變化值范圍大概在500～700 m/s之間。依據(jù)反演成果圖，結(jié)合整個(gè)測區(qū)的地質(zhì)資料進(jìn)行綜合解釋，解釋結(jié)果如表1所示，即可推測出采空區(qū)的大致位置。

4 結(jié)束語

本文以福建省某礦場地下采空區(qū)塌陷區(qū)地脈動(dòng)法調(diào)查項(xiàng)目為例，詳細(xì)介紹了地微動(dòng)法的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理流程和方法，并通過測線速度剖面圖對(duì)地下介質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行物探解

表1 物探異常位置(推測采空區(qū))分布 單位：m

譯，由于橫波波速對(duì)地下介質(zhì)的敏感性高，證明了地脈動(dòng)測試法對(duì)宏觀判別波速差異較大的不同巖性分布、巖體完整性分析、基巖面覆蓋層厚度、斷裂破碎帶的空間分布特征方面有較好效果。