物探新技術—微動探測技術介紹

1、4物探新技術一微動探測技術介紹摘要微動探測技術是中國科學院地質與地球物理研究所副研究員徐佩芬 博士等近年來在傳統(tǒng)微動測深的基礎上研究發(fā)展的一種探測新技術，并率先應用 于國內多個勘探領域。該方法是利用拾震器在地表接收各個方向的來波，通過空 間自相關法提取其瑞雷面波頻散曲線，經(jīng)反演獲取S波速度結構的地球物理探測 方法。該方法不受電磁及噪聲干擾影響，探測深度大，雖然當前仍存在一定的局 限，但其顯示的優(yōu)越性表明該技術是一種很有前景的新技術。關鍵詞微動探測;瑞雷面波;反演;地層波速結構;測深 2012年1月，在國際地球物理 期刊第188卷第1期115-122頁 上，發(fā)表了由中國科學院地質與地球 物理研究

2、所副研究員徐佩芬博士等 撰寫的一篇利用微動排列分析方法 測量隱伏地熱斷層的論文，該文例 舉了用微動探測方法在江蘇吳江地 熱井位選址上的成功應用。實測結果 表明，隱伏斷裂破碎帶在微動視S波 速度剖面上有明顯的低速異常顯示 (見圖1) lo這一方法為探測深部 隱伏地熱構造開拓了 一條新的技術 途徑，也為金屬礦產(chǎn)探測、煤礦陷落 柱及采空區(qū)探測、工程地質勘察(鐵 路、地鐵、城市地質調查)等多個領 域提供了一種新技術。L微動探測方法的由來地球表面無論何時何地都存在 一種天然的微弱震動，被稱為“微動“。微動探測方法圖1江蘇吳江地熱井位選址微動視S波速度剖 (TheMicrotremorSurveyMeth

3、od,簡稱 MSM)是從圓形臺陣采集的地面微動信號中通過空間自相關法提取其瑞雷面波頻散曲 線，經(jīng)反演獲取臺陣下方S波速度結構的地球物理探測方法。該方法曾廣泛應用 于地震構造探測及場地穩(wěn)定性評價等方面，應用領域很有限。徐佩芬等近年來在 傳統(tǒng)微動測深的基礎上研究發(fā)展了微動剖面探測技術，并率先應用于國內多個勘 探領域，是對傳統(tǒng)微動探測方法的繼承與創(chuàng)新。基于臺陣技術的微動理論早年由 美國地球物理學家Aki (1957)和Capon (1969)提出2。2.工作原理和方法技術2. 1工作原理微動測深的物理前提是基于不同時代沉積地層之間存在的波速差異。地層波 速與巖石密度和彈性有關，新生界、中生界、古生界

4、到中上元古界地層的波速差 異較為明顯，形成了由低到高可以識別物性界面(從兒百m/s至幾干m/s)。這種 方法利用的是地球表面無時不在的地面微小“震動”作為觀測對象，它的振幅很 ?。ㄎ⒚琢考墸?，它是由自然界中海浪、氣壓變化、人類工業(yè)及交通活動所產(chǎn)生。 它的成份較為復雜，包括有面波、體波等各種成份，其中面波占主要成份2. 2工作方法一般用頻率一空間自相關（SAC）法和頻率一波數(shù)（F-K）法來獲取和處理分析 面波。2. 2. 1空間自相關法2. 2. 1. 1野外工作方法空間自相關法是利用特殊陣形（如圓陣、棱形陣等）接收天然場源的面波，總 的原則需滿足一臺拾震器位于圓心，其它各拾震器布設在半徑為r的

5、圓周上，這 樣以便接收各個方向的來波，拾震器越多，勘探的精度越高，所以在實施過程中 應盡量多布設拾震器。2. 2. 1. 2數(shù)據(jù)處理方法空間自相關法主要是在時間域進行面波提取的一種比較簡便，實用方法。對 于野外所接收的數(shù)據(jù)首先在時間域進行窄帶濾波處理，求出不同頻率的空間自相 關系P,此空間自相關系數(shù)實際是面波頻率成份f及空間坐標的函數(shù)，也就說, 它不但與頻率有關，還與拾震器的位置有關。從形態(tài)上看，實測空間自相關曲線 應是近似于零階貝塞爾函數(shù)曲線，通過它來求取“效正值”，再加入空間坐標參 數(shù)就可以提取各個頻點的相速度，據(jù)以畫出相速度一頻散曲線，進而進行地質分 層。2. 2. 2頻率一波數(shù)法2.

6、2, 2. 1野外I作方法頻率一波數(shù)法可以采取隨機布陣的方式，對工作場地要求不高，基本上可以 做到布陣的隨意性，但它應滿足各個拾震器盡量呈平面展布，以滿足可以接收到 各個方向的來波條件。在實際勘探過程中，也可采用規(guī)則布陣，通常以一個拾振 器為中心，其它測點在周圍形成若干個邊長不等的正三角形，這樣在處理分析資 料時既可也使用頻率一波數(shù)法，也可使用空間自相關法提取面波。2. 2. 2. 2數(shù)據(jù)處理方法頻率一波數(shù)方法是在頻率域進行面波提取的一種方法，首先對野外所采集的 數(shù)據(jù)，通過付氏變換對原始數(shù)據(jù)進行帶通濾波，以便去除各種干擾信號，再通過 最大似然法等方法求取各個頻率成份的功率譜的分布圖，此功率譜只

7、是與空間坐 標的單值函數(shù)，所以可以比較方便地求出相速度一頻散曲線，進行地質分層。頻率一波數(shù)法比空間自相關的野外布陣更加靈活，并可有意地避開干擾源 （如鍋爐房、車輛較多的主干道），從而間接地提高了抗干擾能力。缺點是頻率一 波數(shù)法野外所需的拾震器的數(shù)量比空間自相關法要求的多，數(shù)據(jù)處理的工作量也 相應增加。2. 3觀測形式微動探測通常有3種形式。2. 3.1單點勘查形式觀測臺陣是單點勘探的最大特點，方陣的組成是兩個大小不一的的同心圓， 同心圓中內接正三角形。將多個微動觀測儀分別設置在兩個圓的心與圓周上的內 接正三角形的頂點處。單點勘查觀測方式最大的特點是勘查深度與臺陣的大小是 成正比關系的。如果勘查

8、要求的深度大，可以增加同心圓，使觀測臺陣的觀測點 增多。2. 3觀測形式微動探測通常有3種形式。2 . 3.1單點勘查形式觀測臺陣是單點勘探的最大特點，方陣的組成是兩個大小不一的的同心圓， 同心圓中內接正三角形。將多個微動觀測儀分別設置在兩個圓的心與圓周上的內 接正三角形的頂點處。單點勘查觀測方式最大的特點是勘查深度與臺陣的大小是 成正比關系的。如果勘查要求的深度大，可以增加同心圓，使觀測臺陣的觀測點 增多。3 . 3. 2測線勘查形式當需要進行大面積的勘查時，單點勘查就不能滿足要求。因此，為獲得s 波速度剖面成果圖，可以根據(jù)要求采用測線（剖面）觀測系統(tǒng)。具體方法是在測區(qū) 內，根據(jù)一定的間距來

9、設置測線，達到實現(xiàn)二維微動測深勘探的目的，同時能夠 反演測區(qū)三維S波速度結構。如果這種方式的勘查能夠結合鉆孔或者其他相關的 一些地質資料，有利于利用速度異常區(qū)域進行地質解釋。4 . 3.3平面探查形式平面探查用于精細的勘探。當儀器數(shù)量較多時，采用平面觀測，同時反演測 區(qū)三維S波速度體，達到圈出速度異常體或者面的目的。5 .4觀測系統(tǒng)觀測系由多個垂直擺（寬頻帶拾震器）、多通道直流放大器和數(shù)字記錄儀組 成。垂直擺的固有周期大于5秒，靈敏度大于500mv/cm/s,相位一致性良好;直 流放大器的增益為固定增益低噪聲放大器，增益范圍2080db,內部噪聲小于 10uv,無明顯零漂;A/D均獨立工作，滿

10、足同步采樣，轉換位數(shù)1220位，采樣 間隔20200ms,記錄長度無限。6 . 5方法的探測能力及分辨率利用自然界中1秒3秒周期的微動信號，可以大致獲取1006000m波長 的面波信號，探測深度可達3000m。分辨率主要由受目的層與上、下地層速度差 及層厚的影響3o7 .方法的優(yōu)越性（1）不需要笨重的人工能源。（2）測點布設比較靈活。（3）不受電磁及噪聲干擾影響，探測深度大，效果好。8 .方法的局限性和今后改進方向（1）物探測量都是一種體積勘探，即在水平方向有一個影響半徑（范圍）。某 一點的大地面波探測結果其實是代表了直徑約一公里圓內范圍的平均物性結果， 并不是圓內某個點的局部地質信息。理論上認為在這個圓的范圍內，地下各個速 度界面均近似于水平（一維），反演計算公式都是在這種假設的前提下推導出來 的，只有符合條件，計算結果才相對準確。而在自然界中，各時代地層由于構造 （如褶皺、斷裂）較為復雜，常常不能滿足這個（一維）假設，人們事先乂不能發(fā)現(xiàn), 所以物探的推斷解釋結果也是有出入的。（2）觀測系統(tǒng)有待改進?，F(xiàn)在的觀測系統(tǒng)是用多條導線使各拾震器和記錄儀 相連接，這樣不但布線麻煩，導線容易受損，而且乂是