物探新技術(shù)微動探測技術(shù)介紹王洪

1、物探新技術(shù)微動探測技術(shù)介紹王 洪( 貴州省有色地質(zhì)和核工業(yè)地質(zhì)勘查局物化探總隊，貴州都勻558000)摘 要微動探測技術(shù)是中國科學(xué)院地質(zhì)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(chǔ)上研究發(fā)展的一種探測新技術(shù)，并率先應(yīng)用于國內(nèi)多個勘探領(lǐng)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(guān)法提取其瑞雷面波頻散曲線，經(jīng)反演獲取 S 波速度結(jié)構(gòu)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(dāng)前仍存在一定的局限，但其顯示的優(yōu)越性表明該技術(shù)是一種很有前景的新技術(shù)。關(guān)鍵詞微動探測; 瑞雷面波; 反演; 地層波速結(jié)構(gòu); 測深中圖分類號P631 文獻(xiàn)標(biāo)識碼A 文章

2、編號1000 5943( 2013) 01 0075 032012 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(xué)院地質(zhì)與地球物理研究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?zé)釘鄬? Mapping deeply buried geothermal faults using microtremor array analysis. Geophysical JournalInternational. 2012，188 ( 1) : 115 122) 的論文，該文例舉了用微動探測方法在江蘇吳江地?zé)峋贿x址上的成功應(yīng)用。實測結(jié)果表明

3、，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)1。這一方法為探測深部隱伏地?zé)針?gòu)造開拓了一條新的技術(shù)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(zhì)勘察( 鐵路、地鐵、城市地質(zhì)調(diào)查) 等多個領(lǐng)域提供了一種新技術(shù)。1 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( The Microtremor Survey Method，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(guān)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(jié)構(gòu)的地球物理探測方法。該方法曾廣泛應(yīng)圖1 江蘇吳江地?zé)峋贿x址微動視S波

4、速度剖面Fig. 1Microtremor S wave speed in geothermalwell in Wujiang of Jiangsu用于地震構(gòu)造探測及場地穩(wěn)定性評價等方面，應(yīng)用領(lǐng)域很有限。徐佩芬等近年來在傳統(tǒng)微動測深收稿日期2012 12 12作者簡介王洪( 1967) ，男，湖南雙峰人，物探高級工程師，碩士，長期從事地物化研究工作。76貴州地質(zhì)2013 年 30 卷的基礎(chǔ)上研究發(fā)展了微動剖面探測技術(shù)，并率先應(yīng)用于國內(nèi)多個勘探領(lǐng)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(shù)的微動理論早年由美國地球物理學(xué)家 Aki( 1957) 和 Capon( 1969) 提出2。2 工作

5、原理和方法技術(shù)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(guān)，新生界、中生界、古生界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( 從幾百 m/s 至幾千 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，它的振幅很小( 微米量級) ，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(fù)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空間自相關(guān)( SAC) 法和頻率 波數(shù)( F K) 法來獲取和處理分析面波。2. 2. 1空間自相關(guān)法2. 2

6、. 1. 1野外工作方法空間自相關(guān)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(shè)在半徑為 r 的圓周上，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(yīng)盡量多布設(shè)拾震器。2. 2. 1. 2數(shù)據(jù)處理方法空間自相關(guān)法主要是在時間域進(jìn)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(jìn)行窄帶濾波處理，求出不同頻率的空間自相關(guān)系 ，此空間自相關(guān)系數(shù)實際是面波頻率成份 f 及空間坐標(biāo)的函數(shù)，也就說，它不但與頻率有關(guān)，還與拾震器的位置有關(guān)。從形態(tài)上看，實測空間自相關(guān)曲線應(yīng)是近似于零階貝塞爾函數(shù)曲線

7、，通過它來求取“效正值”，再加入空間坐標(biāo)參數(shù)就可以提取各個頻點的相速度，據(jù)以畫出相速度頻散曲線，進(jìn)而進(jìn)行地質(zhì)分層。2. 2. 2頻率 波數(shù)法2. 2. 2. 1野外工作方法頻率波數(shù)法可以采取隨機(jī)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(yīng)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 波數(shù)法，也可使用空間自相關(guān)法提取面波。2. 2. 2. 2數(shù)據(jù)處理方法頻率波數(shù)方法是在頻率域進(jìn)行面波提取的一種方法，首先對野外所采集的

8、數(shù)據(jù)，通過付氏變換對原始數(shù)據(jù)進(jìn)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，此功率譜只是與空間坐標(biāo)的單值函數(shù)，所以可以比較方便地求出相速度 頻散曲線，進(jìn)行地質(zhì)分層。頻率波數(shù)法比空間自相關(guān)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。缺點是頻率波數(shù)法野外所需的拾震器的數(shù)量比空間自相關(guān)法要求的多，數(shù)據(jù)處理的工作量也相應(yīng)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(nèi)接正三角形。將多個微動觀測儀分

9、別設(shè)置在兩個圓的心與圓周上的內(nèi)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(guān)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。2. 3. 2測線勘查形式第 1 期王洪: 物探新技術(shù)微動探測技術(shù)介紹77當(dāng)需要進(jìn)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(nèi)，根據(jù)一定的間距來設(shè)置測線，達(dá)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(jié)構(gòu)。如果這種方式的勘查能夠結(jié)合鉆孔或者其他相關(guān)的一些地質(zhì)資料，有利于利用速度異常區(qū)域進(jìn)行地質(zhì)解釋。2. 3.

10、3平面探查形式平面探查用于精細(xì)的勘探。當(dāng)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(dá)到圈出速度異常體或者面的目的。2. 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 500 mv/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 20 80 db，內(nèi)部噪聲小于 10 uv，無明顯零漂; A/D 均獨立工作，滿足同步采樣，轉(zhuǎn)換位數(shù) 12 20 位，采樣間隔 20 200 ms，記錄長度無限。2. 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

11、致獲取 100 6 000 m 波長的面波信號，探測深度可達(dá) 3 000 m。分辨率主要由受目的層與上、下地層速度差及層厚的影響3。3 方法的優(yōu)越性( 1) 不需要笨重的人工能源。( 2) 測點布設(shè)比較靈活。( 3) 不受電磁及噪聲干擾影響，探測深度大，效果好。4 方法的局限性和今后改進(jìn)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(jié)果其實是代表了直徑約一公里圓內(nèi)范圍的平均物性結(jié)果，并不是圓內(nèi)某個點的局部地質(zhì)信息。理論上認(rèn)為在這個圓的范圍內(nèi)，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(shè)的前提下推導(dǎo)出來的，只有符合條件

12、，計算結(jié)果才相對準(zhǔn)確。而在自然界中，各時代地層由于構(gòu)造( 如褶皺、斷裂) 較為復(fù)雜，常常不能滿足這個( 一維) 假設(shè)，人們事先又不能發(fā)現(xiàn)，所以物探的推斷解釋結(jié)果也是有出入的。( 2) 觀測系統(tǒng)有待改進(jìn)。現(xiàn)在的觀測系統(tǒng)是用多條導(dǎo)線使各拾震器和記錄儀相連接，這樣不但布線麻煩，導(dǎo)線容易受損，而且又是一種干擾。( 3) 數(shù)據(jù)處理方法有待改進(jìn)。如采用自回歸模型( AR 模型) 和遺傳算法等。5 結(jié)語人類活動范圍越來越大，高壓線、電纜、各類管道、地下建筑等分布廣泛，采用電磁及地震類等物探手段時往往受到嚴(yán)重干擾，難以取得令人滿意的效果，微動探測方法則不受電磁等干擾影響，而且探測深度大，雖然目前還有一定的局限

13、性，但仍是一種很有前景的新技術(shù)。參考文獻(xiàn)1 徐佩芬 . Mapping deeply buried geothermal faults using microtremor array analysis. Geophysical Journal International.2012，188( 1) : 115 122.2 科技與成果轉(zhuǎn)化處 . GJI: 微動技術(shù)探測深層隱伏地?zé)針?gòu)造R. 2012 03 20 中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所 .3 冉偉彥，丁連靖 . 大地面波( 微動) 測深在地?zé)峥辈橹械膽?yīng)用A/ /大慶: 全國油區(qū)城鎮(zhèn)地?zé)衢_發(fā)利用經(jīng)驗交流會C. 2003: 340 36.( 下轉(zhuǎn)

14、第 60 頁)60貴州地質(zhì)2013 年 30 卷K 值有許多優(yōu)點，其優(yōu)點是十分明顯的，其一是準(zhǔn)確性，各坐標(biāo)值來源于測區(qū)控制測量、測網(wǎng)測量，坐標(biāo)值真實的反應(yīng)剖面地形，所求得的 K 值就是實際工作的 K 值; 其二是實用性，此方法不僅可以降低地形對 K 值的影響，更重要的是實用于常規(guī)電法勘探的任意裝置，即規(guī)則裝置、非規(guī)則裝置、電極位移等都可根據(jù)實際坐標(biāo)值求得準(zhǔn)確的 K 值; 其三是普遍性，相對于傳統(tǒng)方法只適用于水平、單一地形中，該方法適用于任何復(fù)雜地形; 其四是簡捷性，此方法在室內(nèi)處理數(shù)據(jù)時，只需要導(dǎo)入各測點坐標(biāo)值，填入到計算模板中即可求得 K 值，處理過程簡單快捷、易于操作。應(yīng)用電極點坐標(biāo)參數(shù)值

15、求 K 值是順應(yīng)時代發(fā)展的迫切需求產(chǎn)生的。這種方法相對于傳統(tǒng)方法的諸多優(yōu)勢，讓筆者有理由相信這種方法在貴州礦區(qū)的廣泛應(yīng)用是科技進(jìn)步與時代發(fā)展的必然。參考文獻(xiàn)1 劉國興 . 電法勘探原理與方法M. 北京: 地質(zhì)出版社，2005.2 貴州省地礦局 102 地質(zhì)大隊 . 貴州省從江縣那哥鉛鋅礦西礦段電法勘探報告R. 2010.3 貴州省地礦局 102 地質(zhì)大隊 . 貴州省從江縣平忙鉛鋅多金屬礦區(qū)電法勘探報告 R. 2011.Improvement of Calculation Method Based on Electrode Array Coefficient K of Two Resistivi

16、tiesPENG Hong jun，ZHANG Ying wen，DAI Di，MA Qiang，DAI Can yi( Geologic Party 106，Guizhou Bureau of Geology Mineral Exploration and Development，Zunyi 563003，Guizhou，China)Abstract The calculation is complex and has abundant quantity when K value is adjusted by conventional method By use electrode coor

17、dinate parameter，space analytic geometry and Excel computing platform，it makes adjustment of K value which changes for electrode displacement and topographic relief This method is accurate，simple，connivent，fast and easy to do，its very useful for electrical prospecting in the mountain areaKey wordsK

18、value; coordinate; topography; surface distance; actual distance; resistivity( 上接第 77 頁)A New Geophysical Technology: Microtremor Survey TechnologyWANG Hong( Geophysical and Geochemical Exploration Party，Guizhou Nonferrous Metals Geological Exploration Bureau，Duyun，Guizhou 558000，Guizhou，China)Abstract Microtremor survey technology is a new survey technology which developed on the basis of traditional microtremor depth sounding by Do