肖 剛，羅華國(guó)，張 星

（1.甘肅省有色地質(zhì)調(diào)查院，甘肅 蘭州 730000；2.中陜核工業(yè)集團(tuán)二一一大隊(duì)有限公司，陜西 西安 710000）

目前，多項(xiàng)傳統(tǒng)物探技術(shù)在工程上取得了良好的應(yīng)用，成果包括：等值反磁通瞬變電磁法、高密度電阻率法、地質(zhì)雷達(dá)、淺層地震等［1］，這幾種方法各有技術(shù)特點(diǎn)：（1）等值反磁通瞬變電磁法受場(chǎng)地電磁環(huán)境和散落的淺埋金屬物干擾，無(wú)法在多機(jī)械、多電纜、多金屬物等干擾因素多的復(fù)雜場(chǎng)地進(jìn)行有效探測(cè)；（2）高密度電法具有野外施工方便，分辨率高、效率高的優(yōu)勢(shì)，勘探深度一般為剖面的1／4～1／6，并且嚴(yán)格要求接地電阻符合規(guī)范，場(chǎng)地硬化和建筑物遮擋等場(chǎng)地條件可能會(huì)受到使用限制；（3）地質(zhì)雷達(dá)分辨率較高，野外使用便捷，對(duì)于硬化場(chǎng)地較為實(shí)用，勘探深度較淺（3～7 m），多用于淺部空洞和病害探查；（4）淺層地震勘探也會(huì)受地質(zhì)條件所限，以及震源能量不足而導(dǎo)致勘探深度較淺，且數(shù)據(jù)采集時(shí)對(duì)場(chǎng)地周邊噪聲環(huán)境有嚴(yán)格要求，限制了其適用范圍。

微動(dòng)探測(cè)技術(shù)是一種無(wú)損傷、效果顯著的地下空間地球物理探測(cè)技術(shù)，無(wú)需人工震源激發(fā)，不受工業(yè)電磁場(chǎng)、淺層高速層、低阻高導(dǎo)層屏蔽作用影響，對(duì)場(chǎng)地條件適應(yīng)性強(qiáng)，更適用于復(fù)雜環(huán)境，可用于城市地基、路基空洞調(diào)查，地基巖土介質(zhì)物性分層調(diào)查，溶巖勘探和病害地質(zhì)體調(diào)查，基巖埋深與隱伏地質(zhì)構(gòu)造勘查。

1 工作區(qū)概況

調(diào)查區(qū)為某礦區(qū)尾礦壩，位于兩山之間的夾溝中，兩邊坡度為25°左右，壩體主要由尾礦粉和碎石土互層堆積而成，堆積最大厚度為30 m，基底為鈣質(zhì)板巖與泥質(zhì)板巖互層。由于年代久遠(yuǎn)，填埋復(fù)雜，場(chǎng)地測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)地下填埋很多金屬物并且壩體上密集覆蓋鐵絲網(wǎng)，淺層地震能量衰減太快，達(dá)不到有效深度，鉆探工作因堆積體彈塑性的緣故，也難以施工。由于壩體排水系統(tǒng)出現(xiàn)故障，局部富水導(dǎo)致壩體變形，亟待解決排水并穩(wěn)固壩體。

為了能夠合理地查明整個(gè)壩體具體富水情況以及積水通道。本次剖面測(cè)線主要以“井”型布置。東西布設(shè)3條測(cè)線，南北布設(shè)4條測(cè)線，共計(jì)7條測(cè)線，NS線點(diǎn)位控制在每一級(jí)臺(tái)階上都有布設(shè)，點(diǎn)距不等（0～20 m），WE線點(diǎn)位以20 m等間距布設(shè)，有效控制壩體橫向與縱向富水深度和范圍。

測(cè)區(qū)內(nèi)主要地層巖性為尾礦粉與碎石混合層、板巖層。根據(jù)場(chǎng)地試驗(yàn)參數(shù)結(jié)合已知地質(zhì)資料，確定調(diào)查區(qū)內(nèi)波速范圍，見表1。

表1 調(diào)查區(qū)內(nèi)不同地層橫波速度范圍

由表1可見，測(cè)區(qū)內(nèi)各層之間的橫波速度存在明顯差異，特別是含水和密實(shí)的尾礦粉與碎石土混合物橫波速度差異起到關(guān)鍵性作用，也是本次勘探工作的首要條件。

2 微動(dòng)勘探原理

地球表面任何連續(xù)微弱的震動(dòng)信號(hào)都可以成為微動(dòng)勘探的天然面波信號(hào)場(chǎng)源［6］。根據(jù)信號(hào)來(lái)源不同可以分為兩個(gè)大類：低頻信號(hào)（≤1 Hz）和高頻信號(hào)（＞1 Hz），低頻信號(hào)由潮汐、海浪、水流、氣壓變動(dòng)、風(fēng)動(dòng)等自然條件引起；高頻信號(hào)為人類活動(dòng)，車輛船舶行駛，機(jī)器運(yùn)行等活動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)［2］。

微動(dòng)是由體波（P波和S波）和面波——瑞雷（Rayleigh）波和勒夫（Love）波組成的復(fù)雜振動(dòng)，并且面波的能量占信號(hào)總能量的70%以上［2］。所以常常利用微動(dòng)中的瑞雷面波信息來(lái)研究地下橫波速度結(jié)構(gòu)。根據(jù)面波頻散原理，波速會(huì)隨著頻率和波長(zhǎng)的變化而變化，隨著頻率降低而傳播深度變大。

微動(dòng)勘探就是從這些天然場(chǎng)的微動(dòng)信號(hào)中提取出瑞雷面波的頻散特性，通過(guò)反演曲線推測(cè)地下介質(zhì)橫波速度的分層結(jié)構(gòu)。連續(xù)測(cè)量剖面上各點(diǎn)的數(shù)據(jù)并反演計(jì)算橫波速度，然后進(jìn)行網(wǎng)格化處理得出橫波速度擬斷面圖。

目前，微動(dòng)勘探面波頻散曲線提取方法主要有兩種：空間自相關(guān)法（SPAC）和頻率－波數(shù)法（FK）［3］。F－K法對(duì)臺(tái)站擺設(shè)沒(méi)有特殊要求，而SPAC法要求臺(tái)站為嵌套圓形，如圖1所示，一般嵌套圓形層數(shù)越多，結(jié)果越準(zhǔn)確［4］。

圖1 微動(dòng)野外測(cè)站布設(shè)示意圖

SPAC法有利于采集各個(gè)傳播方向上及不同波長(zhǎng)的微動(dòng)信號(hào)，相對(duì)于F－K法，提取信號(hào)時(shí)頻率豐富且收斂度高，可以獲得更多的勘探深度大的低頻信息［5］。

3 成果解釋

本次微動(dòng)數(shù)據(jù)采集使用合肥國(guó)為電子有限公司研制的GN209型遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)智能微動(dòng)系統(tǒng)。GN209型微動(dòng)設(shè)備為北斗授時(shí)無(wú)電纜節(jié)點(diǎn)采集站，外業(yè)工作時(shí)基于4G網(wǎng)絡(luò)，可實(shí)施遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸，監(jiān)控，智能評(píng)價(jià)等。

本次工作確定技術(shù)參數(shù)為［6］：1 Hz檢波器三重圓10通道接受，R1＝2 m、R2＝4 m、R3＝8 m，采樣率為250 Hz。

3.1 單點(diǎn)解釋

選用靠近鉆孔ZK6的NS－3線的9號(hào)點(diǎn)進(jìn)行單點(diǎn)解釋。根據(jù)地質(zhì)鉆孔資料0～9.4 m為尾礦粉，9.4～15.4 m為碎石土，15.4～16 m見板巖，12.4 m見穩(wěn)定水位。碎石土和尾礦粉波速在200～500 m／s之間，板巖波速大于500 m／s，含水以后波速還會(huì)進(jìn)一步減小。橫波波速在9.4 m處出現(xiàn)不連續(xù)現(xiàn)象，如圖2所示。12 m左右出現(xiàn)波速不穩(wěn)定且不連續(xù)。15.4 m處出現(xiàn)波速突變，可以看出微動(dòng)探測(cè)對(duì)界面反應(yīng)明顯。

圖2 ZK6點(diǎn)微動(dòng)探測(cè)頻散曲線解釋

3.2 典型剖面解釋

NS－2線位于工區(qū)中部，為南北走向，剖面長(zhǎng)為90 m，共采集11點(diǎn)，查明工區(qū)富水區(qū)域深度和縱向邊界。

NS－2線橫波波速等值線解釋成果圖如圖3所示，低速層和高速層連續(xù)，隨著深度增加，波速變大。1至6號(hào)點(diǎn)波速相對(duì)較低，小于300 m／s，6至11號(hào)點(diǎn)3 m以上為松散堆積層，波速小于300 m／s，3 m以下為密實(shí)堆積層，波速在300～500 m／s之間，在11號(hào)點(diǎn)大概15 m處，波速大于500 m／s，發(fā)現(xiàn)基巖。

圖3 NS－2線橫波波速等值線解釋成果圖

3.3 綜合解釋

本次共完成7條測(cè)線的綜合解釋工作，根據(jù)富水后堆積物橫波波速特性界定區(qū)域，擬判定橫波波速小于300 m／s為富水區(qū)域［7］。富水深度最深處可達(dá)28 m，富水區(qū)橫截面都呈梯形，淺部相較于深部東西延申更寬。

以每條測(cè)線富水低速區(qū)探測(cè)點(diǎn)（如圖4所示網(wǎng)格區(qū)域）為參考，經(jīng)平面投影圈定富水壩體區(qū)域，并呈梯形（如圖4所示線條框定區(qū)域）。根據(jù)WE－3和WE－2線反演斷面得出地下深度20 m處出現(xiàn)積水通道（箭頭虛線），富水面積達(dá)到壩體的3／5，南部基本沒(méi)有富水，比較穩(wěn)定，壩體中部和北部富水嚴(yán)重并引起壩體蠕變［8］。

圖4 調(diào)查區(qū)綜合解釋成果圖

為了分析壩體富水隨深度的變化，用現(xiàn)有數(shù)據(jù)進(jìn)行三維反演作圖，并對(duì)4個(gè)深度進(jìn)行XY平面切片，如圖5所示。隨著深度的增加，橫波波速增加，富水面積在逐漸向壩體北部減小。

圖5 調(diào)查區(qū)富水區(qū)域深度切片圖

為了進(jìn)一步解決富水體積及空間位置問(wèn)題，對(duì)本次數(shù)據(jù)進(jìn)行3D建模，如圖6所示，設(shè)置橫波波速小于300 m／s為假定邊界條件，依據(jù)這個(gè)條件進(jìn)行等值界面繪圖來(lái)進(jìn)行定位體積及位置。富水區(qū)域東西寬度133 m，南北長(zhǎng)度為40 m，估算平面富水面積為5 320 m2，估算富水體積為63 840 m3。

圖6 調(diào)查區(qū)3D成果解釋圖

4 結(jié) 論

1.應(yīng)用結(jié)果表明：調(diào)查區(qū)內(nèi)，主要富水為壩體北部，隨深度增加，富水體積為梯形。吸水以后的尾礦粉堆積體變軟膨脹，彈塑性較高，壩體護(hù)坡為接近30°，由于重力作用和膨脹作用，導(dǎo)致壩體碎石堆積層出現(xiàn)剪切裂縫和拉張裂縫，危害極大。結(jié)合鉆孔資料查明了富水區(qū)域范圍及深度，及已經(jīng)發(fā)生變形的區(qū)域。

2.在微動(dòng)探測(cè)技術(shù)中，根據(jù)采集信息提取測(cè)點(diǎn)的頻散曲線，計(jì)算等效的橫波波速并繪制切面圖，也可用單點(diǎn)頻散曲線一維反演來(lái)代替部分鉆孔，節(jié)省成本。

3.本次微動(dòng)探測(cè)效果明顯，可用剪切波速劃出富水區(qū)域，同理可運(yùn)用于礦山環(huán)境，城市地災(zāi)，道路勘察等領(lǐng)域。