吳世雄

（安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局322地質(zhì)隊）

對地下地質(zhì)情況變化的跟蹤探測分析中，主要有鉆孔、地震勘探及電磁法勘探等方法。其中鉆探法探測精度高，但鉆探成本較大，且對原始地層擾動較嚴重；地震勘探法成本較低且對原始地層沒有擾動，但對于淺層目標體識別能力一般，且受背景噪聲及障礙物影響較大；電磁法的精度一般相對較高，但一般在城市勘測及大型礦區(qū)地質(zhì)勘探作業(yè)中受環(huán)境磁場等干擾較大。因此，近年來對地下采空區(qū)的勘查中，大都采用微動探測法。孫飛［1］使用GT-MST 微動測試儀對某煤礦采空區(qū)進行探測。應恒成等［2］在識別深層地熱儲水構(gòu)造的研究中使用了基于空間自相關(guān)法（SPAC 法）的微動探測，并且證明了此方法具有一定的適用性。王輝等［3］通過在微動探測中使用ESPAC法提取頻散曲線，確定隧道位置。金俊俊等［4］提出來的一種基于MSPAC 法的微動波探測新技術(shù)，能精確且可靠地獲取地層速度結(jié)構(gòu)信息，在現(xiàn)代地下空間物探技術(shù)上取得較大進展。劉楊等［5］采用微動體剖面探測對所研究的壩體地基穩(wěn)定性進行準確評價。

本次采空區(qū)探測采用微動探測法，結(jié)合傳統(tǒng)鉆探法結(jié)果輔助微動探測數(shù)據(jù)異常的解譯，同時通過對微動探測結(jié)果的反演，對采空區(qū)范圍進行準確地預測。

1 微動探測法原理

1.1 天然源面波勘探（微動）原理

微動探測方法（Microtremor Survey Method，簡稱MSM）是以平穩(wěn)隨機過程理論為依據(jù)，從微動信號提取面波（瑞雷波）的頻散曲線，通過對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。從微動信號中提取瑞雷波頻散曲線常用的2 種方法是頻率-波數(shù)法（F-K法）和空間自相關(guān)方法（SPAC法）。其中F-K 法適合分析深部土層，而SPAC 法適合分析淺部土層。

1.2 微動探測設備

本次微動測量采用的儀器為GN201 型微動探測系統(tǒng)，采用了節(jié)點式采集站、無纜連接，數(shù)據(jù)直接在采集站存儲，不用限制道間距，系統(tǒng)的質(zhì)量和體積相比于有纜系統(tǒng)都極大降低，在野外作業(yè)攜帶更加方便，工作效率更高。微動數(shù)據(jù)采集器的研發(fā)和調(diào)試過程中嚴格篩選元器件，選用性能和參數(shù)均相同的器件，并系統(tǒng)地調(diào)試各個通道的參數(shù)，保證各道頻率特性曲線的一致性。其次，通過32-bit 高精度ADC，可以降低儀器自身的量化噪聲，從而提高儀器信噪比，提高微動信號的精確性。通過接收GPS 衛(wèi)星的標準時間信號實現(xiàn)內(nèi)部時鐘自動校正，其同步誤差小于15 ns，以保證長時間觀測中各數(shù)據(jù)采集器的同步性。

1.3 外業(yè)數(shù)據(jù)采集方法

多重圓觀測臺陣是微動單點探測常用的布設方式，圖1 為三重圓形臺陣觀測系統(tǒng)，圓心處布設1 臺數(shù)據(jù)采集器，圓周上至少布設3臺數(shù)據(jù)采集器。在利用空間自相關(guān)方法時，圓形觀測臺陣的半徑稱為觀測半徑（r），最大探測深度H與觀測半徑r之間通常存在以下關(guān)系：H=（3～5）r。微動單點探測目的是獲得測點下方地層介質(zhì)的橫波速度及界面深度，也稱為微動測深。

本次微動探測使用三重圓規(guī)則臺陣方式采集數(shù)據(jù)，內(nèi)切圓有小到大半徑依次為12.5，25，50 m，采樣頻率250 kHz，采集時間為40 min。

1.4 數(shù)據(jù)處理

視勘探目的不同，微動探測分為單點（測深）和剖面探測2種方式。首先從微動記錄的時序數(shù)據(jù)中提取瑞雷波，獲得其相速度頻散曲線，用個體群探索分歧型遺傳算法對頻散曲線進行反演獲得地下橫波速度結(jié)構(gòu)，最后結(jié)合當?shù)氐牡刭|(zhì)背景對橫波速度結(jié)構(gòu)做出地質(zhì)解釋。微動剖面探測數(shù)據(jù)處理采用剖面臺陣布置方式進行微動信號采集，從各測點記錄中提取瑞雷波頻散曲線，直接繪制相速度等值線圖，或者計算視S波速度，再經(jīng)插值光滑計算獲得二維視S波速度剖面，可直觀地反映地層變化，是地質(zhì)解釋的基本依據(jù)。

2 某礦區(qū)地面沉陷物探研究

2.1 微動探測點布置

某礦區(qū)由在地表的地質(zhì)環(huán)境治理施工過程中地表發(fā)現(xiàn)沉降縫，自2019 年6 月開展地面沉陷監(jiān)測以來，地表沉降范圍和沉降量不斷擴大，沉降速度有加快的跡象，沉降盆地中心的沉降速度由每周幾毫米增加至每周幾十毫米，從開始沉降監(jiān)測之日起，累計沉降量超過1 000 mm，導致一側(cè)地段圍墻部分倒塌。

根據(jù)治理區(qū)現(xiàn)狀，本次微動勘察工程布置了8條勘探線，53個物理點（圖2）。

2.2 微動剖面異常特征及地質(zhì)解譯

從本次工作所獲得的物探資料得知，查區(qū)內(nèi)地質(zhì)條件較復雜，為了對本次實測的剖面異常進行認識，在對每條剖面異常特征進行歸納、描述的同時，結(jié)合地質(zhì)及鉆探資料對剖面異常進行分析、推斷、解譯。以L1、L2、L3線視橫波速度Vs分布剖面為例對異常特征進行解釋。

2.2.1 L1線Vs剖面

L1線Vs剖面圖及地質(zhì)解釋剖面圖見圖3，上部Vs呈低值，深部Vs呈高值，整個斷面圖上的各層位界線比較清晰，反映出被覆測點區(qū)內(nèi)地層厚度特征的變化特點，在高程-68.3～-98.8 m，Vs=600～1 500 m/s，結(jié)合地質(zhì)及鉆孔資料，解釋推測為三疊系中統(tǒng)黃馬青組（T2h1）泥質(zhì)粉砂巖的反映；下部高速層Vs=1 200～2 000 m/s，結(jié)合地質(zhì)及鉆孔資料，解釋推測為三疊系中統(tǒng)周沖村組（T2z）灰?guī)r的反映。在剖面的220～300 號點、高程-100～-185.7 m 處，Vs呈低速閉合狀異常，解釋推測為松散區(qū)的反映。

2.2.2 L2線Vs剖面

L2線Vs剖面圖及地質(zhì)解釋剖見圖4，整個斷面圖上的各層位界線比較清晰。在高程-60.9～-122.0 m，Vs=600～1 450 m/s，結(jié)合地質(zhì)及鉆孔資料，解釋推測為三疊系中統(tǒng)黃馬青組（T2h1）泥質(zhì)粉砂巖的反映；下部高速層Vs=1 200～2 000 m/s，結(jié)合地質(zhì)及鉆孔資料，解釋推測為三疊系中統(tǒng)周沖村組（T2z）灰?guī)r的反映。在剖面的200～300號點、高程-77.0～-178.5 m 處，Vs呈低速閉合狀異常，解釋推測為松散區(qū)的反映。

2.2.3 L3線Vs剖面

L3線Vs剖面圖及地質(zhì)解釋剖面見圖5，整個斷面圖上的各層位界線比較清晰。在高程-80.6～-159.1 m，Vs=600～1 800 m/s，結(jié)合地質(zhì)及鉆孔資料，解釋推測為三疊系中統(tǒng)黃馬青組（T2h1）泥質(zhì)粉砂巖的反映；下部高速層Vs=1 200～2 400 m/s，結(jié)合地質(zhì)及鉆孔資料，解釋推測為三疊系中統(tǒng)周沖村組（T2z）灰?guī)r的反映。在剖面的140～220 號點、高程-57.6～-123.0 m 處及300 號點、高程-146.5～-185.3 m 處，Vs呈低速閉合狀異常，解釋推測為松散區(qū)的反映。

2.3 微動單點分層成果

以L5 線、L6 線的微動單點分層結(jié)果為例，對微動單點分層測繪結(jié)果進行分析。

5 線220、240、260 號點Vs反演分層成果如圖6 所示，220、240、260號點Vs反演分層均比較詳細，Vs值從淺到深逐漸增加。220號點在深度123.31～168.30 m處Vs=903～923 m/s，呈低速異常，結(jié)合地質(zhì)資料，解釋為松散區(qū)，深部Vs值依次遞增，解釋推測基巖較完整。240號點在深度79.72～131.09 m處Vs=979～1 164 m/s，在深度149.39～194.79 m處Vs=964～1056 m/s，呈低速異常，結(jié)合地質(zhì)資料，解釋為松散區(qū)，深部Vs值依次遞增，解釋推測基巖較完整。260 號點在深度91.73～192.88 m處Vs=724～1 070 m/s，呈低速異常，結(jié)合地質(zhì)資料，解釋為松散區(qū)，深部Vs值依次遞增，解釋推測基巖較完整。

L6 線220、240、260 號點Vs反演分層成果圖如圖7 所示，220、240、260 號點Vs反演分層均比較詳細，Vs值從淺到深逐漸增加。220 號點在深度129.67～183.97 m處Vs=790～888 m/s，呈低速異常，結(jié)合地質(zhì)資料，解釋為松散區(qū)，深部Vs值依次遞增，解釋推測基巖較完整。240 號點在深度89.94～104.90 m處Vs=915 m/s、在深度141.54～201.86 m處Vs=849～992 m/s 呈低速異常，結(jié)合地質(zhì)資料，解釋為松散區(qū)，深部Vs值依次遞增，解釋推測基巖較完整。260 號點在深度97.87～195.88 m處Vs=743～1057 m/s，呈低速異常，結(jié)合地質(zhì)資料，解釋為松散區(qū)，深部Vs值依次遞增，解釋推測基巖較完整。

2.4 微動成果綜合分析

將Vs等高程平面切片圖匯總見圖8，整個測區(qū)異常特征清晰顯示，平面內(nèi)高低速相見伴生。高程-100 m以上Vs低速異常區(qū)主要分布在查區(qū)的中部，與-150 m采空未充填平面位置相吻合，解釋推測為-150 m水平開采引起中上部基巖破碎；高程-100 m以下Vs低速異常區(qū)位置北移，與現(xiàn)狀主沉降區(qū)域相吻合，解釋推測為其它標段采空區(qū)充填不密實引起的異常反映。在-150 m 深度以下，異常逐漸消失，解釋推測為在高程-150～-300 m，基巖相對較完整，穩(wěn)定性較好。

通過治理區(qū)的Vs等高程平面切片三維圖可知，西南側(cè)灰?guī)r埋深較淺，北東側(cè)灰?guī)r埋深較深，在測區(qū)的西側(cè)及中部出現(xiàn)不同規(guī)模的低速閉合區(qū)，結(jié)合地質(zhì)及鉆孔資料，推測為松散區(qū)。其中，在測區(qū)西側(cè)的低速閉合區(qū)上部存在1層高速層，推測為基巖完整性相對較好，在測區(qū)中部的低速閉合區(qū)，上部速度值呈低速開口狀反映，推測為基巖完整性、穩(wěn)定性較差，易發(fā)生地面沉陷或塌陷，與現(xiàn)場地表開裂、沉降范圍較吻合。

3 結(jié)論

（1）本次微動勘察工程布置了8條勘探線，53個物理點，在查區(qū)范圍內(nèi)，西南側(cè)灰?guī)r埋深較淺，北東側(cè)灰?guī)r埋深較深；異常區(qū)主要在高程-150 m深度以上，在高程-150～-300 m異常逐漸消失，基巖完整性相對較好。

（2）在測區(qū)的西側(cè)及中部發(fā)現(xiàn)不同規(guī)模的低速閉合區(qū)，解釋為松散區(qū)，其中在測區(qū)西側(cè)的低速閉合區(qū)上部存在1 層高速層，解釋為基巖完整性相對較好，但不排除后期會發(fā)生地面沉陷或塌陷的可能；在測區(qū)中部的低速閉合區(qū)，上部速度值呈低速開口狀反映，解釋為基巖完整性、穩(wěn)定性較差，存在地面進一步沉陷的可能。

（3）與傳統(tǒng)鉆探結(jié)果對比可知，微動探測法在采空區(qū)地面研究中適用性較高，得出結(jié)果與鉆探揭露結(jié)果基本一致。