物探新技术_微动探测技术介绍_王洪

物探新技术———微动探测技术介绍
王洪
( 贵州省有色地质和核工业地质勘查局物化探总队，贵州都匀558000)
［摘要］微动探测技术是中国科学院地质与地球物理研究所副研究员徐佩芬博士等近年来在传统微动测深的基础上研究发展的一种探测新技术，并率先应用于国内多个勘探领域。

该方法是利用拾震器在地表接收各个方向的来波，通过空间自相关法提取其瑞雷面波频散曲线，经反演获取S 波速度结构的地球物理探测方法。

该方法不受电磁及噪声干扰影响，探测深度大，虽然当前仍存在一定的局限，但其显示的优越性表明该技术是一种很有前景的新技术。

［关键词］微动探测; 瑞雷面波; 反演; 地层波速结构; 测深
［中图分类号］P631 ［文献标识码］A ［文章编号］1000 －5943( 2013) 01 －0075 －03
2012 年 1 月，在《国际地球物理期刊》第
188 卷第 1 期 115 – 122 页上，发表了由中国
科学院地质与地球物理研究所副研究员徐佩芬
博士等撰写的一篇《利用微动排列分析方法测
量隐伏地热断层》( Mapping deeply －
buried geothermal faults using
microtremor array analysis. Geophysical
Journal
International. 2012，188 ( 1) : 115 –122)
的论文，该文例举了用微动探测方法在江苏吴
江地热井位选址上的成功应用。

实测结果表
明，隐伏断裂破碎带在微动视 S 波速度剖面上
有明显的低速异常显示( 见图 1)［1］。

这一方法为探测深部隐伏地热构造开拓了一条新的技术途径，也为金属矿产探测、煤矿陷落柱及采空区探测、工程地质勘察( 铁路、地铁、城市地质调查) 等多个领域提供了一种新技术。

1 微动探测方法的由来
地球表面无论何时何地都存在一种天然的微弱震动，被称为“微动”。

微动探测方法( The Microtremor Survey Method，简称 MSM) 是从圆形台阵采集的地面微动信号中通过空间自相关法提取其瑞雷面波频散曲线，经反演获取台阵下方 S 波速度结构的地球物理探测方法。

该方法曾广泛应
图1 江苏吴江地热井位选址微动视S波速度剖面
Fig. 1Microtremor S wave speed in geothermal
well in Wujiang of Jiangsu
用于地震构造探测及场地稳定性评价等方面，应用领域很有限。

徐佩芬等近年来在传统微动测深
［收稿日期］2012 －12 －12
［作者简介］王洪( 1967—) ，男，湖南双峰人，物探高级工程师，硕士，长期从事地物化研究工作。

·76·贵州地质2013 年 30 卷
的基础上研究发展了微动剖面探测技术，并率先应用于国内多个勘探领域，是对传统微动探测方法的继承与创新。

基于台阵技术的微动理论早年由美国地球物理学家 Aki( 1957) 和
Capon( 1969) 提出［2］。

2 工作原理和方法技术
2. 1 工作原理
微动测深的物理前提是基于不同时代沉积地层之间存在的波速差异。

地层波速与岩石密度和弹性有关，新生界、中生界、古生界到中上元古界地层的波速差异较为明显，形成了由低到高可以识别物性界面( 从几百 m/s 至几千 m/s) 。

这种方法利用的是地球表面无时不在的地面微小“震动”作为观测对象，它的振幅很小( 微米量级) ，它是由自然界中海浪、气压变化、人类工业及交通活动所产生。

它的成份较为复杂，包括有面波、体波等各种成份，其中面波占主要成份。

2. 2 工作方法
一般用频率—空间自相关( SAC) 法和频率—波数( F － K) 法来获取和处理分析面波。

2. 2. 1 空间自相关法
2. 2. 1. 1 野外工作方法
空间自相关法是利用特殊阵形( 如圆阵、棱形阵等) 接收天然场源的面波，总的原则需满足一台拾震器位于圆心，其它各拾震器布设在半径为 r 的圆周上，这样以便接收各个方向的来波，拾震器越多，勘探的精度越高，所以在实施过程中应尽量多布设拾震器。

2. 2. 1. 2 数据处理方法
空间自相关法主要是在时间域进行面波提取的一种比较简便，实用方法。

对于野外所接收的数据首先在时间域进行窄带滤波处理，求出不同频率的空间自相关系ρ，此空间自相关系数实际是面波频率成份f 及空间坐标的函数，也就说，
它不但与频率有关，还与拾震器的位置有关。

从形态上看，实测空间自相关曲线应是近似于零阶贝塞尔函数曲线，通过它来求取“效正值”，再加入空间坐标参数就可以提取各个频点的相速度，据以画出相速度—频散曲线，进而进行地质分层。

2. 2. 2 频率－波数法
2. 2. 2. 1 野外工作方法
频率—波数法可以采取随机布阵的方式，对工作场地要求不高，基本上可以做到布阵的随意性，但它应满足各个拾震器尽量呈平面展布，以满足可以接收到各个方向的来波条件。

在实际勘探过程中，也可采用规则布阵，通常以一个拾振器为中心，其它测点在周围形成若干个边长不等的正三角形，这样在处理分析资料时既可也使用频率
－波数法，也可使用空间自相关法提取面波。

2. 2. 2. 2 数据处理方法
频率—波数方法是在频率域进行面波提取的一种方法，首先对野外所采集的数据，通过付氏变换对原始数据进行带通滤波，以便去除各种干扰信号，再通过最大似然法等方法求取各个频率成份的功率谱的分布图，此功率谱只是与空间坐标的单值函数，所以可以比较方便地求出相速度—频散曲线，进行地质分层。

频率—波数法比空间自相关的野外布阵更
加灵活，并可有意地避开干扰源( 如锅炉房、车辆较多的主干道) ，从而间接地提高了抗干扰能力。

缺点是频率—波数法野外所需的拾震器的数量比空间自相关法要求的多，数据处理的工
作量也相应增加。

2. 3 观测形式
微动探测通常有 3 种形式。

2. 3. 1 单点勘查形式
观测台阵是单点勘探的最大特点，方阵的组成是两个大小不一的的同心圆，同心圆中内接正三角形。

将多个微动观测仪分别设置在两个圆的心与圆周上的内接正三角形的顶点处。

单点勘查观测方式最大的特点是勘查深度与台阵的大小是成正比关系的。

如果勘查要求的深度大，可以增加同心圆，使观测台阵的观测点增多。

2. 3. 2 测线勘查形式
当需要进行大面积的勘查时，单点勘查就不
能满足要求。

因此，为获得 S 波速度剖面成果图，可以根据要求采用测线( 剖面) 观测系统。

具体方法是在测区内，根据一定的间距来设置测线，达到实现二维微动测深勘探的目的，同时能够反演测区三维 S 波速度结构。

如果这种方式的勘查能够结合钻孔或者其他相关的一些地质资料，有利于利用速度异常区域进行地质解释。

2. 3. 3 平面探查形式
第 1 期王洪: 物探新技术———微动探测技术介绍·77·
平面探查用于精细的勘探。

当仪器数量较多时，采用平面观测，同时反演测区三维 S 波速度体，达到圈出速度异常体或者面的目的。

2. 4 观测系统
观测系由多个垂直摆( 宽频带拾震器) 、多通道直流放大器和数字记录仪组成。

垂直摆的固有周期大于 5 秒，灵敏度大于 500 mv/cm/s，相位一致性良好; 直流放大器的增益为固定增益低噪声放大器，增益范围 20 ～ 80 db，内部噪声小于 10 uv，无明显零漂; A/D 均独立工作，满足同步采样，转换位数12 －20 位，采样间隔 20 ～200 ms，记录长度无限。

2. 5 方法的探测能力及分辨率
利用自然界中 1 秒～ 3 秒周期的微动信号，可以大致获取 100 ～ 6 000 m 波长的面波信号，探测深度可达 3 000 m。

分辨率主要由受目的层与上、下地层速度差及层厚的影响［3］。

3 方法的优越性
( 1) 不需要笨重的人工能源。

( 2) 测点布设比较灵活。

( 3) 不受电磁及噪声干扰影响，探测深度大，效果好。

4 方法的局限性和今后改进方向
( 1) 物探测量都是一种体积勘探，即在水平方向有一个影响半径( 范围) 。

某一点的大地面波探测结果其实是代表了直径约一公里圆内范围的平均物性结果，并不是圆内某个点的局部地质信息。

理论上认为在这个圆的范围内，地下各个速度界面均近似于水平( 一维) ，反演计算公式都是在这种假设的前提下推导出来的，只有符合条件，计算结果才相对准确。

而在自然界中，各时代地层由于构造( 如褶皱、断裂) 较为复杂，常常不能满足这个( 一维) 假设，人们事先又不能发现，所以物探的推断解释结果也是有出入的。

( 2) 观测系统有待改进。

现在的观测系统是用多条导线使各拾震器和记录仪相连接，这样不但布线麻烦，导线容易受损，而且又是一种干扰。

( 3) 数据处理方法有待改进。

如采用自回归模型( AR 模型) 和遗传算法等。

5 结语
人类活动范围越来越大，高压线、电缆、各类管道、地下建筑等分布广泛，采用电磁及地震类等物探手段时往往受到严重干扰，难以取得令人满意的效果，微动探测方法则不受电磁等干扰影响，而且探测深度大，虽然目前还有一定的局限性，但仍是一种很有前景的新技术。

［参考文献］
［1］徐佩芬 . Mapping deeply － buried geothermal faults using microtremor array analysis. Geophysical
Journal International.
2012，188( 1) : 115 – 122.
［2］科技与成果转化处 . GJI: 微动技术探测深层隐伏地热构造［R］. 2012 －03 －20 中国科学院地质与地球物理研究所 .［3］冉伟彦，丁连靖 . 大地面波( 微动) 测深在地热勘查中的应用［A］/ /大庆: 全国油区城镇地热开发利用经验交流
会
［C］. 2003: 340 －36.
( 下转第 60 页)
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K 值有许多优点，其优点是十分明显的，其一是准确性，各坐标值来源于测区控制测量、测网测量，坐标值真实的反应剖面地形，所求得的 K 值就是实际工作的K 值; 其二是实用性，此方法不仅可以降低地形对 K 值的影响，更重要的是实用于常规电法勘探的任意装置，即规则装置、非规则装置、电极位移等都可根据实际坐标值求得准确的K 值; 其三是普遍性，相对于传统方法只适用于水平、单一地形中，该方法适用于任何复杂地形; 其四是简捷性，此方法在室内处理数据时，只需要导入各测点坐标值，填入到计算模板中即可求得K 值，处理过程简单快捷、易于操作。

应用电极点坐标参数值求 K 值是顺应时代发展的迫切需求产生的。

这种方法相对于传统方法的诸多优势，让笔者有理由相信这种方法在贵州矿区的广泛应用是科技进步与时代发展的必然。

［参考文献］
［1］刘国兴 . 电法勘探原理与方法［M］. 北京: 地质出版社，2005.
［2］贵州省地矿局102 地质大队 . 贵州省从江县那哥铅锌矿西矿段电法勘探报告［R］. 2010.
［3］贵州省地矿局102 地质大队 . 贵州省从江县平忙铅锌多金属矿区电法勘探报告［R］. 2011.
Improvement of Calculation Method Based on Electrode Array
Coefficient K of Two Resistivities
PENG 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 coordinate 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，it’s very useful for electrical prospecting in the mountain area．
［Key words］K value; coordinate; topography; surface distance; actual distance; resistivity ( 上接第 77 页)
A New Geophysical Technology: Microtremor Survey Technology
WANG 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 Doc． XU Pei － fen and others of Institute of Geology and Geophysics of Chinese Academy of Science in recent years，it has been used in many exploration fields． This technology is use seismic detector to receive the waves from every direction on surface，take the Rayleigh wave dispersion curves by SPAC method and get S － wave speed by inversion．The technology won’t be influenced by magnetic and noise，the survey depth is deep． Although there is some limitation now，the advantages shows this technology will be a promising new method．
［Key words］microtremor survey; Rayleigh wave; inversion; formation wave speed structure; survey。