微动勘探方法技术研究及其应用

环境中优势突出。我们对微动理论及野外工作方法进行了系统的研究，自主编制了高分辨率频率-波数法处理软
件，本文介绍了微动勘探技术应用的案例，通过提取频散曲线及视S波速度分层，刻画了地层的速度结构和地热异
常特征，证实了微动勘探在地热资源勘查上有着较好的勘探效果，具有一定的方法优势和广泛的应用前景。
关键词：微动勘探；高分辨率频率-波数法；地热勘探
第29卷第1期 2019年3月
安徽地质 Geology of Anhui
Vol.29 No.1 Marcher 2019
文章编号:1005－6157(2019)01－034－6
微动勘探方法技术研究及其应用
盛勇，贾慧涛，刘杨
（安徽省地球物理地球化学勘查技术院， 安徽 合肥 230001）
摘要：微动探测技术以其无需人工源、抗干扰能力强、便捷环保等优点，在城镇附近干扰较强、不可破坏的物探
法)和频率一波数法(F-K法)，从微动信号中提取出 了面波，进而求出面波频散曲线。Okada（1994, 2003)、凌苏群（1994）等对空间自相关法进行了改 进，将扩展的空间自相关法应用到不同观测半径的 多重阵列中，提高了数据处理的效率，从而使微动 探测技术由理论走向了实际应用。2001年，美国内 华达州立大学John N.Louie提出折射微动信号处理的 新方法折射微动（REMI），使一维新型排列微动信 号的处理成为可能。2014年，Céline Davy、Guilhem Barruol等在西南印度洋通过微动和海底水声观测成 功追踪大洋风暴。2016年，M Iodice、J Muggleton 等通过多道面波分析方法结合FK法，检测沥青中的 垂直裂缝，效果较好。2017年，Zhiqu Lu、Glenn V. Wilson等使用高频表面波的多通道分析方法实现了 土壤磐成像。1986年，王振东将微动探测技术介绍 至国内。1992年，冉伟彦等利用长波微动法在北京 花乡公园成功探测出热储层。2004，2007年，叶太 兰、何正勤等在北京等地进行了微动探测，为北京 的地热开发提供了3km深度以上的速度结构，为确定 地热钻孔提供了依据。2012年，徐佩芬等在江苏多 个地方深层地热勘探中探测隐伏断层、寻找深层地 热储水构造，并成功打出地热水。研究表明微动剖 面技术可有效探测隐伏断裂构造（热水通道），间 接探测地热，同时单点微动测深可提供主要地层分 层、埋藏深度等重要信息，为地热井位选址提供重
微动信号中的面波包含瑞雷波（Rayleigh wave）
和勒夫波（Love wave），其中勒夫波没有垂直分
量，所以对三分量信号中垂直分量做处理时，可以
认为是对基阶瑞雷波的处理。假定在微动信号垂直
分量中，瑞雷面波相对占优势，则其在频率-波数谱
中与最大值点相对应。设瑞雷面波频率为fi，F-K谱
最大值点对应的波数为ki=(kxi,kyi)，则对应于fi的面波
收稿日期：2019-1-18 ；改回日期：2019-3-1 基金项目：安徽省国土资源科技项目（2016-K-6）“微动测量技术在地热资源勘查中的应用研究”资助 作者简介：盛勇（1964— ），男，安徽寿县人，正高级工程师，主要从事物探勘查工作。
第 29 卷 第 1 期
盛勇，等：微动勘探方法技术研究及其应用
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要信息。 微动勘探从微动信号中提取面波（瑞雷波）频
散曲线，通过对频散曲线反演获得地下介质的S波速 度结构，进而探查地质构造。常用的提取面波频散 曲线的方法有频率-波数法和空间自相关法，因实际 工作中地形、环境等情况复杂，可以进行不规则布 阵测量的频率-波数法更利于野外施工。本文系统地 研究了国内外频率-波数法微动探测技术的发展，在 K.Tokimatsu （1992）研究基础上，结合地热勘探实 际，在保证其浅层分辨率的基础上拓展勘探深度。 通过与钻探资料比较证实：微动探测技术对断层破 碎带、含水层导致的低速区非常敏感，勘探效果明 显。下面结合微动勘探地热资源勘查的实例，来介 绍微动技术的理论、方法及应用效果。
1 微动技术
1.1 微动理论
Tokimatsu、K. Shinzawa 和S. Kuwayama(1992)提出了高分 辨率频率-波数谱法[5]，即在处理时，用√Sii(f)Sjj(f)对 互功率谱Sij(f)进行规格化，进而得到高分辨率频率波数谱：
mm
∑∑ P( f ,k) =
相速度为
YFL
S I L NL
S I L
N
[L

N
\L
（1）
（Capon，1969）。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
假定有M道拾震器，以长度L将每道数据分为
N段，记第i和j道拾震器中第n块数据的频域信号为
Fin(f)和Fjn(f)，得到N个频域信号，求得到第i、j拾 震器对应的自功率谱Sii(f)、Sjj(f)和互功率谱Sij(f)。K.
中图分类号：P631.4
文献标志码：A
0 引言
微动是地球表面何时何地都存在的微弱震动， 没有特定震源，其振幅和形态随时空变化而变化， 在一定时空范围内又具有统计稳定性，可用时间和 空间上的稳定随机过程来描述[1]。微动的信号来源 主要有两种，分别为频率高于1Hz的人类活动和频率 低于1Hz的自然活动。微动信号中包含了信号源、 传播路径及地下结构的信息，面波是其主要能量组 成部分，占总能量的70%以上（Tokoz and Lacoss， 1968）。
微动勘探方法是以平稳随机过程理论为依据， 从微动信号中提取面波（瑞雷波）频散曲线，通 过对频散曲线的反演得到地下介质的横波速度结 构，从而进行岩性分层及构造分析的地球物理勘 探方法。早在1887年，英国数学物理学家瑞雷 （Rayleigh）预言了均匀半空间中存在一种振幅沿纵 向呈指数衰减的弹性波，后来人们从天然地震记录 中证实了这种波，并称之为瑞雷面波。随着研究的 深入，于20世纪50年代初，人们又发现瑞雷面波在 层状介质中具有频散特性，当时Haskell首先用矩阵 方法计算了层状介质中瑞雷面波的频散曲线，这就 是利用瑞雷面波勘查地层结构的理论基础。1957年 和1969年，Aki和Capon分别用空间自相关法(SPAC