浅析地微动探测技术在断层勘测中的应用

XXX项目
浅析地微动探测技术在断层勘测中的应用
指导老师：
组长：
组员:
目录
摘要 ........................................................................................................... - 4 -
关键词：地微动探测技术优越性断层勘察隐伏断层.............. - 4 -
第一部分前言............................................................................................ - 5 -
一、物探技术的含义.................................................................................... - 5 -
二、断层的定义及其危害性........................................................................ - 5 -
三、探测隐伏断层的意义............................................................................ - 6 -
四、城市勘探中对探明隐伏断层的要求.................................................... - 6 -第二部分地微动探测技术........................................................................ - 8 -
一、地微动探测技术介绍............................................................................ - 8 -
（一）微动探测方法的由来................................................................ - 8 -
（二）微动探测工作原理和方法技术................................................ - 9 -
二、地微动探测方法的优越性.................................................................. - 12 -
三、地微动探测方法应用案例.................................................................. - 13 -
（一）地微动探测技术测深划分岩性层: 以地热井位选址为例... - 13 -
（二）地微动探测技术在城市轨道交通勘探工作中的应用.......... - 13 -
（三）地微动探测技术在水库大坝隐患探测中的应用.................. - 13 -
（四）地微动探测手段在断层勘测中的应用.................................. - 14 -
四、地微动探测方法的局限性和今后改进方向...................................... - 14 -第三部分地微动探测手段在断层勘测中的应用.................................. - 16 -
一、微动探测法在断层勘察中的应用——以贵阳地铁2号线建设为例.- 16 -
（一）工程概述.................................................................................. - 16 -
（二）物探方法选择及测线布置...................................................... - 16 -
（二）微动探测结果和钻探验证结果分析...................................... - 17 -
（三）微动探测结果.......................................................................... - 18 -
（四）钻探验证结果........................................................................ - 20 -
（五）总结.......................................................................................... - 22 -
二、二维微动剖面探测隐伏断裂——以河南某煤矿采区为例 .................. - 23 -
结束语........................................................................................................ - 24 -参考文献.................................................................................................... - 25 -
摘要
地
微动探测技术是在传统微动测深的基础上研究发展的一种探测新技术。

该技术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瑞利波频散曲线，经反演获取S 波速的地球物理探测方法。

该项技术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。

近些年，此项技术逐步应用于国内城市活断层调查、工程地基勘察和场地稳定性评价等多个勘探领域。

本文将浅析微动探测法在断层勘察中的应用，分析该技术在城市强干扰地区探测地下隐伏断层的适用性，为类似地区开展物探工作、选择物探方法提供参考。

关键词：地微动探测技术优越性断层勘察隐伏断层
第一部分前言
一、物探技术的含义
物探——地球物理勘探的简称，它之所以能够解决或查明有关地质和工程问题，是因为所要探测的地质对象与周围介质间存在某种物性差异。

而这种物性差异可影响被寻找地质体周围某种天然或人工物理场的分布特征。

物探技术就是利用先进的物探仪器来摄取这些物理场的分布并与均质条件下的物理场相比较，找出差异的部分来研究与勘探对象之间的关系，达到解决地质问题或工程问题的目的。

二、断层的定义及其危害性
断层是地壳，表层中岩层顺破
裂面面发生明显位移的构造。

岩石
发生相对位移的破裂面，被称为断
层。

断层面之上的一侧称为上盘。

之下的一侧称为下盘。

上盘相对是
下滑，错动的称为正断层。

多是由
于受拉张造成。

上盘相对是上冲错
动的称为逆断层或逆冲断层。

多是
由于受挤压造成。

两盘沿断层走向
呈相对水平错动的称为平移断层或
走滑断层。

断层有各种不同的尺度，从较小的破裂，到上千公里的板块边界的断裂带。

小断层在地表的出露近似为一条线，很多大断层则常是包括多条断层集合的宽阔的地带。

断层存在的深度不同，较小的断层一般存在于地壳表部，巨大的断层一般可达到地壳的脆韧性转换带。

因此断层一般在中上地壳最为明显。

大多数的地震也是发生在二三十千米以上这一深度的范围。

深部的断层，有的直接出露地表。

有些则是隐伏的，他们在深部的位置和延伸情况要靠地球物理等方法间接测定。

在漫长的地质历史过程中，地球表面层形成过不计其数的大大小小的断层。

他们形成与活动的时代新老不同。

许多断层经过强烈滑动位移之后，早已停止了活动。

成为已愈合的死断层。

这类断层一般不再具备引发地质灾害的危险。

对研究现代断层引发的地质灾害的危险性来说。

更关心现代仍在活动着的断层。

即活断层。

从地质学角度看，一条断层如果在现代构造应力场的背景下，或者说是在现代构造环境下曾是活动的，它就可被视为活动断层。

工程意义上的活断层是指自晚更新世（12万年前左右）以来的活断层。

这些活断层在我国大陆内广泛分布，尤其是在中国的西部地区，活断层规模大，活动性强，造成了严重的地质灾害，大断层常常构成区域地质格架，控制区域地质结构的演化，而小断层由于数量多，分布广，隐蔽性强，其破坏性更不容忽视，分布于城市地下的断层多属于这一类型，因此对城市地表建筑和地下生命线构成严重威胁。

三、探测隐伏断层的意义
活断层是地壳中最重要的构造，也是引发地震、地裂缝，地表沉陷、坍塌、滑坡等地质灾害的罪魁祸首。

城市建筑物密集、人口密度大、基础设施网络化、系统本身存在着严重的脆弱性，因此断层的存在严重威胁着城市和人类的安全。

面对活断层引发的地质灾害，人们通过对不良地质的调查，圈定潜在的灾害区，从而制定相应的防灾措施。

对活断层的探测与识别中最困难的则是对隐伏断层的勘测，他们在深部的位置和延伸情况只能靠地球物理等方法间接测定。

因此开展隐伏断层的探测，对城市建筑和人类的安全保障至关重要。

四、城市勘探中对探明隐伏断层的要求
在地震安全性评价和工程场地勘探中，探明隐伏断层是一项必做的工作；而探明隐伏断层的方法选择要因地制宜，经济科学。

在场区内选取普查活断层的有效物探方法，不仅要考虑岩石的物性、断层构造面的形态特征及其引起的物性差异，而且还要考虑场区环境对物理、化学探测方法的干扰和限制。

目前常规物探探测方法主要有: 高密度电阻率法、直流电测深法、地震波法和地质雷达。

对于城区的地质勘探，由于这些方法受城市复杂的环境条件制约，探测效果不甚理想。

高密度电阻率法和直流电测深法受硬化路面制约，无法满足电极接地条件; 地震波法受到城区的交通、行人、机械振动和高压输电线干扰，基本无法采集有效信号; 地质雷达法分辨率较高，但有效勘探深度一般小于 5 m，无法满足轨道交通的探测深度要求，
且在城市主城区勘探时受到地下管线、管网，以及测线附近建筑物干扰，雷达资料判释时常常具有多解性。

微动探测法则适用于地面障碍物覆盖区（城区）的构造勘探，且不受电磁干扰、场地噪音及高低速夹层、低阻高导层屏蔽作用的影响，对深部地层的分辨能力强，对断层破碎带（裂隙发育）、采空区（空洞）、花岗岩孤石等探测效果好。

第二部分地微动探测技术
一、地微动探测技术介绍
（一）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”。

这是一种在时间、空间域内都极不规则的震动现象，既由诸如气压、风速、海浪、潮汐变化等自然现象产生，也源自车辆行驶、机器运行以及人们日常生活、生产活动等。

根据波动理论，微动信号中既包含体波也包含面波，但大多数情况下微动的震源在地表或海底，故微动信号中的面波成分相对于体波占绝对优势。

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
相关法提取出面波（瑞利波）
频散曲线，经反演获取台阵下
方S 波速的地球物理探测方
法。

这一方法在国外、特别是
在日本已广泛应用于盆地结构
调查、工程地质勘察、场地稳
定性评价等多个领域。

徐佩芬等近年来在传统微
动测深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，在地热
调查、煤矿采区构造及采空区
探测、城市地质调查、活断层
探测等多个领域取得实用性成
果，是对传统微动探测方法的
继承与创新。

（二）微动探测工作原理和方法技术
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）。

微动是一种由体波( P 波和S 波) 和面波( 瑞利波和拉夫波) 组成的复杂振动，并且面波的能量占总能量的70% 以上。

尽管微动信号的振幅和形态随时空变化，但在一定时空范围内具有统计稳定性，可用时间和空间上的平稳随机过程描述。

微动探测方法就是以平稳随机过程理论为依据，从微动信号中提取面波(瑞利波) 频散曲线，通过对频散曲线反演获得地下介质的横波速度结构。

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. 1 空间自相关法
（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）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 频率－波数法
（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）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：
（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）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。

（3）平面探查形式
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。

二、地微动探测方法的优越性
1.技术优势在于利用天然场源、不需要笨重的人工能源的环境友好特点。

2.仪器设备轻便，野外施工便捷，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。

特别适用于人口密集、交通
繁忙、振动和电磁干扰严重的城市和乡镇。

4.由于其利用面波，不受高、低速夹层和低阻高导层屏蔽作用影响，在诸如厚第
四系松散沉积层地区、有海水浸入层的沿海地区仍能取得较好探测效果。

三、地微动探测方法应用案例
（一）地微动探测技术测深划分岩性层: 以地热井位选址为例
利用物探方法圈定含水破碎带和热储水层的区域分布，是地热勘查的有效手段。

地层岩性差异是微动测深法划分岩性层的物理前提。

岩面、不同时代地层分界面等地质界面岩性差异大，从而也是良好的速度分界面，采用微动测深法可有效确定其深度，误差基本可控制在10% 以内。

采用微动勘探技术，取得了某地块地热勘查视S波速度剖面，其中低速异常表征的破碎带判定为热储含水构造。

结果表明，微动勘探方法对深部低速层的分辨能力较高，对破碎带等低速异常体探测效果良好，能有效圈定含水破碎带区域，有助于提高地热勘查精度，可为地热井位选址提供重要依据。

基这一方法已成为基岩面探测、盆地结构调查、地热井位选址的重要技术手段，更因其野外数据采集灵活便捷和成本低的特点，受到应用单位青睐。

（二）地微动探测技术在城市轨道交通勘探工作中的应用
微动探测在城市轨道交通勘探工作中的应用主要为: 地下空洞探测、活动断裂探测、覆盖层厚度及基岩面形态探测、“孤石”探测、溶洞探测、地层剪切波速测试等几个方面，其中覆盖层厚度及基岩面形态探测能直观显示岩性的纵、横向变化，除提供工程基岩面的埋深及起伏形态信息外，还可给出岩土层风化程度的判断信息。

微动探测不受场地条件限制，可在交通繁忙、建筑物密集、钻探难于实施的闹市区或地质信息盲区进行有效探测，特别适合于城市复杂场地环境和电磁环境的地质体探测，微动探测方法的小半径台阵一般能达到30 ～50 m 的探测深度，能很好地满足城市轨道交通工程的探测深度要求，是一种无损、经济、高效的地球物理探测手段，有着广阔良好的发展前景，是城市地铁探测的首选方法，也是最佳方法。

（三）地微动探测技术在水库大坝隐患探测中的应用
水库大坝是重要的挡水建筑物，大致可分为混凝土坝和土石坝，其中土石坝主要依靠坝体自重维持稳定，并在防渗体的防护下减少渗透水量。

研究和实践表明，水库大坝的隐患类型多种多样，如防渗体不满足规范要求或施工
质量问题造成防渗体渗水，坝下涵管管壁与坝体接触部位由于设计或施工等原因发生接触冲刷，浆砌石坝砌体不密实，上游防渗面板混凝土裂缝、止水破坏等，或者是坝体处于岩溶发育区等，这些隐患的物性差异不尽相同，单独采用一种物探方法进行探测，都可能会造成误诊或者漏诊，因此对于水库大坝的隐患探测，需要采用多种地球物理方法进行综合的数据分析和解释。

微动探测可用于探测目标区域的地下空洞、活动断裂、覆盖层厚度、基岩面形态以及溶洞等。

微动勘探技术是一种简便、快捷、对观测环境无特殊要求同时又不破坏环境的地球物理勘探方法，能够对病险水库大坝的隐患进行及时和有效的探测，并对堤坝隐患治理提供精确指导。

例，运用微动勘探技术对缺陷进行探测坝体或坝基中存在渗流的部位通常含水量较大，渗流流经部位通常是不良地质体或工程隐蔽缺陷导致的，而不良地质体和工程隐蔽缺陷与周围介质存在明显的波阻抗差异。

这种差异是地球物理勘探与检测的必要物理前提，针对这种物性差异采用微动法进行探测，再通过综合对比分析，可对大坝隐患分布特征进行解释、判定。

（四）地微动探测手段在断层勘测中的应用
微动探测法则适用于地面障碍物覆盖区（城区）的构造勘探，且不受电磁干扰、场地噪音及高低速夹层、低阻高导层屏蔽作用的影响，对深部地层的分辨能力强，对断层破碎带（裂隙发育）、采空区（空洞）、花岗岩孤石等探测效果好。

详见第三部分
四、地微动探测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。

4、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。

第三部分地微动探测手段在断层勘测中的应用
一、微动探测法在断层勘察中的应用——以贵阳地铁2号线建设为例
（一）工程概述
贵阳地铁2 号线 2 标段位于贵阳市老城区一带，沿延安路、宝山路铺设，线路全长7. 6 km，均为地下线。

延安路站—阳明祠站区间全长 1. 2 km，隧道直径7. 2 m，轨面埋深24. 0 ～27. 0 m，采用矿山法施工。

根据区域资料，轨道交通 2 号线自西向东发育照壁山断层、六神关断层、阳明祠断层、阳明祠#1，#2 断层、东山断层、水口寺断层、南明河断层，断层以NE、NNE 走向为主。

本次研究的延安路站—阳明祠站
区间发育照壁山断层、六神关断层、
阳明祠断层、阳明祠#1，#2 断层，贵
阳地铁 2 号线 2 标段地质构造示意，
见图。

研究区地貌属喀斯特地貌，地面
高程1 060. 0 ～ 1 085. 0 m，第四系
覆盖层为可塑至硬塑状红黏土，下部
基岩以安顺组( T1a) 白云岩、大冶组
灰岩为主，局部为泥质白云岩，构造
发育地段分布有断层角砾岩。

（二）物探方法选择及测线布置
1.物探方法选择
勘察 2 标地处贵阳市老城区，为贵阳市商业、经济、文化产业集中区。

城区面积较小、街道较狭窄、车流量大、交通十分拥堵，高层建筑、房屋商铺、地下通道、人行天桥等建( 构) 筑物众多，地下管线密集、震动噪声、杂散电流、电磁波干扰大。

采用常规的物探方法在区内工作时受干扰因素较多，探测效果不佳，考虑到微动探测法较常规物探方法较强的抗干扰能力，本次在轨道交通 2 号线工程中引入了该项技
术，探索其在贵阳地区地铁勘察中的适用性。

2.测线布置方案
针对延安路站至阳明祠站区间发育的六神关断层、阳明祠#1 断层及阳明祠断层，在该地段共布设了2 条微动测线剖面; 六神关断层地段布置了 F 测线，阳明祠#1 及阳明祠断层地段布置了E 测线，两条测线总长约561. 6 m，测点间距平均约10. 4 m，共56 个测点。

（二）微动探测结果和钻探验证结果分析
根据经验统计和本次微动探测数据分析，对地下岩土体特征Vx 判定标准，见表1。

从表1 可以看出: 区内Vx ＜350 m/s 的岩层，解释为覆盖层。

Vx 为450 ～600 m/s，以条带状、连续向下贯通延伸且等值线呈高梯度变化的低速异常区，解释为断层破碎带。

Vx ＞600 m/s，可以认为是基岩岩体。

但受可溶岩岩溶发育程度影响，局部存在低速异常区，又可分别划为V，IV，III 三类，分别对应岩溶强烈发育或富水岩体、岩溶中等发育或含水岩体、岩溶弱发育岩体
（三）微动探测结果
F 测线微动测点布置，见图1。

图1：F测线微动测点布置示意
F 测线布设于YDK33 + 720. 288 ～+ 939. 463 间，全长208. 0 m，共有21 个探测点，探测结果，见图2。

图2：F测线微动探测结果
从图1、图 2 分析得出: F 测线地表下约9. 0 ～11. 0 m 范围内岩土体Vx 总体小于340 m/s。

在F12 ～F13 之下发育显著低速异常，宽约20. 0m，低速带内物质视向速度Vx =420 ～540 m/s。

低速带左侧F11 ～F12 及低速带右侧F14 ～F16 测点范围内岩体视向速度Vx =540 ～600 m/s，对应物探判定标准属Ⅳ～Ⅴ类异常; 远离低速带处F10 测点及F17 测点深部岩体视向速度Vx 均大于700 m/s，局部最大可达900 m/s。

据此推测，六神关断层从低速带F12 ～F13 测点范围内通过。