利用空间自相关法研究华北克拉通中部瑞雷面波频散特征

华北克拉通(North China Craton, NCC)是中国大陆最古老的克拉通之一,是研究大陆岩石圈形成与演化的天然实验室。利用华北地震科学台阵在2007年1月13日记录的地震微动信号的垂向分量,采用空间自相关法(spatial autocorrelation method, SPAC)获得了华北克拉通中部块体7~33 s的瑞雷波相速度频散曲线。结果表明:总体而言,研究区的频散曲线随周期增加而增大。7~12 s的相速度增加梯度较陡,可能反映了该区域地表太古宙至古生代早期的古老基岩露头的影响;13~16 s的相速度反映中地壳的速度变化,中部块体的相速度值随周期增大而逐渐减小,并在16 s时达到最小值,这与该地区中地壳发育低速层的地质背景较吻合。

地铁线路采空区微动剖面法探测研究——以广州地铁14号线二期为例

煤层开采留下大范围采空区,可能引发地面沉降和塌陷,危害地面建筑物和地下设施安全,查明采空区的空间位置与结构形态,对矿区环境治理、土地资源开发利用和确保地铁、铁路等大工程建设地质安全具有重要意义.然而,采空区探测一直是公认的行业难题,尤其是当采空区位于城镇等复杂强干扰环境下,传统的采空区物探面临诸多挑战.本文采用微动剖面探测新方法研究广州地铁14号线二期乐嘉路站—岗贝站区间的煤层采空区,介绍在城区交通要道开展地铁线路采空区微动剖面法探测的方法技术.探测查明2#、4#煤层采空区、六处岩巷与二处竖井,与钻孔揭露情况和历史记载的煤矿开采水平巷道吻合,探测结果为地铁设计建设提供了可靠的物探依据和地质安全保障.

利用微动勘察方法探测煤矿陷落柱

陷落柱是危害煤矿安全生产的主要因素之一,如何有效探测陷落柱是实现煤矿安全、高效生产的当务之急.本文首次将微动勘察方法应用于煤矿采区勘探,结果表明,该方法对陷落柱异常区反映敏感.在山西潞安漳村煤矿2002工作面测区已知陷落柱上,无论是单点反演获得的S波速度结构,还是微动视S波速度剖面,均能清晰显示陷落柱.微动剖面确定的陷落柱位置与巷道揭露位置一致,边界误差在10 m左右.微动勘察方法是探测陷落柱的一种行之有效的物探方法,由于其分辨率高、无需人工源、野外施工方法灵活便捷、不受施工场地限制等特点,对探测村庄覆盖区之下的煤层构造、圈定陷落柱等,具有得天独厚的技术优势和应用前景.

微动探测:地层分层和隐伏断裂构造探测的新方法

微动探测作为地层分层和隐伏断裂构造探测的物探新方法,已成为盆地结构调查、地热井位选址和隐伏地质构造探测的重要物探手段。微动测深确定岩性差异较大的地质界面,如新生界地层底界、侏罗系与二叠系地层分界面、二叠系-石炭系灰岩顶界面等,深度误差可控制在5%左右。断层破碎带/隐伏断裂构造在微动视S波速度剖面上显示为低速异常或明显的速度差异,易于识别、解释。二维微动剖面技术已在探测隐伏地质构造(断层、陷落柱等)方面取得较好地质效果。本文介绍其原理、方法和应用实例。

二维微动剖面探测“孤石”:以深圳地铁7号线为例

"孤石"是花岗岩不均匀风化所残留的风化核,在我国南方沿海地区普遍发育."孤石"埋藏分布随机,形状大小各异,给地铁盾构施工带来重大安全隐患,探测"孤石"一直是地铁工程勘察面临的难题.我们首次尝试利用二维微动剖面技术探测"孤石",在深圳地铁7号线车公庙—上沙段区间实测二条剖面,结合少量钻孔资料进行岩性层划分和"孤石"解释.实测结果显示,在二维微动视S波速度剖面上,素填土、粉质粘土、砾质粘性土等岩土层、全风化、强-中风化、微风化和未风化的花岗岩层,视S波速度值各不相同,剖面特征也存在较大差异,利用少量钻孔结果标定,易于划分;在强-中风化花岗岩层中,视S波速度(岩性)横向变化剧烈,局部发育"团块状"高速体,本文将其解释为未风化的花岗岩"孤石".本文结果表明,二维微动剖面技术探测"孤石"是有效的微动视S波速度剖面除能直观显示岩性的纵、横向变化,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,为高层建筑的桩基设计提供地球物理依据.作为一种全新的"孤石"探测手段,二维微动剖面技术尤其适用于交通繁忙、建筑物密集的、各种场源干扰严重的闹市区.

利用SPAC法估算地壳S波速度结构

S波速度结构能够反映地球介质的物性差异，是地壳内低速区结构特征判别的重要依据．本文尝试利用空间自相关法（SPAC法）从地震台站微动信号的垂直分量中提取瑞利波相速度频散曲线，通过对频散曲线的反演获得地下介质的S波速度结构．以国家数字测震台网8个宽频带地震台站的实测微动数据为例，采用SPAC方法获得了首都圈地区北京附近约30km深度范围内的一维S波速度结构．结果表明，该区结晶基底埋深较浅约2km；分别在5～8km和12～16km深处发育S波低速层；8km和20km处是S波速度差异较大的速度分界面．这一结果与以往地震学及人工地震探测结果较为吻合，表明SPAC法估算地壳s波速度结构是可行、有效的．

微动勘查方法及其研究进展

本文简要回顾了微动的发展历史,并着重介绍了微动勘查方法的原理、方法及其最新进展.当今,城市物探中传统的地球物理勘探方法越来越受到限制,微动勘查方法以施工简单、成本低、费时短、对环境没有任何影响等优点,越发显现出其优势.由于横波速度对煤层陷落柱、采空区等速度异常区反映敏感,微动方法对探测陷落柱及解决村庄覆盖区的煤层构造问题,具有得天独厚的技术优势和应用前景.

土石混合滑坡体微动探测:以衡阳拜殿乡滑坡体为例

土石混合滑坡体地表地形复杂,土、石混杂堆积,结构松散,探测难度大,目前尚缺乏有效的物探手段.本文首次尝试将小台阵二维微动剖面探测技术应用于衡阳市拜殿乡的土石混合滑坡体探测.探测结果揭示,该滑坡体上部为砂质黏性土层,含块石较多;下为全风化花岗岩层,岩性较为均匀,块石含量少,其顶部为该滑坡体潜在的滑动面.滑动面在滑坡体后缘较陡、中部较为平缓,从而后缘的重力失稳、滑动风险更大.滑坡体的滑床(中-强风化花岗岩、微-未风化花岗岩)埋深在10m以下,起伏变化较大,但岩体相对致密、完整,稳定性好,不易滑动.探测结果与钻探资料较为吻合,为评价滑坡体稳定性、设计合理的治理方案提供了地球物理依据.

微动勘探方法探测林南仓煤矿岩浆岩侵入体

为了在村庄覆盖、第四系地层厚度较大的测区有效探测井田岩浆岩侵入体,首次采用微动勘探方法探测,利用微动测深获得的S波速度结构,结合实测视S波速度剖面特征,综合分析解释岩浆岩侵入体情况。在林南仓煤矿西四采区实测2条剖面,各测点下方的S波速度结构相似,视S波速度剖面上未见高速异常体穿插煤系地层,分析表明该采区无大规模岩浆岩侵入体。实际应用也证明,微动探测结果与探巷验证情况吻合,微动勘探方法利用岩浆岩与煤层的S波速度差异,能有效探测煤田岩浆岩侵入体。

微动勘探法圆形阵列台站数量和分布方式研究

对于微动勘探法常用的圆形阵列,讨论圆周上不同台站数量和分布方式对实测结果的影响。以10个台站的圆形阵列为例,对场地实测微动数据估算其空间自相关系数;并对比分析不同台站数量和分布方式情况下空间自相关系数的差别。结果表明:当圆周上只有1个台站时,难以得到准确的空间自相关系数;当等间隔分布3个台站时,能得到准确的空间自相关系数;当不等间隔分布3个台站时得到的空间自相关系数会有一定的扰动,且在第一个最小值附近有很大的偏差。结论是圆周上等间隔分布3个台站的圆形阵列最具适用性。

微动多阶瑞雷波SPAC系数反演方法及应用研究

为充分利用微动信号中基阶和高阶模式瑞雷波,本文研究了基于多阶瑞雷波SPAC系数直接反演的方法.该方法首先基于地层介质响应计算多阶瑞雷波的能量占比,考虑实际观测台阵有限台站个数对SPAC系数影响,正演计算多阶瑞雷波SPAC系数,再采用快速模拟退火算法对其反演以获得地下介质横波速度结构.在此基础上,本文通过数值模拟验证该方法的可靠性,分别选取三种典型地质模型,基于模式叠加算法合成理论微动信号,采用本文方法计算其理论多阶瑞雷波SPAC系数并反演,给出反演结果与真实模型对比.我们将该方法应用于上海中心城区的地质调查中,通过与钻探结果对比,进一步验证该方法的有效性.本文理论与实际应用研究表明,基于多阶瑞雷波SPAC系数直接反演的微动探测方法有助于提高反演结果的可靠性,尤其对含软硬夹层的复杂地层介质,可提高探测精度.

基于微动H/V谱比法的土石分界面探测研究——以济南中心城区为例

土石分界面对城市抗震设防和地下工程建设具有重要意义.城市中复杂的干扰限制了常规地球物理勘探方法的使用,本文选用环境友好且抗干扰能力强的微动H/V谱比法对济南中心城区的土石分界面展开研究.在济南中心城区开展三分量微动测量,得到了400多个测点的微动数据,计算了对应的H/V谱比曲线.将得到的H/V曲线划分成单峰、宽峰、双峰和无峰四种类型,分析了不同类型曲线与地质结构的关系.根据基岩性质不同,将研究区的基岩划分为灰岩和岩浆岩两种类型,总结出了基岩为灰岩时的深度-频率关系式,同时发现当基岩为岩浆岩时无法得到可靠的关系式.根据关系式计算得到了济南部分测线的土石分界面深度分布,另外,关系式的计算结果与钻孔资料十分吻合,能满足工程探测的精度要求.本方法为在城市强干扰环境中确定土石分界面深度提供了快速准确的解决方案.

覆盖区岩溶溶洞的微动探测试验研究——以福建永安大湖盆地为例

基于岩溶发育位置及程度等规律对现代城市开发建设的重要意义,利用二维微动剖面探测方法开展灰岩岩溶区地层结构探测,获得关于隐伏岩溶洞穴发育规律的新认识。二维微动探测方法利用天然源面波的优势,不受人文居住环境干扰限制,在浅层地质结构探测方面凸显出优势。利用该方法研究覆盖区岩溶发育规律,在福建永安大湖盆地内两处岩溶国家地下水监测井钻孔旁,通过钻孔孔内S波速度波速测试结果分析总结地层速度规律,同时二维微动剖面探测结果与钻探结果对比揭示,灰岩岩溶发育、不发育段的视S波速度分别为1 000～1 600 m/s,1 700 m/s以上,灰岩中溶洞的视S波速度为300～850 m/s,存在显著差异。利用微动视S波速度剖面,进一步揭示坑边和霞鹤地区地下岩溶洞穴虽整体发育形态表现为层状,但其发育形式主要为岩溶管道型;区内岩溶深度达160 m,发育深度与地形起伏有一定相关性。基于2处试验区的总结性规律,分析了大湖盆地内另一微动测线处的岩溶发育规律并得到验证。由此可见,通过微动剖面结果与钻孔对比分析规律,可利用该规律以微动剖面结果为基础推测该区域其他无钻孔区域的岩溶发育情况。结果表明,微动探测能较直观地探测覆盖型岩溶区地下灰岩溶洞的发育及空间分布情况,并可追踪分析岩溶的横向变化规律。

微动勘探方法在地热勘查中的应用

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。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。

微动剖面探测法在城市轨道交通勘察中的应用及效果:以广州地铁十号线为例

在城市轨道交通工程地球物理勘测中一直面临抗干扰和精准探测难题。以广州市轨道交通十号线寺右新马路段地下人防构筑物探测为例,介绍了二维微动剖面(2D microtremor profile,2DMTP)探测技术的方法理论及其在城市轨道交通工程勘察中的应用效果。通过与钻探成果的对比分析,提出了2DMTP在城市轨道交通勘测、设计不同阶段的使用建议。结果表明:微动剖面探测方法非常适用于城市复杂强干扰的工作环境,能为轨道交通勘察设计、施工安全提供重要的依据,对提高工程地质勘察精度,降低勘探成本与施工风险,缩短建设工期起到重要作用。

微机绘制电法平面、断面等值线图原理及程序设计

本文介绍了用近点平均加权法进行网格化处理、追踪等值线以及曲线的光滑等基本原理。说明了绘图程序的设计思想,给出了程序的详细框图和实际资料的处理实例。该程序不仅适用于电法图件的绘制,也可用于其它各种等值线图的绘制。

CO_2封存及其地球物理监测技术研究进展

随着温室效应加剧,CO2排放量的控制日益受到重视,CCS(Carbon Capture and Store,简称CCS)技术被看作是最具潜力的解决方案之一.其主要包括捕捉、运输、封存、监测等主要环节,封存中的地质封存适用性最好.CO2地质封存后,需在地表监测其泄漏运移情况,这是CCS技术能够成功的关键之一.本文概述CCS技术及其研究进展,并分析介绍了CO2的监测技术,重点阐述地球物理监测技术及发展状况.微动技术作为具有潜力的监测新方法正日益受到重视.

微动数据平稳性检验方法的适用性分析

微动勘查方法基于微动数据满足平稳性的理论假设.检验数据平稳性的方法较多,各种方法有各自的适用性.本文研究了图检验法、轮次检验、逆序数检验、单位根检验、Space Time-Index等方法在微动数据平稳性检验中的适用性.测试了两组微动数据,一组没有受到干扰,另一组受到过往车辆的干扰.测试结果表明:图检验法不能保证准确性;单位根检验出现误判;轮次检验和逆序数检验计算简单,效率高,但分段数和子段长度不合理时出现误判;Space Time-Index方法准确性高,但计算时间长,效率低.因此,准确判别微动数据的平稳性不宜用图检验法和单位根检验,可以根据微动数据的数量用轮次检验、逆序数检验或Space Time-Index方法.

微动勘探中噪声场分布的不均匀性对圆形和直线形台阵的影响研究

为了研究微动勘探中噪声场分布的不均匀性对常用的圆形和直线形台阵提取频散曲线结果的影响,本文通过模拟噪声数据,定量分析了噪声源集中在某一方向或各向均匀分布时,利用直线形和圆形台阵得到实测频散曲线和理论频散曲线的误差.结果表明,圆形台阵的适用性较强,噪声场分布的不均匀性对提取得到的频散曲线影响较小,而直线形台阵的适用性取决于场地条件,当噪声源满足各向均匀分布时,直线形台阵可提取得到可靠的频散曲线,但当场地条件难以满足噪声源各向均匀分布时,提取得到的频散曲线误差较大.因此,即使直线形台阵施工方便,也要慎重使用.

宁波轨道交通暗浜勘察物探方法研究

河流被填埋后形成的暗浜是城市基础工程建设的重要安全隐患.因填埋物成分复杂,结构松散,未探明的暗浜在地铁盾构施工、地下车站深基坑开挖中可能引发坍塌等安全事故.本文以宁波轨道交通暗浜勘查为例,研究二维微动剖面探测法、瞬态瑞雷波法、高密度电法三种物探方法探测暗浜的有效性.结果表明:这三种物探方法都暗浜具有较好的探测效果,显示暗浜填埋区异常形态总体一致,与钻探揭示的暗浜底界深度,误差分别小于4%、7%、7%,能满足工程精度要求.二维微动剖面探测和瞬态瑞雷波法抗干扰能力优于高密度电法,更适用于城市工程勘察,而采用天然场源(微动)的微动探测法则在闹市区强干扰环境下的轨道交通勘察中更具技术优势.以上述三种物探方法为主、配合地质调查及少量钻探,是实现暗浜"无损"、高效探测的主要途径.