SPAC方法在城市地热勘探中的应用

刘 磊, 王斌战, 裴 银, 唐启家

(1.湖北省地质局 地球物理勘探大队,湖北 武汉 430056; 2.湖北省地质局 第七地质大队,湖北 宜昌 443100; 3.中国地质大学(武汉) 地球物理与空间信息学院,湖北 武汉 430074)

在传统城市地球物理勘探方法(以下简称物探方法)中，人文活动、交通运输和工程建设等外在因素常被视为干扰传统物探方法施作或是影响物探方法精确度的重要因素。随着中国城市化率的逐年提高，传统物探方法在城市地质调查相关工作中受到了严重的制约。因此，发展或改进现有物探方法，使其能适应国内城市建设所带来的影响具有重要的实际意义。

对于地震勘探来说，自然界和人类所产生的活动，如潮汐、交通工具的移动、机器运行等会产生可观的背景噪声。这些噪声70%以上是以面波的形式传递，SPAC法利用这些噪声进行地下结构的成像是近年城市物探的重要方法之一。背景噪声成像技术摆脱了传统物探方法须在低干扰环境下施测的限制，可以由噪声互相关函数中提取面波经验格林函数，有效得到地下速度结构。近年来，国内有许多利用噪声成像方法进行城市物探工作并取得成功的案例，如在煤矿的陷落柱识别[1]、城市地下空洞和风化体等探测[2]、城市轨道工程的异常体(如孤石)检测[3]等。除了一般城市物探外，噪声成像方法也可用于地下隐伏断层探测[4]、地热勘探[5]等具有实际应用价值的领域。

相较于传统以主动源为主的物探方法，地震背景噪声成像(SPAC法)具有无破坏性、受探勘区域地形及人为干扰较少等特点，非常有利于在城市或背景干扰较大的区域进行施测，此方法的发展和应用，将能有效地为中央政府在推行宜居城市建设中提供重要的技术支撑。

1 地质构造及地热存储条件

宜昌市城区一带，在地质构造上位处扬子准地台的上扬子台坪鄂中褶断区西部的黄陵断穹东翼与江汉断陷盆地的过渡带。区域构造线主要为NNE、NNW-NW和NWW-近东西方向(见图1)。

黄陵断穹东翼自西向东由老至新分布地层主要为震旦系下统陡山沱组(Z1d)、震旦系上统—寒武系下统灯影组(Z2-∈1d)、寒武系下统牛蹄塘组与石牌组(∈1n+∈1)及天河板组(∈1t)、寒武系下统石龙洞组(∈1sl)与覃家庙组(∈1q)、寒武系上统—奥陶系下统娄山关组(∈3-O1l)、奥陶系下统南津关组—牯牛潭组(O1n-O1g)、奥陶系中统庙坡组(O2m)和中—上统宝塔组(O2-3b)以及奥陶系上统—志留系下统龙马溪组—罗惹坪组(O3-S1l-S1lr)和志留系下统—中统纱帽组(S1-2)等。中生界白垩系下统石门组(K1)、五龙组(K1w)和上统罗镜滩组(K2l)—跑马岗组(K2p)自西向东亦由老至新广泛分布，并不整合于前白垩系各地层之上。其中震旦系—奥陶系主要岩性为碳酸盐岩，志留系主要为砂页岩，白垩系为一套以泥质粉砂岩、泥岩、含砾粉砂岩为主夹砂砾岩的紫红色碎屑岩建造。

图1 宜昌市区域构造略图(1∶100万)Fig.1 Regional tectonic sketch of Yichang1.张性断裂;2.张扭性断裂;3.扭性断裂;4.挽近期活动性断裂;5.性质不明断裂;6.推测断裂与隐伏断裂;7.侏罗纪盆地;8.中新生代与新生代盆地或槽地;9.第四系松散堆积物;10.第三系—白垩系碎屑岩;11.侏罗系碎屑岩;12.三叠系—震旦系碳酸盐岩夹碎屑岩;13.前震旦系变质岩;14.前震旦系岩浆岩。

地热存储的形成一般均需具备以下4个条件：①具有储存热水的空间(溶洞、溶隙、裂隙、孔隙)；②热储层上覆有较厚的保温盖层；③地热流体进行循环的通道(一般为深大断裂)或地下有丰富的热源补给；④热储流体有丰富的补给来源。宜昌市城区位处黄陵断穹东翼，城区西侧南津关以西奥陶系、寒武系和震旦系上统的碳酸盐岩地层广泛分布，且岩溶和裂隙(溶隙)均较发育，尤其是寒武系及奥陶系碳酸盐岩更是如此，成为区内主要的热储层，其中分布面积不下700 km2，皆为以8°～15°倾角向东缓倾，至宜昌市东部，埋深均在750～2 000 m或更深。南津关以西总厚度超过1 200 m的可溶性岩层，为接受大气降水和地表水的入渗提供了丰富的补给来源；南津关以西地壳为以上升运动为主,以东则为以下降运动为主的接合地带，因而在此升降差异剧烈的地带，极有可能伴随隐伏的断裂构造成生。以上这些，为宜昌市城区东部地下热储的形成造就了有利的地质环境条件(见图2)。

2 SPAC方法原理

由于背景噪声的信息主要是以面波的形式存在，因此背景噪声具有传播速度随频率或周期变化的特点。本研究使用在背景噪声成像中常用的空间自相关技术(Spatial Auto Correlation,简称SPAC法)，此技术最早是由Aki在1957年提出，用于提取面波频散曲线的一种方法[6]。常规的信号采集及处理大致可以分为3个步骤:数据采集及预处理;频散曲线的提取;S波速度构造反演。具体方法如下：

(1) 数据采集。SPAC法需在圆心及不同半径的圆周上布置正三角形台阵，可允许多层台阵同时存在。本研究中采用4层台阵，各个圆周的半径由内到外分别为100、200、400及800 m(图3)。阵列的半径一般称为观测半径，最大探测深度约为最大观测半径长度的4倍。本研究采用重庆地质仪器厂所生产的EPS-2A短周期地震仪，采样时长约为3 h。在求SPAC系数之前需要对每个台站的数据进行预处理，预处理的目的是尽量突出有效噪声信号，减弱仪器响应或其它一些因素对有效信号的影响。SPAC方法数据预处理包括了去趋势、去均值和预滤波三个步骤。根据后期数据处理结果表明，所采集的野外数据信号集中在0.5～6 Hz之间，所以在预滤波时选取了0.2～8 Hz之间的频带范围。

图2 宜昌市城区地下热水形成模式剖面示意图Fig.2 Section diagram of formation model of underground hot water in Yichang City1.泥质粉砂岩;2.砂砾岩;3.页岩、泥岩;4.白云岩;5.灰岩、泥质灰岩;6.地热流体径流方向。

图3 SPAC台阵数据采集示意图Fig.3 Schematic diagram of data acquisition for SPAC array

(2) 提取频散曲线。将采集到的原始数据分为若干段，对各段数据进行窄频段的带通滤波，分离出各个不同频段的能量信息。计算每个小段的PSD并叠加平均作为该小时噪声数据的功率谱密度，对于一段噪声y(t)，其功率谱密度频率域的计算公式如下：

式中:Δt为采样间隔;N为采样点数;Pk为功率谱密度。功率谱密度函数在全球新高噪模型和全球新低噪模型之间方为合格，反之不合格。图4为实际采集数据的功率谱密度，可以看出所有仪器观测到的噪声均在全球新高噪声模型和新低噪声模型范围内，说明该时间段地震计记录的噪声水平为有效的、可信的。接下来对各个频率段分别计算相同半径圆周上各点与中心点之间的垂直分量互相关系数，并求取方位平均，再对相关系数进行拟合，得到瑞利波的频散曲线。

(3) S波(横波)速度结构反演。一般情况下，S波对于地壳内的岩石裂隙和液体的存在与否相当敏感。在提取瑞利波的频散曲线后，采用CPS软件(Computer Programs in Seismology，是美国圣路易斯大学地震中心开发并维护的一款地震学软件包)对相速度频散曲线进行反演。初始模型设置则参考Xia等人[7]提出的计算方法，最后保存24条频散曲线和其各自响应点的坐标，反演地下介质的S波速度结构，并利用S波的特性，找出可能的地热储层区域。

图4 实际采集数据功率谱密度图Fig.4 Power spectral density map of actual data acquisition

3 微震剖面频散曲线及S波速度结构

3.1 频散曲线特征分析

本研究区布设二条走向沿东北—西南向的剖面，1测线 (点号1～6)和2测线 (点号7～12)计算得到的频散曲线如图5及图6。1测线各点的频散能谱图显示各测点的频率—能量对应关系良好，提取出的频散曲线可信度高。在2 Hz以上，各观测点速度值相近，变化范围在1.5～1.8 km/s之间，说明1剖面各观测点对应的浅部地层的速度结构差异不大。在1～2 Hz之间，除了4号和5号测点之外，其他测点显示出随频率降低，波速明显提高的现象，这表明在4号和5号测点底下，浅—中深层的速度开始出现差异，尤其以5号测点最为明显。在频率低于1 Hz的区段，5号测点测到的波速最低，范围约在1.1～2.5 km/s之间，表明在5号测点底下的深部区域存在低速区。

测线2的频散能谱图依然展示了很好的能量—频率对应关系，各测点计算得到的频散能谱分布相当清晰。整体而言，测线2在低频部分呈现出较测线1为低的波速。8号测点和10号测点在低于1 Hz的部分，波速明显较两旁的测点低，这表明这两个测点底下深部区域存在低速区。

3.2 剖面 S波速度结构

瑞雷波频散特性与介质厚度、密度、P和S波速度有关，由于瑞雷波频散对S波速度更为敏感，因此一般情况下SPAC法主要用于独立反演S波速度结构。在断层(破碎带)发育、岩性有明显变化的区域，因为不满足水平层状均匀介质的理论假设，导致SPAC法对相速度的低估，从而在S波速度剖面上出现低速异常，这是识别隐伏断层、含水破碎带等地质构造的标志。

测线1剖面长为700 m，2～5号测点的间距为100 m，最外围1及6号测点距相邻点位的距离为200 m(图7)。

图6 测线2频散能谱图及频散曲线Fig.6 Line 2 frequency dispersive spectrum and dispersion curve

在本研究中，由于缺乏测井资料，因此S波速度剖面的结果是假设地表波速为1.2 km/s所计算出的相对速度，并不精确代表实际速度值，但对于低速区的判别和可能的构造解释并无任何影响。测线1横波速度在浅部(0～1 200 m)显示出局部起伏，整体速度值约在2.6 km/s以内，推测此深度范围内为白垩系地层。在1 200～2 000 m深度，速度结构大致呈现水平层状，但在3～5号点之间，S波速度出现高速区，推测是基底隆起或者为隐伏的背斜构造，主要为志留系地层；深度2 000～3 000 m，明显存在一个低速异常区。结合地质资料，推测本区北北东方向的隐伏断裂构造存在于测线1的5号点下方约1.8 km处，为形成地热的有利部位，主要为奥陶系—寒武系老地层。

测线2布设方式和测线1相同，布设走向大致和测线1方向平行，剖面长度同样为700 m，且10号点穿过已知钻孔，每日出水量为500 m3，温度为49 ℃ (图8)。S波速度在0～1 000 m深度范围内，基本呈现水平层状特征；当深度超过1 000 m之后，S波速度出现明显的变化，展现出强烈的横向不均匀性。在8号点、10号点出现2处明显相对低速，10号点的低速区和钻孔探测情况相符。从10号点前期钻探成果来看，0～650 m，S波速度显示浅部发育低速层，主要为白垩系地层；650～1 100 m，S波速度剖面显示此深度为低—高速层的过渡带，层位相对水平，主要为志留系地层；1 100～3 000 m，S波速度大致呈现相对高速，但存在明显的低速区域，此深度主要为奥陶系—寒武系老地层。10号点横波速度在深部1.5 km以下出现明显相对低速与已知热水钻孔位置相吻合，推测有一隐伏断裂(F2)，为该区热源提供了通道。8号点与10号点横波速度较为类似，推测为与F2断裂平行的隐伏断裂，该位置也是形成地热的有利部位。

图7 测线1反演S波速度剖面及推断地质断面图Fig.7 Inversion of S wave velocity profile and geological inference map of line 11.推断隐伏断裂;2.推断地质界线。

图8 测线2反演S波速度剖面及推断地质断面图Fig.8 Inversion of S wave velocity profile and geological inference map of line 21.推断隐伏断裂;2.推断地质界线。

4 结论

由于地震背景噪声成像可在交通繁忙、建筑密集及钻探不易等传统物探方法难以施行的地区(主要为城镇区)进行有效探测，利用SPAC法可反演出地下S波速度结构，该方法近年来已成为国内外常用于浅层或深层勘探的重要手段之一[8-9]。

(1) 本研究利用了SPAC法反演出二条剖面的S波速结构，综合测区地质情况，推断研究区存在F1、F2两条断裂，其中F1断裂走向北北东，是工作区内重要的导热控热构造，此结果和现有钻孔的钻探结果相吻合。

(2) 本次研究发现了3处低速异常带，其中1处经钻探已打到地热水，其余2处为本次新发现，推断是寻找地热水的有利地段。

(3) S波速度结构能够很好地划分地层界线，推断的地质界线与已知钻孔吻合度高。

本次研究中缺乏浅层测井资料，因此无法对各深度的S波速度作标定，只能以相对速度的概念来判断低速区，利用低速区的分布来推测可能的热储构造。未来若能在研究区内取得测井资料，将有助于反演出实际的S波速度结构，使得勘探精度更高。

利用背景噪声成像方法进行物探已经兴起十几年，与传统物探的电磁法或地震主动源勘探法相比，本研究使用的SPAC方法不用激发，不易受环境因素影响，有效地减少了劳动量及人为干扰。本研究成果说明SPAC法可以为地质调查提供有效的参考资料，若与少量测井资料相结合，可快速、准确地获得城市内或背景噪声较大地区的地下构造，在全国城市化率逐年升高的背景下，有较明显的应用优势。本次研究在城区内成功地进行了一次背景噪声地震成像工作，此结果对于未来寻找和判定地热储区的相关工作具有非常重要的示范和引导意义。