利用微动高分辨率频率—波数谱法探测技术勘探地热资源

刘 杨，盛 勇，贾慧涛

(安徽省地球物理地球化学勘查技术院，安徽 合肥 230022)

1 引 言

微动探测技术采集天然场源微动信号、不对环境产生任何影响，不受电磁干扰，操作简便，探测深度大，在城镇等电磁和噪声干扰强、不可破坏的勘探环境中优势明显。该方法可通过探查储水空间，如破碎带或溶洞(空隙)，间接勘探热储资源，因而越来越多地被用于地热资源勘查。传统的地热勘探方法有电法、人工地震等。实际工作中，常规电法受体积效应影响，目标体深度越大，体积效应影响越明显，因而在电阻率较大的地区寻找深部低阻目标体难度较大；人工地震方法成本相对较高，在人口和建筑相对密集的景区施工时，存在一定的安全隐患。微动探测绿色环保、抗干扰能力强的特性非常适合城镇地热资源(如温泉)的勘探需要，与传统物探手段一起用于地热资源联合勘查，可以取得更好的勘探效果。

微动探测技术，从微动信号中提取出面波频散曲线是最关键的步骤，最早由Aki(1579)[1]提出了空间自相关法(the Spatial Auto-correlation Method，SPAC)，后由Okada(1994，2003)、凌甦群(1994)[2,3]等人发展改进，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，使微动探测技术由理论走向了实际应用。该方法传入国内(王振东，1981)[4]后，经刘云祯等(1996)[5]、徐佩芬等(2012)[6]的研究，在资源勘探和地灾调查领域取得了许多成果。频率—波数谱法(Frequency Wavenumber Method，F-K)是另一种微动信号中提取频散曲线的基本方法，由Capon(1969)[7]和Lacoss等(1969)[8]提出，经过Asten(1979)[9]、Horike(1985)[10]和Tokimatsu等(1992)[11]发展，证实该方法能有效估算浅表剪切波速度。近年来，在浅表工程勘探，如城市地铁盾构施工不良地质体探测(刘宏岳等，2017)[12]等领域得到发展应用。研究证实：频率-波数谱法分辨率高，对异常敏感，可根据勘探目标体的具体情况灵活布设台阵，操作简便，工作效率高，在工程勘察和资源调查中很有优势。

图1 微动观测台阵示意图

安徽省地球物理地球化学勘查技术院受安徽省国土资源科技项目支持，从2016年起对微动探测技术进行了系统研究，在Capon(1969)[7]和Tokimatsu等(1992)[11]对微动技术中高分辨率频率-波数谱法测算浅层剪切波速度结构研究的基础上，发展出一整套包含工作仪器、技术设计、野外工法及质量评价、数据处理软件(MicroSWP微动处理软件)、异常分析解释的多台阵微动剖面观测技术，可实现松散、破碎、含水等导致视横波速度异常的地下结构的快速识别。该方法秉承了频率-波数法高分辨率[7]和自由台阵的特点，拓展了该方法的勘探深度和应用广度，增强了其实际应用能力，将该方法进一步从试验研究推广至生产应用，在资源勘查(盛勇等，2019)[13]、环境地质调查和城市地质调查(贾慧涛等，2020)[14](范长丽等，2020)[15]等领域取得理想效果。本文通过在某山区应用微动与电法联合勘探地热资源的实例，介绍微动高分辨率频率-波数谱法勘探方法及技术特点。

2 微动探测方法

2.1 微动

微动是一种广泛存在于地球表面，没有特定震源的微弱振动。在一定时空范围内，微动信号的振幅和形态具有统计稳定性，可用时间和空间上的稳定随机过程来描述(AKi，1957)[1]。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。微动可分为常时微动和长波微动，前者主要成分频率大于1 Hz，由人类、机械活动产生；后者主要成分频率小于1 Hz，由各种自然现象活动产生(Thksoz等，1968)[16]。实际生产中，常利用长波微动进行深部目标探测，例如深大断裂、深部地热等；利用常时微动进行浅部精细结构勘探，如大坝渗漏检测、城市地质调查等。

2.2 微动探测技术

微动探测技术，是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获得测点地下各层的横波速度以及层厚度，以探查地质构造的地球物理探测方法。频率-波数谱法(F-K法)是微动探测中的一种基本方法，使用此法时，可针对勘探目标灵活使用各种台阵，对称的圆形台阵可用，十字型、L型、直线型、不规则型也可选用。针对岩溶、采空区、地下构筑物等体积形的目标体可采用面积形布阵方式，针对管线等线性目标体可采用直线型布阵方式[13,14]，大大提高了工作效率。

2.3 高分辨率频率—波数谱法微动探测理论

微动信号是复杂的空间随机波场，频率-波数法假设微动信号是空间、时间上的平稳随机过程，并且沿水平向传播通过观测台阵，引入频率F-波数K来描述波场的空间变化，用频率-波数(相速度V)谱描述面波的频散关系和传播机制。通常使用的是微动信号中的垂直分量，其中的瑞雷面波相对占优势，在频率-波数谱中反映为能量最大值。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)。计算频率-波数功率谱的方法有很多，常用的有：聚束法(Frequency Domain Beam-forming Filtering)[8]、最大似然法(Maximum Likelihood filter)和多信号分类法(Multiple Signal Characterization(MUSIC)Algorithm)[17]等。Capon[7]的研究证实最大似然法拥有更高的分辨率，并以该方法分辨率高、对异常敏感的特性将其命名为高分辨率频率-波数谱法(High-Resolution Frequency-Wavenumber Spectrum Analysis)。

exp[i(kx(xi-xj)+ky(yi-yj))]

(1)

式(1)中，(xi,yi)、(xj,yj)分别为第i、j个拾震器的坐标，(kx,ky)为波数k在x、y方向的分量。

(2)

式(2)中，Qij(f,k)为矩阵exp[i(kx(xi-xj)+ky(yi-yj))]·Sij(f)的逆矩阵。

找到每一个频率f在二维波数kx-ky平面上的高分辨率频率—波数谱的极大值点位置，求得对应的波数k，进而求得对应频率的相速度VR(f)，从而得到瑞雷波频散曲线。

在瑞雷波频散曲线的基础上进行反演，即可得到最终的微动视S波速度—深度剖面。通过经验公式：

(3)

式(3)中，ti为周期，直接计算视S波速度Vx,i，再通过半波长原理将Vx,i与ti的对应关系转换成Vx,i随深度H的变化曲线(Vx,i～H曲线)，最终获得视S波速度剖面图，微动剖面探测获得的视S波速度是一种近似的剪切波速度，但可以用来表征真实S波速度的变化趋势。基于以上原理，安徽省地球物理地球化学勘查技术院自主开发了MicroSWP微动处理软件，实际勘探中应用效果良好[13-15]。本文中涉及的微动数据处理均使用该软件。

3 某地热资源勘探实例

本次研究区域位于大别山某地山中谷地，已有热水(泉)井的分布，希望通过物探工作查明该区浅部地热资源的形成条件，寻找深部的断裂构造，为下一步实施地热水文勘查深孔的布置提供科学依据。最初设计以电法为主，进行了联剖、激电等五种传统电法勘探，然而没有发现反映富水热储位置的低阻区域，进而布置地热水文勘查深孔。开展微动工作后，成功探明了地下热储构造，并在预测位置成功打出热水。

3.1 工区地质概况

研究区地层简单，除了零星分布的全新统松散层外，其余则是大面积出露的上太古界变质岩。勘查区及附近地层岩性及厚度见表1。根据现场基岩露头调查，已有热水(泉)井附近的地层基本为程家河组的大理岩，含黑云母斜长片麻岩组合。

表1 勘查区地层特征

3.2 微动数据采集

野外工作开展前，需搜集资料，通过试验，结合以往的工作经验确定检波器主频、观测台阵、观测时长和采样频率等采集参数[18]。

3.2.1 检波器频率

首先需搜集测区地质、地球物理和钻孔资料，确定区内地层横波速度，若无具体资料，则可根据岩性等信息估算波速范围。根据半波长原理，有效波长须达到目标深度的两倍，结合波速信息，可计算所需的频率范围。对于投入使用的检波器开展一致性试验，确定有效测量频段，若所需频段范围在有效测量频段内，则该频率检波器可用。根据经验总结，浅部探测采用高主频检波器，深部探测采用低主频检波器，对深度在1 000 m之内的目标体，检波器的频率范围在0.2～10 Hz内。本文使用的检波器主频为2 Hz。

3.2.2 观测台阵

观测台阵半径通常需在测区内试验确定。布设不同的观测半径进行对比试验，不同的观测半径测量深度不同，通过计算结果，结合探测目标深度，确定合适的台阵半径。特殊情况下可根据一般经验选择台阵半径，即台阵最大半径为目标深度的1/2～1/10倍，宜采用1/5倍进行布设。(探测深度≤500 m时，最大观测半径不应小于探测深度的1/5；探测深度>500 m时，最大观测半径不应小于探测深度的1/3。)台阵的形状一般可根据测区实际情况选择(参见2.2)。本文布设微动测线一条(图2)，跨过已知钻孔与已知电法剖面80线重合，为兼顾勘探深度和勘探精度，采用三重圆形台阵(图3)，台阵半径为30 m-60 m-120 m，点距52 m，探测点7个。

图2 微动探测工作布置示意图

图3 三重圆形台阵示意图

3.2.3 观测时间

观测台阵微动信号是空间、时间上的平稳随机过程，只要测得的有效信号满足时间空间上的平稳随机性就可以进行计算。根据安徽省内多地多次试验结果，对目标体在1 000 m内的工作，一般单点测量时长30～60 min。场地内干扰较大的情况，需延长采样时间以确保数据质量。本次工作中单点测量时长30～60 min。

3.2.4 采样频率

根据奈奎斯特采样定理，当采样频率大于信号中最高频率的2倍时，采样之后的数字信号能完整的保留原始信号的信息。工作中根据3.2.1确定测量所需的最大频率fmax，保证采样频率不小于2倍的fmax即可，而一般情况下，笔者常用4fmax～10fmax。本次工作中选用的采用频率为250 Hz。

3.3 微动数据处理

本文采用安徽省地球物理地球化学勘查技术院自主研发的MicroSWP微动处理软件处理微动数据。用高分辨率频率-波数谱法逐点提取频散曲线，通过经验公式(3)计算视S波速度，再通过半波长原理换算视S波速度随深度的变化曲线，最后将7点曲线插值，得到视S波速度剖面图。

首先计算每个探测点的频散曲线，图4为5号点2.624 5 Hz时的频率波数谱，取波数谱极大值对应的波数计算该频率对应的相速度V，对应波数k=0.014 4，相速度V=114 8.8 m/s；图5为实测7个点的频散曲线。

图4 频率-波数谱(5号点2.624 5 Hz)

图5 频散曲线(1～7号点)

单点频散曲线计算完成后通过式(3)计算视S波速度Vx,i，从而得到视S波速度随深度变化的单点曲线(图6)和剖面图(图7)，以判断地下介质结构。

图6 S波速度结构(5号点)

图7 微动视S波速度剖面

3.4 微动探测成果

微动视S波速度随地层深度的增加而增大，可能富水的破碎带则显示低速异常。图7中可以直观地圈定高速围岩包裹的6处低速异常。其中，4号点下方200 m处的低速异常与已知钻孔ZK(图2)出水位置吻合。其他5处低速异常中规模最大、异常最明显的是5号点下方450 m深处和650 m深处的两处低速异常，推测为含水破碎带引起；2号点下方的三处低速异常中，550 m深处的低速异常和850 m深处的低速异常推测为连通的断裂构造，360 m深处的低速异常规模小且被高速围岩包围，推测含水可能性较小。综合以上分析认为：本次微动探测结果与以往水文钻孔资料吻合；5号点下方450～650 m存在热储的可能性最大，2号点下方550～850 m有一处断裂构造，有与5号点下方热储连通含水的可能，建议热水文勘查深孔布置在微动剖面5号点附近位置。

3.5 钻孔验证情况

后期在微动建议井位ZK01(图2)进行钻探验证，成功打出热水。钻进过程中共有三次明显的涌水：

1)钻进至52.60 m处，孔口开始涌水，涌水量约1.0 m3/h，水头高出地表0.5 m，水温30 ℃。该处对应微动视S波局部低速异常，该异常规模较小，在进行微动剖面解释时并未引起足够重视。

2)钻进至130.53 m时，掉钻0.1 m，孔口涌水量突然增大，水头高出地表约4.0 m，水量约12 m3/h，水温40℃.该处位于4号点下方200 m深处低速异常的边缘，推测该处热储规模比预计的更大。

3)钻进至392.53 m时，掉钻0.2 m，涌水量约15m3/h，水温38℃。该处正对应本次微动探测认为最有可能为热储的位置。

钻探确认的三处富水层均与微动视S波低速异常有很好的对应关系，证实高分辨率频率-波数谱法微动探测技术的有效性和可靠性，也印证了微动探测对异常敏感度高，分辨率高的特点。

ZK01终孔451.73 m，测得静水头高度高出地表14.6 m，自流量464 m3/d.经估算，该处地热资源最大开采量达1 500 m3/d，可满足2 800床位/年的理疗需求，地热流体可开采量所采出的热量772 kW，可满足9 640 m2的农业温室建设，带来了可观的环境效应和社会效益。

3.6 微动与电法综合解释

在微动工作开始前，研究区已开展放射性氡气(Rn)测量、联合剖面、高密度电阻率测深、激电测深、瞬变电磁测深(TEM)、音频大地电磁测深(AMT)六项工作(图8)，由于体积效应及地形影响，深部断裂构造反映不明显；低阻目标体的响应信号被高阻围岩掩盖，对已知钻孔ZK响应不明显，无法形成互相印证的深部地热勘探成果，完成地热水文勘查深孔的布置要求。

图8 综合物探各方法勘查效果对比

氡浓度剖面1 840～2 160 m段存在异常，显示该段下方可能存在富水热储；而联合剖面、高密度电阻率测深、激电测深和音频大地电磁测深剖面对已知的ZK钻孔出水位置均显示高阻异常，代表富水破碎的低阻目标体响应信号被高阻围岩掩盖，不能有效识别热储；但是激电测深中视极化率剖面对深部富水断裂构造有高极化率异常显示。而微动的二维视S波速度剖面与电法剖面一样呈现浅部低异常、深部高异常的趋势，且低速异常与已知出水钻孔ZK吻合，与氡高浓度异常吻合，与低极化率异常吻合，很明显甄别出包围在高速围岩区域中的低速富水热储区域，且分辨率高，热储细节描述精细，建议钻孔井位依据充足，钻孔验证效果准确，相较之前使用的六种勘探手段，方法优势显著。

图9结合微动探测成果、地质资料、钻孔资料和前期电法勘探成果(图8)，对该剖面进行地质解释，地下介质较为单一，浅表第四系覆盖下是致密的大别山群片麻岩厚层，2 000 m处存在一处较狭窄的破碎带F2(图2)，地下热源沿破碎带自下而上传输。

图9 推断地质断面

4 结 论

1)微动高分辨率频率-波数谱法台阵勘探技术从天然场源微动信号中提取面波频散曲线，探查地层视S波速度结构、圈定异常，可以通过探查破碎带、裂隙等可能的储水空间，间接勘探地下热储构造。本次研究中，微动探测技术在传统电法无法取得勘探效果的工作区识别出一处狭窄的断裂破碎带，从而找到了富水热储，且对异常形态刻画精细，和钻孔验证吻合得很好，显示出对异常敏感、分辨率高的特点，方法优势明显，具有很好的生产应用前景。

2)微动探测中，热储和破碎带均显示低速异常，受围岩、以及热储规模和富水程度差异的影响，有些热储表现出的低速异常并不显著，应结合其它资料和工作经验综合解释。

3)使用微动探测技术进行山区作业时，不可忽略地形起伏对勘探效果的影响，地形起伏越大对勘探效果影响越大，应尽量选择平坦区域布设测点，并在试验的基础上结合目标任务设计适当观测台阵阵型，选取适当的台阵间距，从而减少地形起伏对勘探效果的影响。