利用微动探测技术调查尾矿库坝体地基稳定性

刘杨，盛勇，陈海波，贾慧涛

（安徽省地球物理地球化学勘查技术院，安徽合肥 230022）

0 引言

尾矿库坝基稳定性事关重大，若坝基变形导致尾矿矿浆泄露，会对周围环境造成严重污染，严重威胁矿区人民的生命财产安全。本文研究的尾矿库坝为碾压石料不透水坝，高80m，长729m。近四个月来，坝脚T4 监测点位移量达到4cm 之多。坝基东边有一处规模较大的采空区，中心有一块已回填的塌陷区；附近还有一处已用钢筋砼封堵的漏水坑道。若监测点位移为坝体附近地基位移导致，则坝体的稳定性堪忧，因而亟待查明该监测点位移原因。同时，因坝基周围是矿区、工作区和生活区，工作环境复杂，电磁和人文干扰较大，常用的电法、浅震等物探手段受到较大限制，难以施展。而微动技术具有不受电磁干扰、无损勘探的特性，因此非常适合本次研究工作。

微动探测技术，是通过采集天然场源微动信号，从中提取面波（瑞雷波）频散曲线，再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。这种方法具有环保和抗干扰能力强的特点。近年来，省物化探院对该技术进行了深入系统的研究，对微动数据采集和高分辨率频率-波数法微动数据处理技术进行了革新，开发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(Micro‐SWP 微动处理软件)、异常分析解释的多台阵微动剖面观测技术，充分发挥该方法自由台阵和高分辨率的特性，在资源勘查、环境调查等领域取得了理想效果。

本文使用高分辨率频率-波数法微动技术与大功率可控源大地电磁测深（CSAMT）开展联合勘探，获取发生位移的T4 监测点附近地下介质视S 波速度分布和视电阻率分布，进而分析地质状况，对尾矿库坝基的稳定性进行评价，通过方法对比验证微动探测的有效性和先进性。

1 研究区地质概况

研究区位于大通-顺安北东向复向斜中次级青山背斜北东段的南东翼。青山背斜总体走向40°～50°，长22.50km，宽8km，南西段窄，向北东渐开阔，均由三叠系下、中统组成，为一短轴不对称褶曲。小褶曲发育，规模不大。区内断裂构造主要以印支—燕山晚期断裂为主，分布规模较小的平移断层组，包括区内的沙子堡平移断层组。该平移断层组位于青山背斜南东翼，狮子山之南，走向北偏西30°，切割北西向闪长玢岩岩脉，错距10～15m。

研究区内第四系覆盖层厚度0.5～17.5m。基岩主要是大理岩，其东北部和西南部存在不同规模的闪长岩岩脉。闪长岩的强风化层埋深均较厚，厚度变化大，规律性不明显。钻探资料显示研究区地基岩土主要为第四系残积、坡积、洪积、冲积的黏土夹碎石层，三叠系中统大理岩以及岩浆侵入体闪长岩、石英闪长岩。

图1 微动探测工作布置图Figure 1.Layout of microtremor detection

2 高分辨率频率-波数法微动探测技术

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，用频率F-波数K 来描述波场的空间变化，频率-波数（相速度

V

）谱描述面波的频散关系和传播机制。数据处理时使用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。

本文使用的是高分辨率频率-波数谱法（High-Resolution Frequency-Wavenumber Spectrum Analy‐sis）。Capon（1969）、Tokimatsu（1992）、Ohrn‐berge（r2004）等人通过理论和试验证实该方法具有比经典频率-波数法、聚束法（Frequency Domain Beamforming Filtering）、多信号分类法（Multiple Signal Characterization (MUSIC) Algorithm）等其他频率-波数法更高的分辨率。盛勇、贾慧涛、范长丽、刘杨等人使用该方法在地热资源勘探、地质调查、工程勘探领域取得了很好的勘探效果。

式中，(

x

,

y

)、(

x

,

y

)分别为第

i

、

j

个拾震器的坐标，(

k

,

k

)为波数

k

在

x

、

y

方向的分量。

式中，

Q

(

f

,

k

)为矩阵exp[

i

(

k

(

x

−

x

)+

k

(

y

−

y

))]⋅

S

(

f

)的逆矩阵。找到每一个频率

f

在二维波数

k

−

k

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

V

(

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：

（其中

t

为周期）计算视S 波速度

V

，再通过半波长原理将

V

与

t

的对应关系转换成

V

，随深度

H

的变化曲线(

V

-

H

曲线)，最终获得视S 波速度剖面图。视S 波速度是一种近似的剪切波速度，可以用来表征真实横波速度的变化趋势。

3 微动数据采集和处理

3.1 微动数据采集设备

本次研究采用剖面观测方法，从坝基处平行于大坝向南端塌陷区共布设测线7 条，拟调查深度200m，根据微动工作方法（刘杨，2021）使用5 点线性点阵（图2），探测点距为10m，使用重庆地质仪器厂主频为2Hz的CDJ-S2C-2型三分量拾震器和合肥国为电子有限公司MicroGS微动数据采集器（仪器参数见表1）采集数据，采样频率250Hz，测量时间30min。

表1 微动数据采集设备主要性能指标（20°）Table 1.Major performance indexes of microtremor data ac⁃quisition equipmen（t20°）

图2 微动线性观测台阵示意图Figure 2.Schematic diagram of mictremor observation array

3.2 数据处理

图3 单点频率-波数曲线（1号线160号点f=6.0425Hz）Figure 3.Frequency-wave number curve（point 160 of line 1, f=6.0425Hz）

图4 单点频散曲线（1号线160号点）Figure 4.Dispersion curve（point 160 of line 1）

图5 单点视S波速度结构（1号线160号点）Figure 5.Apparent S-wave velocity structure（point 160 of line 1）

4 微动勘探效果与分析

图6为1号线微动视S 波速度剖面。T4监测点位于1 号线240 点位置。图中可见浅表为层状低速异常，厚度较均匀，约为15～20m，与区内厚度0.5～17.5m 第四系覆盖层有很好的对应关系，推测此低速异常为腐殖土及碎石为主的第四系覆盖物引起。覆盖层以下视S 波速度并没有随深度明显变化，低速异常显著，岩石较破碎，在150 号点和240 号点下方可见低速异常呈带状分布，推测为断裂破碎带。两处断裂构造近于直立，断层线平直。

图6 1号线微动视S波速度剖面Figure 6.Apparent S-wave velocity profile obtained from mi⁃crotremor detection line 1

根据以往的地质资料，研究区内岩石主要是闪长岩和大理岩。微动成果剖面直观显示出断裂破碎构造，却无法识别两种岩石的界限。为此我们进行了更深入的研究，估算两种岩石的S波速度。

在尾矿库修建之初，曾对研究区内钻孔岩心进行实验测定岩石物理力学性质。根据这些实验室数据（表2），结合波动理论，可以估算出地下介质中的横波速度理论值。

表2 研究区内岩石力学指标统计Table 2.Statistics of mechanical properties of rocks in the study area

横波在固体中传播速度

V

主要取决于介质密度

ρ

和剪切模量

G

。

对于各项同性介质，杨氏弹性模量

E

、剪切模量

G

和泊松比

r

之间存在以下关系：

则横波速度

V

为：

从表3 可以看出，研究区内的大理岩横波速度实验室估值在1934～2530m/s，闪长岩横波速度实验室估值在1957～3299m/s，速度相近，并没有非常显著的速度差异，故而无法在微动成果图件上有效识别两种岩石。根据以上估算成果，实际微动勘探得到的岩石视S 波速度范围在2000～3000m/s 左右，与以上实验室估值相吻合，也证实了此次微动勘探的有效性。研究区内还分布有块状矽卡岩，根据以往资料和勘探经验，估计该岩石的视S 波速度不低于2000m/s。推测研究区内微动视S 波速度低于1500m/s的异常区域对应断裂破碎的可能性更大。

表3 研究区内岩石横波速实验室估值统计Table 3.Statistics of lab estimates of S-wave volocities of rocks in the study area

图7 将7 条微动视S 波速度剖面绘制成高程为50m、0m、-50m、-100m四个深度的深度平面图。

图7-a是高程50m的微动综合平面图。虽然受地表起伏的影响，仍可以直观看出第四系洪积坡区域、人工填土区域和采空区影响带等质地较疏松的介质，预期均显示视S 波速度低于1500m/s 低速异常，而大理岩和闪长岩这些质地较致密的岩石出露区域对应视S波速度大于1800m/s的高速异常区域。

图7-b是高程0m的微动综合平面图。根据资料，坑道、塌陷及回填不超过百米，对这一层影响最大。区内主要介质为大理岩和闪长岩，视S 波速度差异很小，无法从图上直接识别。零星可见斑块状视S 波速度低于1800m/s的低速异常，推测为坑道和塌陷及回填不均匀导致。T4监测点下方的低速异常较显著，推测为岩石破碎引起。

图7-c 是高程-50m的微动综合平面图。此深度受坑道、塌陷和回填的影响较小。图中从低速异常的分布可以依稀识别出北西-东南向沙子堡平移断层组。小号点附近和T4 监测点下方的低速异常，推测为断裂破碎引起。

图7-d 是高程-100m的微动综合平面图。此深度已经不受坑道、塌陷和回填的影响，能较好地反映该区原始的地质状况。如图所示，带状低速异常与沙子堡平移断层组有非常好的对应关系。T4 监测点正位于该断层组F2 与F4 交汇点上。根据微动视S 波低速异常分布，可对该断层组作更精细的推断。断层F6和F7并没有一直向南延伸至研究区外，而是被140号点附近的左旋平移断层F 截断，形成F8 和F9 延伸至研究区外。断层F 在四个高度层位的微动综合平面图上都有显示（图7a—d）。图5 中1 号线微动剖面上两处低速异常带正对应着断层F和F2。

图7 微动综合平面图Figure 7.Comprehensive plans of microtremor detection

综上所述，我们认为T4 监测点位于沙子堡平移断层组上，位于断层F2 和F 交汇处，周围地质体较稳定，没有明显的地质体位移，没有受到南面塌陷的影响。推断T4 位移不是由于深部结构性的破坏造成的，可能是周边较浅的地质问题或其他因素影响所致。研究区内断层F2、F5、F 距离尾矿库坝体较近，且走向几乎垂直于坝体，应当保持实时监测，注意警惕。

5 微动探测与可控源大地电磁测量勘探效果对比

研究区内同时开展了CSAMT 工作，图8 将微动测量成果与CSAMT成果进行了对比。从图中可以看出微动低速异常区域与CSAMT低阻异常区相对应：1号线、2号线、3号线受沙子堡平移断层组的影响，破碎较多，低速低阻异常显著。4 号线、5 号线、6 号线南端分布有矿物质丰富的块状矽卡岩，因而显示低电阻率；而矽卡岩与周围的大理岩和闪长岩波阻抗差异较小，未引起视S波速度异常，在微动剖面上不可见。

图8 综合物探剖面Figure 8.Profiles of multi-geophysical survey

沙子堡平移断层组虽引起了CSAMT 低阻异常，但是很难依据异常圈定断层组形态，而微动探测分辨率更高，与已知断层有很好的对应关系，更直观识别出断层F，并显示断层F的形态，以及与断层F6 和F7的关系。由此可见，微动探测与CSAMT 勘探成果相符，但微动的分辨率更高，显示出更多直观的构造细节。

6 结论与讨论

（1）本文为调查T4 监测点位移的原因，采用微动探测技术在T4 监测点附近开展微动剖面工作，识别出研究区内沙子堡平移断层组，并根据微动视S 波低速异常重新推断区内断层组细节，推断出断层F 及其与断层组的关系，确认T4 监测点位于断层F2 和F 交汇处。T4监测点周围地质体较稳定，未发现明显的地质体位移。后经委托方证实，T4监测点“位移”为山区设备信号差所致，在此次调查工作2个月后T4“位移”回到正常范围内。

（2）微动探测可有效识别断裂破碎构造，但难以识别波阻抗相似、不足以引起微动视S 波速度异常的岩石。此次工作中实际测量的微动视S 波速度与实验室估算值非常接近，也证实了微动探测工作的有效性。

（3）通过与同时开展的CSAMT工作成果对比，可以看出微动探测具有对异常敏感、高分辨率的特点；微动探测具无损检测、抗干扰能力强的特点，使其在人口密集、不可破坏的环境中优势明显；在地表地貌复杂的环境条件下，如矿区等也能应用，具有很好的推广前景。

（4）地形起伏对微动探测结果产生了一些影响，但通过数据处理和解释，仍可以识别主要的断裂破碎构造。