微动谱比法在输气管道工程中查找断裂带的应用

袁文奇，董明华，白净钞，祝仰胜

(1.廊坊市中铁物探勘察有限公司，河北 廊坊 065000；2. 重庆精凡科技有限公司,重庆 400000)

1 引 言

人类的生存、经济建设和社会发展总是在不断地进行着对各种环境或物质的开发、改造和建设，随着生产水平的提高和科学技术的进步，人类的发展触角已经延伸到一些人迹罕至的山区。与此同时，也给物探工作带来了人文干扰，尤其对常用的电磁法勘探，干扰尤为严重。此外，还有地表、地物状态复杂,其他不同物性的干扰源众多等原因,使得常规物探方法的应用皆存在很大的局限性，因此需要引入新方法补充常规电磁法在干扰区的勘察。微动谱比法作为一种快速高效的大深度勘探手段，在对断层破碎带的勘察方面有较好的效果。微动H/V谱比法，又叫Nakamura方法或准转换函数谱方法，首先由Nogoshi和Igarashi提出[1]，经Nakamura[2,3]推广应用于场地响应评估。H/V值使用单台水平、垂直分量频谱相比得到，即H/V比近似为面波的水平分量和垂直分量的傅里叶谱比。与主动源面波勘探方法[4]相比较，微动可以在很大程度上克服复杂环境的困难，利用自身的独特优势，有效地克服震动、电磁等干扰，进而在城市、城郊等复杂环境下取得较好的勘查效果。

2 方法原理

微动探测技术的基本原理为：基于平稳随机过程理论及弹性波动理论，根据面波(Rayleigh波) 传播特性，从微动信号提取其波速频散曲线，反演得到波速结构，再由波速及波速差异解译地质现象[5]。 在没有地震的时刻，地球表面任何地方都处在一种微弱的振动状态下，地球表面这种连续不断的天然微弱震动称之为“微动”[6]。

这是一种在时间、空间域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，也源自人类日常活动，如车辆行驶、机械振动等。微动是一种由体波(P波和S波)和面波(瑞雷波和勒夫波)组成的复杂振动，并且面波的能量占信号总能量的70 %以上[7]，所以常利用微动中面波信息来研究地下横波速度结构，实际应用中常常利用面波信号中的瑞利波。稳态面波勘探，主要用于地基勘察、地基加固效果评价、人防工程和岩溶洞穴探测的工作[8]。1989年，杨成林[9]自行研究了稳态面波勘探系统，并将其应用于第四系地层分层和地基处理效果评价。1996年刘云桢等[10]研制了SWS瞬态法的多道采集和处理系统。基于微动的谱比法是其中一种更为便捷的方法[11]。

微动谱比法是用微动仪在探测点上同时接收来自南北、东西、垂直三个方向上随时间的振动信息，通过快速傅里叶变换将时域信号转换成利于分析的频域信号，得到每个频宽上水平方向的平均振动幅度和垂直方向的振动幅度之比H/V，以此来推断测点下方的地质结构。通过对大量地震和地脉动信息的观测研究发现，在不同速度结构的地层上，被动源面波的垂直分量和水平分量大小变化不同，二者傅里叶变换的频谱之比也不同。

地表记录的水平分量和垂直分量的傅里叶谱可以写为

(1)

其中,Ah和Av分别是垂直入射体波的水平分量和垂直分量放大系数；Hb和Vb是基岩内的水平分量和垂直分量傅里叶谱；Hs和Vs是面波的水平分量和垂直分量傅里叶谱，H/V谱比值为

(2)

其中,Hb/Vb≈1，即基岩没有放大作用，当面波能量可以忽略时，微动主要沉积层内的反射横波组成，H/V近似为Ah的值，由于微动中面波占主要成分，所以H/V近似为Hs/Vs，即H/V比近似为面波的水平分量和垂直分量的傅里叶谱比：

H/V=H(f)/V(f)

(3)

通过对大量地震和地脉动信息的观测研究发现，在不同速度结构的地层上，被动源面波的垂直分量和水平分量大小变化不同，二者傅里叶变换的频谱之比也不同。谱比法就是利用面波的垂直分量与水平分量傅里叶之比来分辨地层[12-14]。

3 测区地质条件

图1 勘察场区测线示意图(蓝色线为物探测线)Fig.1 Schematic diagram of survey line in survey area

4 勘察成果

不同速度结构的地层上，被动源面波的垂直分量和水平分量大小变化不同，二者傅里叶变换的频谱之比也不同。谱比法就是利用面波的垂直分量与水平分量傅里叶之比来分辨地层。微动谱比分析处理流程为：数据导入—导入型号波形—设置分段长度、频率范围-设置表层速度—谱比分析—保存成图。频谱分析如图2所示，频谱能量分布在2～30 Hz频段内，能量主要集中在2～10 Hz范围内,相速度200～600 m/s。

图2 频谱能量Fig.2 Spectrum energy diagram

为查明崾岘子沟断裂带的具体位置，布置测线一条，设计采用高密度电法和音频大地电磁测深法，由于测线附近有两条高压线穿过，与测线近似平行，电磁法干扰较大，无法开展，改用高密度电法和微动谱比法勘察。预期利用高密度电法成果分析地电结构[15,16]，微动谱比分析地下波速分布，以达到探测断层破碎带的目的。

图3 高密度电法成果Fig.4 Results of high density electrical method

如图3所示，从高密度电法电阻率断面整体来看，其电阻率由浅至深呈高-低的分布形态，电阻率值分布范围从1 000 Ω·m到10 Ω·m，电阻率纵向梯度大。表层覆盖层电阻率较高，下覆砂质泥岩电阻率较低，由于断层破碎带和周围泥岩同为低阻，断层破碎带区分不明显。

图4 微动谱比H/V成果Fig.4 Microtremor spectrum ratio H/V result chart

微动谱比探测主要采用直线型，根据测线方向及工作场地的实际地形布设台站进行采集，兼顾质量及效率，本次项目直接直线型布设，平移全部台站。如图4所示，微动谱比成果图中有一较小比值带，中心位置位于K0+640处，宽20 m左右。根据场地调查了解及相关地勘资料，推测其为张性断层的反映，由于水平方向的拉张力，导致横向波速在断层位置下降快于纵向波速，导致H/V出现较小比值带。

在物探异常中心位置位于K0+640处钻探验证，钻孔揭露该处覆盖层厚度为52 m，下伏寒武系(∈)砂质泥岩破碎，在80～87 m钻孔打出黑色的断层泥，与微动谱比分析结果较为吻合。

5 结 语

天然源面波频率—波数法利用的是天然场源信号，具有成本低，布阵灵活，不扰民等优点，因而具有很好的发展前景。高密度电法勘探深度有限，有些地区无法穿透覆盖层，达不到勘察要求。在电磁干扰区，微动谱比法替代电磁法作为一种大深度勘探手段，对断层破碎带等异常体有较好的反应。对于电性差异不明显区域，微动谱比法有较高的分辨率，微动谱比幅值代表各点频率水平-垂直振动的相对大小；极大值、极小值异常揭示了地下介质的完整性和属性。通过本文试验可归纳以下几点：

1)研究两个方向的波速的比值，对异常反映的灵敏度要高于单方向波速剖面。

2)张性断层破碎带一般具有相对谱比极小值，即水平振动小于垂直振动。

3)根据存在的水平震动和垂直震动的差异，微动谱比在断裂破碎带勘察有较好的应用效果。