新疆维吾尔自治区煤田地质局综合地质勘查队 新疆乌鲁木齐市 830009
引言
某省中部的溱潼凹陷是一个在新生代拉张背景下形成的典型的南断北超的箕状凹陷，下第三系为南断北超、南深北浅的半地堑盆地结构，其上发育上第三系、第四系坳陷。
为了了解本地区地层的具体情况，利用微动探测技术进行探测，探测目标剖面上对应的视S波速度的变化情况，以获取相应的地层构造。
1 勘查区地质特征
构造上属于苏北~南黄海盆地东台坳陷的一个次级构造单元（三级构造单元），位于东台坳陷区吴堡低凸起与泰州凸起之间，整体呈北东东向展布。北以吴堡~博镇断裂为界，东南部与泰州凸起以断层相接，西连江都隆起，东接梁垛低凸起，西北部与吴堡低凸起以斜坡相连，东北方向较开阔，过梁垛与白驹凹陷、海安凹陷相连，西南部较狭窄，是凹陷的收敛部位。面积约1200km2，新生界最大厚度约6000m。
溱潼凹陷自南向北划分为断阶带、深凹带、斜坡带三个构造带，其中斜坡带又可分为内斜坡带、坡垒带和外斜坡带。南部断阶带整体走向北东，部分被近东西向（个别为近南北向）断层错断。南部断阶带断裂系统十分发育，除有控制凹陷边界的大断层（I级断裂）外，尚发育有次一级控制着构造和地层沉积特征的主干断层（II级断裂），在平面上断裂走向大都以北东东向为主。少部分为北东向。
2 微动探测的原理
地球表面不论在何时何地都存在一种天然的微弱震动，称为地脉动或常时微动（Microtremor or Ambient vibration），它源于自然界和人类的各种活动。自然界中的风、潮汐、气压变化、火山活动等都会产生震动；而人类活动产生的震动包括车辆移动、工厂机械运行，甚至人的行走等，前者频率小于1Hz，后者频率大于1Hz。
微动是一种没有特定震源的天然源振动，它是由体波（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能量的70%以上，微动中的面波信息与地表介质密切相关，实际运用中常利用微动信号的瑞雷波信息。
由于面波的频散特性，微动信号具有振幅、频率随时间、空间发生显著变化的特点，但在一定时空范围内仍满足统计稳定性，可用平稳随机过程来描述。微动探测方法（The Microtremor Survey Method，简称MSM）是以平稳随机过程理论为依据，从微动信号提取面波（瑞雷波）的频散曲线，通过对频散曲线的反演获取地下速度结构信息的地球物理探测方法，如图2-1所示。
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图2-1 微动探测示意图
从微动信号中提取瑞雷波频散曲线常用的两种方法是频率-波数法（The Frequency-wavenumber Power Spectral Method，简称F-K法）和空间自相关方法（Spatial Autocorrelation Method，简称SPAC法）。F-K法频散曲线集中在低频段，而高频时的混频现象会使其结果恶化；SPAC法频散曲线集中在高频段，而低频段经常无法准确提取，因此F-K法适合分析深部土层，而SPAC法适合分析浅部土层。
3 数据采集及处理
3.1 测线布置
根据地质情况及现场的勘查。此次作业根据现场条件合理选择观测台阵，分别采用了一字型台阵、L型台阵、T字型台阵及三重圆台阵，一字型台阵和L型台阵站间距11.25m，采用9个台站接收数据，T字型台阵站间距30m，三重圆台阵半径分别为22.5m-45m-90m，采用10个台站接收数据，每个台站连接一个2hz宽频带检波器，共计完成有效微动测点159个含检查点8个（测点间距大约在500m），本次作业采用4G数据实时监控系统，确保数据质量（如图）。
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图3-1 施工区测点位置布置示意图
3.2 仪器与观测系统
数据采集使用GN209微动探测系统，连接主频为2Hz的垂直分量宽频带拾震器（或称检波器）进行数据采集。其中，微动数据采集器的研发和调试过程中严格筛选元器件，选用性能和参数均相同的器件，并系统化的调试各通道参数，保证各道频率特性曲线一致，确保各通道具有良好的一致性，这对提高探测结果的可靠性是至关重要的；其次采用32-bit高精度ADC，降低仪器自身的量化噪声，提高仪器信噪比，获取的微动信号更加精确；再次，通过接收GPS卫星的标准时间信号自动实时地进行内部时钟校正，其同步误差小于15 ns，故在长时间观测中也能确保各数据采集器的同步性。
为满足二维勘查的需求，微动观测点可沿剖面布设，即采用微动剖面探测方法。为了高效率完成野外施工，常采用（如图3-2）所示的等间距台阵布设方式，该台阵等间隔布设，每个台阵由10个数据采集点组成，当完成圆点S1的观测（即由S1、A1、B1-B3、C1、C2、D1、D3和D5组成的单点观测台阵）后，将观测点S1、A1、B1、C1、D1、D3和D5的数据采集器移动到对应的S2、A2、B4、C3、D2、D4和D6上即可进行第二测点台阵观测，以此类推。该方式每次仅需移动若干台数据采集器即可完成一个测点，而无需将10台数据采集器全部移动到下一个测点。对于某些特殊的工区，也可采用不等间距布设台阵方式进行剖面探测。
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图3-2 观测系统
3.3 数据处理与反演
本次勘查采用骄佳软件处理数据，采取空间自相关方法（SPAC法）提取瑞雷波频散曲线。
微动剖面探测数据处理流程如图3-3所示，采用台阵布置方式进行微动信号采集，利用 F-K 法或 SPAC 法从各测点记录中提取瑞雷波频散曲线，绘制相速度等值线图，或者计算视S波速度，利用实际微动信号中提取的瑞雷波频散曲线反演得到视横波速度结构信息。常用的反演算法有半波法经验公式反演，半波法经验公式反演是一种采用经验公式对频散曲线进行反演计算的方法，探测目标剖面上对应的视S波速度的变化情况，以获取相应的地层构造。
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图3-3数据处理流程示意图
3.4 探测成果分析
由下图可见，微动反演剖面显示的各层视横波速度基本一致，具有明显的纵向分层特征，由浅至深可分为三层；低视横波速度层（0~100m/s），过渡视横波速度层（100~210m/s），相对高视横波速度层（210~300m/s）。结合各测线的地质构造及特征分析得出地层的大概分层情况。
为了验证结果的合理性，收集了测区相关钻探和地震资料。由下图微动剖面图和地震反射波时间剖面图对比分析，反射波时间剖面图反射波组比较连续，微动剖面图两点之间点距过大，surfer成图是由两点之间差值生成的，所以会有线条起伏的变化，可以看出地层第一层分层在130m，第二层分层在200m，第三层分层在310m，和地震剖面图基本吻合。
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图3-4 L9测线动校叠加时间剖面
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图3-5 L9测线微动相速度及视横波速度剖面图
4 讨论
微动是一种没有特定震源的天然源振动。由于面波的频散特性，微动信号具有振幅、频率随时间、空间发生显著变化的特点，但在一定时空范围内仍满足统计稳定性。通过反演能够划分地层，对地质构造进行判定。在城市及复杂的地质环境中，取得其它物探手段无法满足的良好效果。以上结论仅根据微动探测处理频散曲线结果推测得出，仅一种物探方法对目标体探测，具有单一性，其结果可能存在不确定性。