微动勘探在灰岩矿山软弱地质体勘查中的应用研究.pdf

2023年8 月第43卷增刊第1期四川地质学报Vol.43Suppl.No.1Aug.,2023微动勘探在灰岩矿山软弱地质体勘查中的应用研究冯化鹏，武 斌，余舟，严迪，庞有炜，陈挺，郑福龙（四川省地球物理调查研究所，成都6 10 0 7 2）摘要：川西南地区某露天水泥用石灰岩矿场，地处典型的西南裸露型岩溶发育区，矿体赋存于地表出露的二叠系茅口组（P2m）中。矿山的开采活动使在岩土体中产生破裂位移、压密下沉、振动液化、塑流变形等破坏效应,加上西南地区温暖湿润、多雨的气候使地下水循环交替强烈，极大地促进了地表和地下软弱地质体（岩溶）的发育，影响到矿山的正常生产。采用微动勘探对灰岩矿山种软弱地质体进行调查，资料解释依据平稳随机过程理论,采用空间自相关(SPAC)法从微动信号中提取瑞雷面波频散曲线,通过对频散曲线的反演,获得地下介质的横波速度结构。利用面波在破碎带、岩溶塌陷区等软弱地质体和致密原生岩体之间的波速差异，来推测矿区的破碎带、岩溶的等软弱地质体的发育情况，为矿山安全生产，采空区的预研判和综合治理提供基础依据。关键词：灰岩；岩溶；微动勘探；软弱地质体中图分类号：P315.4DOI:10.3969/j.issn.1006-0995.2023.S1.019我国岩溶面积344万km，约占国土面积的1/3（袁道先，2 0 0 3）。岩溶区地质灾害常有发生，特别是岩溶地面塌陷突发性强，破坏性大，严重影响了城乡居民的正常生产、生活环境（王庆兵等，2 0 10；邓启江等，2 0 0 9）。同时，受矿业活动影响，采空塌陷、岩溶塌陷地质灾害易发（鲁杏等，2 0 2 3）。川西南地区碳酸盐岩分布面积广，总厚度可达30 0 0 10 0 0 0 m，以古生代和中生代早期的陆表海碳酸盐岩最为发育，其中又以滨（浅）海沉积尤为主要，包括陆源碎屑沉积和碳酸盐沉积。川西南地区某露天水泥用石灰岩矿场，矿区地处典型的西南裸露型岩溶发育区，矿体赋存于地表出露的二叠系茅口组（P2m）中。矿山的开采活动使在岩土体中产生破裂位移、压密下沉、振动液化、塑流变形等破坏效应,加上西南地区温暖湿润、多雨的气候使地下水循环交替强烈，同时造成土壤中生物地球化学作用活跃，产生大量游离CO2和多种有机酸，碳酸盐岩层的水和CO2的化学平衡遭到破坏，极大地促进了地表和地下岩溶的发育，影响到矿山的正常生产。一般来说，岩溶首先沿岩体中断裂、裂隙（包括层面裂隙）和水流受阻的碳酸盐岩与非碳酸盐岩交界（接触）处发生并渐具规模（杨艳娜，2 0 0 9）。在场地狭窄的浅埋岩溶发育区，选择地震法，采用道距固定的相同排列，获取地下介质的横波速度结构，可以获得地下基岩起伏及岩溶的发育情况（甘伏平，2 0 12）。目前，以微动为代表的被动源面波勘探被广泛应用，它突破了源的限制，直接提取噜杂环境中的面波频散曲线，实现横波速度提取（张若晗，2020年）。微动探测的物理前提是基于不同时代沉积地层之间存在的波速差异，通过获取到的微小振动信号来提取波速信息从而达到识别物性界面的目的（沈志平，2 0 2 2）。1研究区地质概况研究区位于龙门山大巴山台缘坳陷、四川台坳及上扬子台坳的交接部位，跨龙门山陷褶断束宝兴断穹的南东段。即马渡断层与滥池沟断裂和鱼泉挠曲南西翼，地层呈缓倾单斜层状产出。岩层产状31565L 10 37。区内节理裂隙较发育，节理性质主要为断层活动挤压形成的剪节理。由于溶蚀作用，节理裂隙有溶蚀加大现象，形成溶沟、溶槽，部份地段发育有溶洞。区内出露地层有上元古界震旦系上统灯影组三段镁质碳酸盐岩及流纹岩建造，厚7 42 m。元生界缺失寒武系上统地层，主要为碳酸盐岩和碎屑岩及泥质岩建造，厚10 7 6 2 954m；古生界缺失石炭系，但二叠系地层发育完整，主要分布于五鞍山、马家岩一带，以海相碳酸盐岩为主，次为火山岩及碎屑岩建造，厚549.36 95.49m。中生界仅出露三叠系中统和上统须家河组一、二段，以碎屑岩为主，次为碳酸盐岩收稿日期：2 0 2 3-0 5-19作者简介：冯化鹏（198 9一），男，四川武胜人，工程师，主要从事重磁电综合地球物理方法研究文献标识码：A文章编号：10 0 6-0 995（2 0 2 3）S1-0099-0599台阵观测微动勘探在灰岩矿山软弱地质体勘查中的应用研究建造，厚3457 3498 m。新生界第四系为冲、洪积物，厚0 31 m。2特物探方法与技术2.1微动探测原理简介地球表层时刻存在着的非地震引起的微弱振动噪声称为微动。通常把周期小于1s的短周期微动信号称为常时微动或地脉动，主要是近距离的人为振动（交通运输、机械振动和人员活动）激发产生的。周期大于1s的长周期微动信号主要是由像海浪、风、气候等自然现象的变化引起的地面噪声（何正勤，2 0 0 7）。微动勘探，即天然源面波勘探方法，是指利用微动中的面波来推断地壳浅部的横波速度结构。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，且面波的能量占信号总能量的7 0%以上（Toksoz，196 8），微动中的面波信息与地表介质密切相关。通过空间自相关法（SPAC法）（Okada，2 0 0 6；A k i，1957；O h o r i，2 0 0 2）从微动台阵记录数据中提取面波频散曲线，反演横波（S波）速度Vs，并获得二维S波速度剖面，反演横波速度结构用于精细分层。S波速度剖面能相对直观的客观反映地下介质变化，是地质解释的基本依据之一。在均匀水平层状介质中，不同周期的面波以不同的传播速度传播。周期越长其传播速度受到深部的介质影响，通过测量不同周期的面波速度（即频散曲线）和一定的反演方法来推断不同深度介质的属性，从而达到探测的目的。同一岩性地层存在压实程度、含水性等差异，所以不同位置同一种岩层的地震波速度也可能存在较大差异，仅凭地震波速度剖面解释、划分岩性是困难的。通过收集以往类似的资料及本次微动勘查的物性成果，建立了本区的横波速度参数结构，从而可以对不同横波速度结构反映的地质单元作解释。本区的横波速度参数结构可以大致归纳为：低速区、较低速区、中低速区及中高速区分别对应于基岩溶蚀区、破碎区、风化灰岩及完整灰岩，详见表1。2.2数据采集原始信号获取空间自相SPAC关系数求取频散曲线反演地球物理模型图1采用SPAC法获取S波速度剖面流程图表1工区横波速度特征统计表岩性横波速度（m/s）风化灰岩200 1200完整灰岩1000 2000破碎区800 1000溶蚀区500900L1YR1L3L4L5L6180200300速度特征中低速区中高速区较低速区低速区图例微动测线及战号推断岩浴发育区及编号400VS3观测台阵使用皮尺进行敷设，道间距为1m，总接收道数为30 道。测线布设如图2。2.3数据处理数据处理主要采用空间自相关法。从被动源面波信号记录获取的直线型台阵通过100L8L9L7图2 微动测线布置示意图2023年8 月第43卷增刊第1期任何频率为fo的空间自相关系数po,拟合第一类零阶贝塞尔函数，可获得与这些频率对应的相速度c（f o）。通过以上步骤便可得到整个被动源面波数据的f-c频散点，将其进行光滑处理后，即可得到频散曲线。根据曲线变化规律以及约束条件，给出定性解释，确定初始地质模型。通过正演计算获取理论频散曲线，然后计算拟合系数，根据拟合程度来获取反演结果（图3）。四川地质学报Vol.43Suppl.No.1Aug.,2023a.原始曲线图3典型剖面速度结构特征3.1微动L2线速度特征微动L2线视横波速度成果（图4），剖面高程110 9m以浅视横波速度低于12 0 0 m/s，推断为浅部基岩风化所致，高程1111m以下区域视横波速度较高，推断为完整未风化基岩。剖面中推断存在3处岩溶为 L2-1L2-3，附近视横波速度纵横向均错断，视横波速度在8 0 0 90 0 m/s之间，分别位于平距17.8 m高程1 113 1 115.4m、平距 10.7 13.5 m高程 1 114.2 1 116.5m、平距40 43m高程 1 1111116m之间;推断存在4处岩体破碎区，视横波速度在8 0 0 110 0 m/s之间，分别为LP2-1LP2-4，对应位置分别为平距8.3 10 m高程110 5.5 110 7.8 m、平距16.5 18 m高程10 97 110 0 m、平距15.5 2 5.2 m高程1115.5 1117 m、平距31 33m高程10 2.5 110 7.6 m。3.2微动L3线速度特征b.频散点图3频散曲线图250高程/m1120-1115-1110-1105-11001095+0图例c.频散曲线1P-1500510视旗波速度等值钱图4微动L2线视横波速度成果解释图V(m/s)2100190017001500130011009007005003001001520推断岩楼区及编号25推新岩体政碎区及编号3035推新蒋风化界面40平距/101微动勘探在灰岩矿山软弱地质体勘查中的应用研究微动L3线视横波速度成果（图高程/m2461125-5），剖面高程1111m以浅视横波速度低于12 0 0 m/s，推断为浅部基岩风化所致,高程1111m以下区域视横波速度较高，推断为完整未风化基岩。剖面中推断存在4处岩溶为L3-1L3-4，附近视横波速度纵横向均错断，视横波速度在8 0 0 900m/s之间,分别位于平距2 5.3m高程1 111.3 1 113.8 m、平距16.7 20 m 高程 1 114.7 1 116 m、平距2 3.3 2 6 m高程1115.51117m、平距30.8 33m高程11121114.2m之间；推断存在4处岩体破碎区，视横波速度在8 0 0 1100m/s之间,分别为LP3-1LP3-4,对应位置分别为平距10.3 11.8 m高程10 98.5 110 1.8 m、平距2 3.8 25.8m高程110 1.2 110 3.8 m、平距31.2 33.5m高程110 5.3 110 8 m、平距35.3 43m高程1111.8 1 113.8m。3.3微动L4线速度特征微动L4线视横波速度成果（图6），面高程110 7 m以浅视横波速度低于12 0 0 m/s，推断为浅部基岩风化所致，高程1111m以下区域视横波速度较高区域，推断为完整未风化基岩。剖面中推断存在3处岩溶为L4-1L4-3，附近视横波速度纵横向均错断，视横波速度在80090 0 m/s 之间，分别位于平距1 5.1m 高程 1 10 8.3 1 110.4m、平距14.5 19.2 m高程1112.51115.2m、平距2 5.3 2 9.2 m高程1 1121 114m；推断存在4处岩体破碎区，视横波速度在8 0 0 1 100 m/s 之间，分别为 LP4-1LP4-4,对应位置分别为平距8.511.9m高程110 7 1110.5m、平距32 35m高程 1 111.8 1 113.2 m、平距 39 42 m高程 1116.2 1117.7m、平距40.5 43.5m高程10 99.5 110 1.5m。3.4微动低速异常验证对比L2、L3、L4三条剖面的低速异常，圈定了YR1号岩溶塌陷异常（图2）。经后期钻孔验证，确定YR1号异常为岩溶致的异常。4结论Va（m/s)112021001900CD11151110110511001095图例高程/m2511125-1120111511101105-11001095+0图例视横液速度等值线图6 微动L4线视横波速度成果解释图1700150013001201100900LP370050030010010155视横波速度等值线推推斯岩游区及编号图5微动L3线视横波速度成果解释图CPP4510201520推断岩游区及编号26推斯岩体被碎区及编号2530推断岩体微碎区及编号3035推断强风化界面LP4-3PH3540推新强风化界面40200平距/平距/mV(m/s)210019001700150013001100900700500300100（1）针对川西南碳酸盐岩地区的地下岩溶和破碎带等软弱地质体的勘察问题，微动面波法确为一种经济且行之有效的物探方法。1022023年8 月第43卷增刊第1期（2）传统通的主动源地震法，无论采用可控震源还是爆炸震源，对于软弱地质体发育的二叠系灰岩地层的稳定性，以及原本就存在一定的采空区的灰岩矿山的安全生产，都会产生负面的影响。微动面波法则能很好的规避这个问题。同时，由于采用了被动源信号，主动源地震法面临的工业、人文干扰等问题也不复存在。（3）在电法勘探中，露天灰岩矿山的地表存在一定的换填，电极接地电阻难以控制，勘探效果受到一定限制。微动面波法则可以通过敷设石膏等简单的方法来提高检波器与地表耦合。同时，相较与电法勘探电极之间的不可避免的有线连接，无线信号接收的微动面波法更有着检波装置布设灵活的优势。参考文献：袁道先2 0 0 3.岩溶地区的地质环境和水文生态问题J.南方国土资源，（1)：2 2-2 5.王庆兵，高宗军，段秀铭，等.2 0 10.济南苏家庄铁矿矿区地面塌陷成因分析J中国岩溶，2 9(2):19 1-19 5.邓启江，李星字，吕琼，等.2 0 0 9.昆明市岩溶塌陷发育特征和防治措施J中国岩溶，2 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