微动勘探方法在地热勘查中的应用

  摘 要：利用物探方法圈定含水破碎带和热储水层的区域分布，是地热勘查的有效手段。采用微动勘探技术，取得了某地块地热勘查视S波速度剖面，其中低速异常表征的破碎带判定为热储含水构造。结果表明，微动勘探方法对深部低速层的分辨能力较高，对破碎带等低速异常体探测效果良好，能有效圈定含水破碎带区域，有助于提高地热勘查精度，可为地热井位选址提供重要依据。

 

  关键词：微动勘探；频散曲线；视S波速度；地热勘查.

 

  地热资源具有环境影响小、运行成本低、用途广等优点，被称为经济、清洁的新能源，日益受到重视，应用也日渐普遍。钻探和物探技术是目前常用的地热勘探方法，其中地球物理勘探的主要作用是圈定含水破碎带和热储水层的区域分布，是勘查地热空白区的有效手段。

 

  在城市地区，由于环境条件复杂，常规的地质钻探和传统的物探手段在勘查中受到很大局限和约束，如钻探工程，施工成本较大，并受地下的各类管线与人防工程及现有建筑物等限制，有些钻孔无法实施，会出现地质信息盲点；传统物探手段则会受到噪音、电磁等各种干扰，导致数据失真，影响探测准确性。同时，含水破碎带和热储水层有时埋深较大，也加大了工作难度，仅依靠钻探及传统物探手段很难达到勘查目的。因此，尝试采用新的物探手段与多种传统物探方法联合勘探，以提高地热勘查探测精度具有重要意义。

 

  微动勘探方法是一种经济快捷且行之有效的物探方法，以其野外观测方便、无需人工源、不受电磁干扰等优势在城市工程物探中发挥着重要作用。自20世纪80年代末引入我国以来，在地热井位测深、煤矿采区勘探等方面得到应用，效果良好。本文结合上海地区地热勘查中微动勘探实践，介绍微动勘探方法的原理、方法及应用实效。

 

  1 微动勘探原理与方法.

 

  1.1 基本原理及数据处理.

 

  微动是地球表面日常微小的颤动，它区别于有特定震源和发震事件的“微震”，在任何事件和地点均可以观测到。微动位移幅度一般为几个微米，频率变化范围在0.3~5.0Hz之间。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70%以上，微动中的面波信息与地表介质密切相关。

 

  尽管微动信号的振幅和形态随时空变化而发生改变，但在一定范围内具有统计稳定性，可用时间和空间上的平稳随机过程描述。微动勘测方法就是一种以平稳随机过程为依据，从微动信号中提取面波（瑞雷波）频散曲线，通过对频散曲线反演，得到地下介质S波速度结构的地球物理勘探方法。相关研究与实验结果表明，隐伏断裂破碎带在微动视S波速度剖面上有明显的低速异常显示，这成为微动剖面解释隐伏地热构造的重要标志，并为地热井位选址提供重要依据。

 

  从微动信号的垂直分量中提取瑞雷波频散曲线的方法有两种，一种是频率—波数域法(F-K法)，另一种是空间自相关法(SPAC法)。目前常用SPAC法。

 

  空间自相关法是日本学者安艺敬一(Keiiti Aki)于1957年从理论上导出的。假设微动是来自各个方向的各向同性波，微动信号在时间和空间上符合平稳随机过程，而且微动中所包含的各种波中面波的一个振动模式占优势，则如图1所示的圆形观测阵列上的一点和中心点观测信号的标准化自相关函数方位平均值可以表示为：

 

  (1)式中：S(f,r,θ)为圆心处观测点与圆周上观测点信号的交叉谱，S0(f,0)和Sr(f,r)分别为圆心处和圆周上观测点信号的功率谱，J0为第I类0阶贝塞尔函数，x0=2πfr/c(f)为0阶贝塞尔函数的宗量，θ为波的入射角度，c( f )为波的传播速度，ρ( f,r)为空间自相关系数。

 

  用SPAC法处理微动数据时，先将实测记录分成若干数据段，剔除干扰明显的记录段，将各数据段通过中心频率不同的窄带滤波器以提取各个频率成分f，再对不同的f分别计算中心测点与圆周上各测点之间的空间自相关函数，经过方向平均后求得空间自相关系数ρ(f,r)。由ρ(f,r)=J0(x0)求出零阶贝塞尔函数的宗量x0，再由x0=2πfr/c(f)求出相速度c(f)，最终获得相速度频散曲线。

 

  从微动记录中提取出瑞雷波相速度频散曲线之后，采用个体群探索分歧型遗传算法(FGA)反演地下S波速度结构。

 

  1.2 野外观测系统.

 

  （1）单点观测.

 

  SPAC法观测台阵为圆形，即把测点布置在圆心以及半径为r的圆周上。最简单的圆形台阵是在圆周上等间隔布置3个测点（正三角形台阵）。实际观测时采用图2所示多重圆形台阵组合观测方式，以提高工作效率及精度。

 

  微动探测深度虽与微动信号的频率有关，但更主要取决于观测台阵半径大小。一般而言，使用圆形台阵观测时，勘探深度是圆形台阵半径r的3~5倍变化，不需反演横波速度的绝对值。故从微动记录中提取出瑞雷波相速度频散曲线后，用下式计算视S波速度vx[14]

 

  ：

 

  (2)上式中：vr为瑞雷波速度；ti为周期。通过对剖面上各点的vx值进行内插，画出所在微动观测剖面的视S波速度剖面图，最后进行地质推断及解释[15]

 

  ，如图3所示。

 

  Fig.3 Basic procedures of microtremor profiling method无论是单点还是剖面观测系统，各点均采用拾震器、周期延迟电路、滤波器以及记录仪组成的观测仪器独立完成数据采集，仪器的主要性能指标如表1。

 

  观测过程中各台仪器的时间校正由记录仪内置GPS自动完成。

 

  Table 1 Main parameters for microtremor observation equipment项 目 主要性能指标 项 目 主要性能指标道数 3道 记录方式 连续记录输入电压 ±5v 消耗功率 0.25w增幅倍数 1、2、4、8、16倍、OFF 电源 DC6.5~16v采样频率 200Hz、100Hz 适用温度 -20~+50℃动态范围 100Hz时为128dB 适用湿度 30%~+85%时间校正 内部GPS受信模块实时校正 尺寸 170×43×120.5mm数据储存 SD?SDH卡 重量 约600g仪器一致性测试结果.

 

  (a)功率谱; (b)功率谱之比; (c)相干系数; (d)相位差Fig.4 Consistency test results of microtremor observation equipment(a)power; (b)power ratio; (c)coherency; (d)phase difference（2）剖面观测微动剖面勘查仅需要得到剖面上横波速度的相对Shanghai Land & Resources 上海国土资源2012年第33卷第3期73微动勘探对所用仪器的一致性要求很高，一般要求各仪器间的相干系数在0.95以上，相位差在±(3?~5?)以内。在观测开始前，把所有仪器集中到一个地面平坦无人为干扰地区，进行一致性试验。如图4为一致性测试结果，显示各台仪器间具有良好的一致性。

 

  2 应用实例.

 

  2.1 测区概况.

 

  上海地区开展过地热资源的调查与研究，近年的研究成果圈定了地热资源潜在分布区，并在地质勘查规划中作为工作内容之一。本次采用微动勘探方法进行地热资源勘查的测区位于上海宝山区罗店镇，为地热井位选址的前期工作。

 

  为达到2.5km的探测深度，每个中心点均采用两个共中心点的二重圆形阵列观测台阵，设计台阵的观测半径r分别为75m、150m、300m和600m。观测系统及测点布置如图5所示。测点1、2相距165m，测点3、4、5间距75m；测点5、6相距100m；测点1、5相距370m；测点5、7相距420m。测点每次观测时间为30分钟。根据设计的台阵中心点，逐点进行观测。当观测点位置遇到障碍物等无法放置仪器时，适当调整台阵方位，以方便施工。

 

  （岩性）差异不大；（2）频率范围0.25~0.5Hz区间（与表2中的IV~V层相对应），各测点的相速度陡增，且差异较大。表明该区块深部存在较大的岩性差异。

 

  利用个体群探索分歧型遗传算法(FGA)，由相速度频散曲线反演得到地下S波速度结构。反演计算前先给定初始模型，即层数、各层S波速度及层厚的范围（上限和下限），再从给定范围中求得S波速度结构的最优解。根据实测频散曲线形态分析，本区大致有五层速度（岩性）分层。所以，设置五层速度结构模型（初始速度模型），通过各层深度和速度联合反演，拟合实测频散曲线，获得各点S波速度结构，各点反演结果见表2。

 

  2.2.2 剖面探测结果.

 

  将相速度频散曲线转换成视S波速度曲线，再经纵、横向内插、光滑计算，获得视S波速度剖面。

 

  微动剖面探测获得的视S波速度(Vx)剖面。不同速度值用相应颜色表示，色标示于图右侧。反演获得的S波速度曲线也叠放其上，以标定层位。

 

  在Vx剖面上，沉积稳定、无构造的层位，Vx剖面颜色均匀，横向上可连续追踪对比。在断层（破碎带）发育、岩性有明显变化的区域，因为不满足水平层状均匀介质的理论假设，导致SPAC法对相速度的低估，从而在Vx剖面上出现低速异常假象，成为Vx剖面上解释、识别隐伏断层（破碎带）等地质构造的标志。

 

  结合Vx剖面及微动测深成果分析，本区块具有如下特点：

 

  （1）地层具分层性.

 

  以700±~1000m间的界面为界，分成上、下两套.

 

  2.2 结果分析.

 

  2.2.1 频散曲线及单点反演结果.

 

  以单点微动探测（测深）及剖面探测工作方法，采用SPAC法从微动记录中提取瑞雷波并计算各台阵的瑞雷波频散曲线。图6为各测点的实测频散曲线，其曲线光滑、延续性好，说明实际效果良好。

 

  由各测点频散曲线对比，不难看出如下特点：

 

  （1）在频率约0.5~2.5Hz区间（与反演结果表2中的I~III层相对应），各测点的相速度较低，且差别不大。

 

  表明该区块0~800m左右深度范围内，岩性较为均匀，尽管可划分出三个S波速度分界面，但界面的S波速度上海国土资源地层。上部地层可划分出三层、两个岩性分界面，Vs≤0.88km/s，地层层厚及Vx横向变化都较小，岩性相对均匀、稳定；下部地层Vs≥1.45km/s，西深东浅；Vx变化较大，说明存在岩性差异，揭示构造发育。

 

  （2）深部有构造破碎带分别在1、3、5和7号测点之下发现低速异常，显示深部岩性变化较大，构造发育，为构造破碎带，见表3描述。

 

  异常区段 深度范围 说明 异常位置低速异常1 约1000~2200m左侧无测点，与右侧测点相距较远，测点间内插结果仅供参考。

 

  1号测点下低速异常2 约850~1450m左侧无测点，与右侧测点相距较远，测点间内插结果仅供参考。

 

  3号测点下低速异常3 约850~1450m 5号测点下低速异常4约1100~2500m,可能深达3000m右侧无测点，与左侧5号点相距较远。测点间内插结果仅供参考。

 

  7号测点下弱低速异常 约1950~2200m 5号测点下低速异常1和2：分别位于剖面一的1号测点和剖面二的2号测点之下。低速异常可靠，但位于剖面左侧边缘，缺少与另一侧地层的对比，且测点间距较大，不便做更多分析、解释。

 

  低速异常3：在5号测点之下，见剖面二。该异常与两侧速度差异显著，可能与隐伏构造（如断层破碎带）有关，值得关注。其深部约2000~2200m处发育弱低速异常，推测其与局部岩性变化有关。

 

  低速异常4：为方便解释，把相距较远的1、5和7号测点连成剖面三，测点之间结果由内插得到，仅供参考。与5号点相比，1和7号点之下出现更明显的低速异常，且7号点下的低速异常规模较大，至少从1100~2500m，并有可能断断续续延伸达3000m左右。

 

  3 结语.

 

  本次实验采用微动勘探技术，以其显示的视S波低速异常带，推断测区深部存在岩性破碎带，基本可判定为热储含水构造。实验结果表明，微动勘探方法对深部低速层的分辨能力较高，对破碎带等低速异常体探测效果良好，能有效圈定含水破碎带区域，有助于提高地热勘查精度，可为地热井位选址提供依据。

 

  作为一种全新的物探技术，微动勘探方法的数据采集和处理方法还需进一步发展和提高。多种方法联合，优势互补，相互对比验证，以提高探测精度，也是有效解决地质问题的重要途径。