微動方法在金屬礦采空區三維探測中的應用
——以安徽霍邱縣某鐵礦采空塌陷區為例

廖圣柱，萬子軒，賈慧濤

1.安徽省地球物理地球化學勘查技術院，安徽合肥 230031；2.安徽省淺地表地球物理工程研究中心，安徽合肥 230031

在國民經濟高速發展的今天，對地下金屬礦產資源日益增長的需求導致了全國各地出現了大量的采空區，采空區易引發透水、塌陷、冒頂片幫等多種形式的地質災害，易造成大量的人員傷亡和財產損失。由于地下金屬礦采空區隱蔽性強、空間分布規律性差，使得采空區的探測成為一個難題（程力等，2020），因此針對探測方法的研究具有重大意義。

物探方法具有經濟快捷和大范圍探測的優勢，近年來隨著物探技術的不斷成熟，物探方法被廣泛應用于采空區探測（程久龍等,2014）。目前主要用于采空區探測的物探方法（薛國強等,2018)可分為兩類：一是以電性差異為識別依據的電磁類方法，包括高密度電阻率法（楊鏡明,2012）、地質雷達法(戴前偉等,2010)、瞬變電磁法（戴前偉等,2013）、可控源音頻+大地電磁測深(陳玉玲等,2015)等；二是以波速差異為識別依據的地震類方法，包括反射波法（衛紅學等,2014）、折射波法(王建文等,2010)、繞射波法（趙驚濤等,2022）和主被動源面波法（徐佩芬等,2009）等。各種方法均有其局限性，如高密度電阻率法探測深度有限且在采空區未充水情況下探測效果不佳，主動源地震方法受地表障礙及噪聲影響較大（楊樹流,2009)，這些因素制約了傳統物探方法在高干擾背景下進行金屬礦采空區探測的效果。

微動方法是近年來新發展的一種地球物理探測技術，具有探測深度大、縱向分辨率較高、施工成本低、抗干擾能力強、環境友好等特點，已在清潔能源勘查(盛勇等,2019;Tian B et al.,2022)、巖溶勘查（范長麗等,2020）、采空區勘查（賈煦等,2022）、城市地質調查（蔡祖華等,2021;何軍等，2022；徐浩等,2022；張傲等，2022）等領域取得較好效果。本文以安徽霍邱地區某鐵礦采空塌陷區為研究對象，針對該區域采空區埋深相對較大、人為干擾較嚴重等特點，選用微動探測方法開展采空塌陷區三維探測研究工作，為該區后續綜合治理提供地球物理依據。

1 研究區地質概況及地球物理特征

1.1 地層

研究區位于安徽省六安市霍邱縣，地處華北地臺南緣，六安斷裂以北，合肥凹陷和潢川凹陷之間。地層屬于華北地層兩淮地層分區，除部分古生代缺失，前寒武系至第四系均有發育（尹青青等,2013）。研究區均為第四系（Q）覆蓋，下伏地層主要由侏羅系上統毛坦廠組（J3m）、新太古界霍邱群吳集組（Ar4w）沉積變質巖組成（圖1）。地層從老到新分述如下：

圖1 安徽省霍邱地區某鐵礦地質簡圖Fig.1 Geological sketch map of an iron mine in Huoqiu area,Anhui province

（1）新太古界霍邱群吳集組（Ar4w）

為研究區主要地層，由片麻巖、片巖、混合巖、混合花崗巖及鐵礦體組成，總層厚＞1000 m，呈似層狀隱伏于第四系之下，為本區賦礦層位。

（2）侏羅系上統毛坦廠組（J3m）

局部分布于研究區的東部，主要由細、粉砂巖、泥頁巖組成，總厚度＞350 m。

（3）第四系（Q）

第四系覆蓋全區，上部為上更新統（Q3）粘土、粉質粘土，下部為中下更新統（Q1+2）粘土、中粗砂層和鈣質膠結層，分布不穩定，總層厚32 m～157 m。

1.2 構造

1.3 地球物理特征

不同的地質條件對應著不同的物理特征。在正常沉積層序下，地層速度在水平方向應保持相近，縱向方向上隨深度逐漸增大。研究區內礦帶上覆的巖層由太古界吳集組片麻巖、片巖、混合巖、混合花崗巖及鐵礦體組成。其上部為強風化帶，巖石松散破碎，多呈土狀，力學強度低，地震波速低；下部為弱風化帶，裂隙發育，地震波速較強風化帶有所增大，向下逐漸過渡為新鮮基巖，地震波速開始顯著增大。

當采空區發生塌陷時，頂板巖層斷裂、破碎和垮落導致上覆巖層可能形成三個影響帶，即冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶（張淑婷,2012）。影響帶由于巖體破碎、充水，地震波速度下降明顯，而采空區無論是否被填充，相對周圍地層均表現為低速異常，這些地球物理特征的變化為微動方法的應用提供了前提。

1.4 礦區采空塌陷情況

根據以往資料顯示，礦區已知共有5個不同采高的采場，底部標高分別為-146 m、-160 m、-179 m、-195 m、-220 m。由于前期采礦工程尚有部分采空區未及時充填，受采空、斷裂帶、地下水等綜合地質因素的影響，地表曾多次發生采空塌陷地質災害，嚴重影響到該區域地形地貌景觀及地表村莊的人員及財產的安全。前人在塌陷區開展了高密度電法和三維直流電阻率法的探測工作,獲得了區域淺部地層（深度＜100 m）的結構信息，但并未對深部采空區進行深入研究。本次工作在此基礎上，針對地下深部結構開展微動勘查工作。

2 微動方法原理

微動是指地球表面隨時隨地都存在的微弱振動，其中小于1Hz 的信號源于海洋、潮汐運動等自然現象，大于1Hz 的信號主要來自于交通、工業設施等人類活動。微動主要由體波和面波組成，其中面波的能量占比＞70%。利用臺陣數據提取微動中面波的相速度頻散特征，并通過反演獲取地下橫波速度結構是目前主流的微動勘探方法。

微動勘探的具體過程為：根據勘探目標和場地條件（地質、噪聲源等），選取適宜的觀測臺陣及數據處理方法；從微動信號中提取出面波相速度頻散曲線；反演頻散曲線得到臺陣下方橫波速度結構（vs-h），方便起見也可直接采用公式（1）將相速度（vr-f）直接轉換成視速度（vx-H）(Tokimatsu et al.,1992)。

其中，ti、vr，i分別為第i個頻點的周期和相速度。

基于二維臺陣測量相速度頻散曲線的方法主要有F-K 方法（Capon，1970）和SPAC/ESPAC/MMSPAC 方法（Aki,1957;Ling S Q,1994;Okada,2003），兩種方法各有優劣（Hayashi et al.,2022）。本次研究選用改進的高分辨率F-K 方法（Wathelet et al.,2018）進行頻散測量，該方法在得到相速度的同時能夠對噪聲源進行定位(Gal et al.,2015)，其一般計算流程如下：①將微動數據等時長分成M段，對每段數據加窗函數以防止頻譜泄漏，剔除振幅過大的數據段；②對分段數據進行傅里葉變換，在頻率域計算其互相關譜C(f):

③利用Capon 方法計算整個臺陣的聚束輸出P(f，s):

④通過求取給定頻率下P(f，s)的極大值對應的慢度(sx，sy)，計算出對應的相速度，對所有頻率采取如上操作得到相速度頻散曲線。

3 微動數據采集與處理

3.1 場地單點試驗

在正式野外施工前，首先開展場地噪聲源調查，以指導觀測方案的設計和數據處理。利用15個臺站組成的臺陣進行觀測試驗，觀測時間為半小時。圖2 為試驗數據時頻分析結果，可見2～10 Hz頻段信號較為豐富，表明區域內人文活動較為強烈，能夠為本次勘探提供豐富的微動信號。5 Hz 以上出現間斷持續且能量較大的單頻噪聲，為疑似干擾源?，F場勘查結合噪聲源聚束分析（圖3），確定為廠區的工業機械噪聲。該噪聲源與其他源在慢度上接近，且具備頻散特征，推斷以平面波形式在場地傳播，對頻散曲線的質量影響不大。此外，聚束結果顯示出場地低頻噪聲源均有明顯的方向性，宜采用二維臺陣進行數據觀測（Liu Y et al.,2020）。

圖2 試驗點典型微動信號(a)和時間域波形記錄(b)時頻分析結果Fig.2 Typical micro motion signals at test points(a)and time domain waveform records(b)time-frequency analysis results

在地表塌陷區和遠離塌陷區的位置分別進行了單點探測，可以看出正常地層的頻散連續性更高、相速度更高（圖4a），而塌陷區頻散較為雜亂、3～5Hz頻段基、高階頻散發生混疊，相速度較低（圖4b），兩者差異明顯，是微動方法有效探測采空塌陷區的良好前提。

圖4 研究區未塌陷區（a）及塌陷區（b）頻散譜Fig.4 The dispersion spectrum in non-collapse area(a)and the dispersion spectrum in collapse area(b)

3.2 野外數據采集方法

采用國為電子公司生產的GN309 一體化遠程智能微動勘探儀進行微動數據采集。在條件較好的情況下，微動臺陣的探測深度可達觀測半徑的3倍以上（Foti et al.,2018）。根據以往勘查經驗和場地試驗結果，本次勘查采用10 個臺站組成的三重圓形觀測臺陣，觀測半徑分別為20 m、40 m、80 m，探測點距為20 m。兼顧到施工效率，實際觀測時共布設15個臺站（圖5），一次觀測兩個點1#和3#，觀測時間為30 min，完成觀測后臺陣整體沿測線方向移動20 m，進行點2#和4#的觀測，以此類推。根據場地塌陷情況和以往開采信息，布置了微動勘探剖面，測線、測點分布如圖6所示。

圖5 觀測臺陣示意圖Fig.5 Schematic diagram of observatory array

圖6 微動測點分布Fig.6 Locations of microtremor survey points

4 探測成果與資料解釋

4.1 微動試驗剖面

選取研究區地質、鉆孔資料最豐富的L17-135線作為勘探試驗剖面，以驗證采集參數和處理方法的有效性。本次研究僅需了解剖面速度的相對變化，無需反演速度的絕對值。提取出頻散曲線后，利用式（1）計算出剖面視橫波速度vx，如圖7所示?？梢钥闯?，剖面由淺至深，速度逐漸遞增。速度等值線變化趨勢是沿測線方向由淺入深，與已知地層傾向一致。速度分層明顯，按速度變化規律可大致分為三層，并根據鉆孔巖性推測其對應地層如下，第一層：速度100～400 m/s，推測為第四系亞粘土層（Q3）；第二層：速度400～500 m/s，推測為第四系鈣質膠結層（Q1+2）；第三層：速度500～1600 m/s，推測為新太古界霍邱群吳集組上段（Ar4w2）片麻巖。圖中標高-50～-100 m之間3處本應因存在礦體而為高速的地方，實測顯示為低速異常（異常1-3），經與礦方溝通，確認異常1 與異常2 兩處位置的礦脈均已采空（vx＜600 m/s），由已知到未知，推測異常3位置的礦脈也被開采，但已回填（600 m/s＜vx＜900 m/s）。

圖7 L17-135線視橫波速度剖面Fig.7 Apparent velocity profile of L17-135

綜上，微動速度剖面結果與地質剖面鉆孔資料基本吻合，由此可以開展全區測線綜合解釋。

4.2 成果解釋

本次研究共完成14 條微動剖面，測點覆蓋全區，通過數據插值構建了研究區標高-300 m以上的三維視橫波速度結構。從速度水平切面圖（圖8、圖9、圖10）中可以看出，標高-140 m～-200 m 微動切片圖中的低速異常邊界與開采平面邊界吻合良好，大部分開采地層雖已回填，但整體波速仍低于800 m/s，而同標高正常地層波速可達1000 m/s。在已知塌陷區域Y01(圖9)，標高-160 m 以下異常不明顯，表明塌陷點位于標高-146 m～-160 m 之間的開采平面；標高-40 m～-160 m 之間推測為塌陷冒落帶，因為地層破碎充水，相較圍巖表現為明顯低速異常；標高-20 m切片低速異常不明顯，結合以往物探資料推斷標高-20 m以上地層趨于穩定。此外，標高-60 m～-100 m切片圖中的異常范圍大于地表已知沉降區，推測塌陷區周邊也存在局部地層沉降或受塌陷影響產生地層擾動，地層穩定性有所下降，但受影響范圍并未延伸到標高-60 m以上。

圖8 研究區標高-20 m～-80 m三維橫波速度結構水平切面圖Fig.8 Horizontal sections of the three-dimensional shear wave velocity at elevation between-20m～-80m of the study area

圖9 研究區標高-100m～-160m三維橫波速度結構水平切面圖Fig.9 Horizontal sections of the three-dimensional shear wave velocity at elevation between-100 m～-160m of the study area

異常帶范圍內存在兩個明顯的低速異常點Y02和Y03（圖9），為區域內的隱伏災害點。從速度切面三維透視圖（圖11）可以看出三處異常在標高-150 m～100 m區段的空間形態極為一致，并在標高-100 m～-90 m區段聯通。結合已知的采空塌陷特征，推測Y02、Y03處發生了局部塌陷，塌陷點同樣位于標高-146 m～-160 m間的開采平面，塌陷影響范圍延伸至標高-80 m，可能存在進一步塌陷的風險。

圖11 研究區標高-60 m～-160 m速度切片透視圖Fig.11 Perspective view of Plots of horizontal sections at elevation between-60 m～-160 m of the study area

切片東部標高-140 m～-240 m 之間存在的低速異常帶與區內已知斷層F1 走向一致，推測為斷層破碎充水的反映。而異常Y02和Y03恰好位于開采邊界與斷層破碎帶的交界處，因此采空區與斷層裂隙可能發生聯通，但僅憑波速特征無法查明采空區與地層、構造之間的水力聯系，因此導致塌陷的具體原因尚待進一步研究。

5 結論

（1）本次微動勘查結果表明，三維速度結構能夠有效刻畫出區內采空塌陷區與斷層的空間展布及相互聯通關系。彈性波速反映了介質力學性質強度，可據此對地層穩定性進行評估，為后續綜合治理提供地球物理依據。但僅憑波速特征無法確認采空塌陷區域富水情況及其與地層構造之間的水力聯系，若要查明塌陷具體原因需聯合多物探方法進行綜合解釋。

（2）微動技術以背景噪聲為信號源，天然具備抗干擾能力，且探測深度大。本次研究充分肯定了微動技術在金屬礦采空區探測中的適用性，在探測目標深度較大，周圍人文干擾較強的情況下具有良好的技術優勢，本文的探測實踐可為以后類似采空區探測提供借鑒。