礦山深部地質(zhì)勘探中縱橫波聯(lián)合勘探實(shí)踐研究

趙偉男，鄭天嬌

（遼寧省東煤地質(zhì)一0一隊(duì)有限責(zé)任公司，遼寧 調(diào)兵山 112700）

經(jīng)濟(jì)市場(chǎng)的工業(yè)化發(fā)展推進(jìn)了我國(guó)礦山工程的進(jìn)步，隨著地質(zhì)勘探作業(yè)技術(shù)的現(xiàn)代化發(fā)展趨勢(shì)，礦山地質(zhì)勘探工作的實(shí)施逐步從淺層作業(yè)向深層作業(yè)過(guò)渡。與此同時(shí)，礦山地質(zhì)專家與相關(guān)技術(shù)工作者也開始了礦山工程新的研究方向，但經(jīng)過(guò)數(shù)年來(lái)的技術(shù)研究與地質(zhì)勘探實(shí)踐，有關(guān)單位并未能在相關(guān)工作中取得顯著成績(jī)，也沒(méi)有在其早期研究成果的基礎(chǔ)上，勘探到新的礦產(chǎn)資源。出現(xiàn)此種問(wèn)題的主要原因是大部分礦山工程工作者在進(jìn)行地質(zhì)勘探作業(yè)時(shí)，僅采用縱波勘探技術(shù)進(jìn)行地質(zhì)信息的獲取[1]。盡管此種信息獲取方式可在一定程度上實(shí)現(xiàn)對(duì)巖石與礦層深度信息的反映，但由于缺少橫波信息在此過(guò)程中的支撐，導(dǎo)致獲取信息最終會(huì)由于存在局限性而失去研究?jī)r(jià)值。為了解決礦山地質(zhì)勘探工程中的問(wèn)題，提高勘探地質(zhì)數(shù)據(jù)的價(jià)值性，本文提出了一種針對(duì)礦山工程的縱橫波聯(lián)合勘探技術(shù)，在地質(zhì)結(jié)構(gòu)層中，流體物質(zhì)不發(fā)生橫向波源的傳遞，為此，提出的技術(shù)基于理論層面是可行的。但相關(guān)此項(xiàng)技術(shù)的研究在礦山工程中仍處于一種理論研究階段，尚未有相關(guān)成果證明此項(xiàng)技術(shù)具有實(shí)踐應(yīng)用效果[2]。因此，在本文的研究中，將以礦山環(huán)境深部地質(zhì)勘探工程為例，開展基于縱橫波聯(lián)合勘探實(shí)踐的研究，以此為我國(guó)礦山工程的實(shí)施提出新的技術(shù)指示方向。

1 設(shè)計(jì)縱橫波聯(lián)合勘探技術(shù)參數(shù)

早期礦山地質(zhì)勘探工程的最深勘探深度約為100.0m，屬于近地表層的地質(zhì)勘探。本文此次研究以礦山深部地質(zhì)結(jié)構(gòu)作為切入點(diǎn)（>100.0m的地質(zhì)層），因此，在勘探前，選擇縱橫波聯(lián)合勘探技術(shù)作為支撐，通過(guò)新技術(shù)的應(yīng)用，獲取更加豐富的地質(zhì)數(shù)據(jù)。對(duì)于勘探過(guò)程中產(chǎn)生的縱波，可以認(rèn)為是一種疊加能量，是通過(guò)前端信息不斷反饋而形成的。對(duì)于勘探過(guò)程中產(chǎn)生的橫波，可以認(rèn)為是一種SH波，屬于對(duì)價(jià)值信號(hào)的反復(fù)處理。使用縱橫波聯(lián)合勘探技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)在地質(zhì)勘探作業(yè)中，對(duì)橫波與縱波的同步獲取。

為了滿足礦山地質(zhì)工程對(duì)于獲取數(shù)據(jù)的需求，應(yīng)在相關(guān)工作前，進(jìn)行勘探技術(shù)參數(shù)的設(shè)計(jì)。在此過(guò)程中，考慮到縱波與橫波的區(qū)別在于波形的偏振特性存在差異，因此，需要在應(yīng)用技術(shù)時(shí)，控制質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向，使其振動(dòng)方向與橫波的傳播方向保持一致[3]。在確定橫波方向后，調(diào)整縱波的傳播方向與其保持垂直，只有滿足此種條件得到的波，才能滿足后期技術(shù)人員對(duì)地質(zhì)結(jié)構(gòu)與地層信息的深度分析需要。定義橫波與縱波在深部結(jié)構(gòu)中的傳播速度為pV與sV，對(duì)縱橫波聯(lián)合勘探技術(shù)中速度參數(shù)的描述，可用如下計(jì)算公式表示。

公式（1）、（2）中：λ表示為拉梅系數(shù)，主要用于描述地質(zhì)結(jié)構(gòu)的彈性模量，通常情況下表示為常數(shù)；μ表示為礦山剪切模量；ρ表示為礦山深部地質(zhì)層介質(zhì)密度。根據(jù)早期地質(zhì)勘查成果總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)可知，縱橫波聯(lián)合勘探技術(shù)獲取的橫波大多為高頻波，整體衰減速度較為緩慢。因此，上述計(jì)算公式λ中的可以用v÷f計(jì)算得出，其中f表示為波的分辨率。綜合上述分析可知，在排除外界因素對(duì)地質(zhì)勘探工作影響的前提下，聯(lián)合勘探技術(shù)獲取的橫波波長(zhǎng)相對(duì)更短，其分辨率相對(duì)更高。為此，在進(jìn)行縱橫波聯(lián)合勘探技術(shù)參數(shù)的設(shè)計(jì)時(shí)，可以此作為設(shè)計(jì)的切入點(diǎn)，通過(guò)野外實(shí)地采樣分析的方式，定位最佳勘探點(diǎn)[4]。并在此基礎(chǔ)上，控制技術(shù)的掃描頻段在10.0Hz～100.0Hz范圍內(nèi)；縱波獲取的次數(shù)應(yīng)大于或等于4.0次，將得到結(jié)果進(jìn)行疊加、求均值處理；調(diào)整縱波的反射區(qū)域間距在4.0m范圍內(nèi)，信號(hào)接收信道至少為300.0條；縱波的反射區(qū)域間距在2.0m范圍內(nèi)，信號(hào)接收信道至少為48.0條。此外，在進(jìn)行勘探前，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行勘探設(shè)備精度的校正。

2 繪制礦山深部地質(zhì)勘探頻譜曲線

在完成勘探技術(shù)參數(shù)的設(shè)定與校正后，實(shí)施礦山地質(zhì)深部地質(zhì)勘探作業(yè)。為了確保獲取的地質(zhì)資料為高質(zhì)量資料，需要在礦山工程作業(yè)時(shí)，進(jìn)行最高信噪比的獲取。并通過(guò)測(cè)試參數(shù)的方式，選擇合理的信號(hào)疊加切入點(diǎn)，確保繪制的地質(zhì)勘探頻譜曲線具有較高的分辨率與疊加效果。

在繪制礦山深部地質(zhì)勘探頻譜曲線時(shí)，需要將前端反饋的橫波信號(hào)與縱波信號(hào)進(jìn)行能量分析，提取其中的有效能量，并按照信號(hào)的常規(guī)處理方式，進(jìn)行信號(hào)后端截取處理。處理過(guò)程為：信號(hào)頻譜值分析→頻率濾波處理→信號(hào)接收速度處理→疊加縱波信號(hào)→集成橫波信號(hào)→人工校正。以此種方式，得到一個(gè)初步用于描述礦山深部地質(zhì)勘探結(jié)果的頻譜波形圖。如下圖1所示。

圖1 礦山深部地質(zhì)勘探頻譜曲線

按照上述流程，完成對(duì)礦山深部地質(zhì)勘探頻譜曲線的繪制后，通過(guò)圖1當(dāng)中顯示的不同波段的分辨率對(duì)其能量占比進(jìn)行可視化展示，從而為后續(xù)礦山深部地質(zhì)層特征分析提供條件。

3 基于曲線圖像去噪分析礦山深部地質(zhì)層特征

由于受到礦山周圍復(fù)雜地理?xiàng)l件的影響，得到的礦山深部地質(zhì)勘探頻譜曲線圖當(dāng)中存在大量干擾噪聲干擾，對(duì)于后續(xù)分析造成一定的誤差干擾。因此，為了確保最終勘探結(jié)果的準(zhǔn)確性，采用疊加去噪的方式將噪聲去除。在上述得到的頻譜圖像進(jìn)行歸一化處理，并對(duì)相干波加強(qiáng)，對(duì)非相干波減弱，以此不斷增加相似性好的波組，并減弱相似性差的波組[5]。通過(guò)構(gòu)建矩陣的方式對(duì)圖像當(dāng)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行初始賦值，并開始進(jìn)行迭代。根據(jù)矩陣當(dāng)中的自適應(yīng)數(shù)值，生成垂直方向和豎直方向上的加權(quán)參數(shù)，最后通過(guò)不斷迭代處理得到連續(xù)性更強(qiáng)的反射界面，從而提高頻譜圖像的信噪比。同時(shí)，當(dāng)?shù)螖?shù)不滿足去噪要求時(shí)，需要重新返回到相應(yīng)的操作步驟當(dāng)中，并結(jié)合梯度投影對(duì)矩陣進(jìn)行更新，直到完成所有迭代處理，才能得到最終的頻譜曲線圖像，其具體流程如圖2所示。

圖2 頻譜曲線圖像去噪流程

按照?qǐng)D2所示的去噪流程完成對(duì)頻譜曲線圖像的處理，并根據(jù)圖像對(duì)礦山深部地質(zhì)層的具體特征進(jìn)行分析。在去噪后的頻譜曲線圖像當(dāng)中可以明顯看到扭曲或錯(cuò)斷等現(xiàn)象，根據(jù)其分布的方向，能夠確定該礦山深部構(gòu)造當(dāng)中的地質(zhì)層特征，并對(duì)其斷層性質(zhì)進(jìn)行明確。同時(shí)，通過(guò)圖像可進(jìn)一步對(duì)斷點(diǎn)兩側(cè)反射界面的落差進(jìn)行測(cè)定。為了進(jìn)一步查明在礦山深部斷點(diǎn)上斷點(diǎn)埋深以及錯(cuò)斷地層的具體情況，可利用縱波反射方法，在地震時(shí)間剖面結(jié)構(gòu)上，布設(shè)長(zhǎng)度在200m～350m范圍內(nèi)的橫波反射工作。通過(guò)地震數(shù)據(jù)的處理，獲取到地震時(shí)間剖面上的全部信息，并判斷各個(gè)方向上反射波組的發(fā)育程度，以及頻率，從而判斷反射波組同相軸連續(xù)性產(chǎn)生的具體位置，找出礦山深部地質(zhì)結(jié)構(gòu)當(dāng)中存在的不協(xié)調(diào)現(xiàn)象，并推測(cè)產(chǎn)生不協(xié)調(diào)現(xiàn)象的誘發(fā)原因。同時(shí)，通過(guò)對(duì)橫縱波分析能夠?qū)ΦV山深部基巖和覆蓋層的錯(cuò)斷情況查明，并判斷斷層平面的具體位置。綜合上述分析，從經(jīng)過(guò)去噪處理的頻譜曲線圖像當(dāng)中能夠獲取到礦山深部地質(zhì)斷層特征、平面位置以及空間展布等勘探信息，為后續(xù)礦山建設(shè)和找礦提供更加可靠的勘探結(jié)果。

4 結(jié)語(yǔ)

本文將礦山深部地質(zhì)勘探作為研究對(duì)象，通過(guò)引入縱橫波聯(lián)合勘探技術(shù)，對(duì)礦山深部地質(zhì)結(jié)構(gòu)及具體變化特征進(jìn)行分析。通過(guò)實(shí)踐研究得出，利用該方法，結(jié)合橫波反射與縱波反射各自的優(yōu)勢(shì)，能夠更加有效地查明礦山深部斷層的平面位置，并且得到更加有效、可靠的勘探結(jié)果，并為后續(xù)城鎮(zhèn)規(guī)劃、重大礦山工程項(xiàng)目施工提供更加科學(xué)的勘探依據(jù)。