鐘 立

（廣東省地質(zhì)局第八地質(zhì)大隊(duì)，廣東 梅州 514000）

在城市化加快發(fā)展的進(jìn)程中，基于城市建設(shè)促使城市地質(zhì)成為一門(mén)新興學(xué)科，其主要對(duì)人類(lèi)生存發(fā)展的環(huán)境進(jìn)行研究。包括對(duì)城市地質(zhì)結(jié)構(gòu)、物質(zhì)組成以及地質(zhì)過(guò)程、生產(chǎn)實(shí)踐影響等。通過(guò)開(kāi)展城市地質(zhì)調(diào)查工作，有利于明確城市地質(zhì)條件、地質(zhì)問(wèn)題和地質(zhì)資源，從而促使城市地質(zhì)資源得到有效利用，盡可能地規(guī)避城市建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)，更好地開(kāi)發(fā)和利用資源，推動(dòng)城市總體規(guī)劃趨向和諧、可行、有效。

1 城市地質(zhì)情況

1.1 地理信息

在當(dāng)前的城市化進(jìn)程高速前進(jìn)的背景下，城市環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題逐漸突出，比如部分地區(qū)城市遭受滑坡、泥石流、崩塌、巖溶塌陷等不利影響，從而就會(huì)導(dǎo)致地面沉降、土壤與地下水受到嚴(yán)重污染、地震頻發(fā)等。尤其是在城市建設(shè)活動(dòng)開(kāi)展過(guò)程中，地質(zhì)災(zāi)害問(wèn)題則越頻繁。以廣東省梅州市為例，其位于閩、粵、贛三省交界處，總體地質(zhì)北高南低，存在有平原、階地、臺(tái)地、丘陵以及山地五大類(lèi)。而且當(dāng)?shù)厮Y源較為豐富，境內(nèi)多年平均降雨總量251.6×108m3，多年平均徑流量128.7×108m3，過(guò)境客水量127×108m3。因此當(dāng)?shù)匾栽馐芰魉懈?、搬運(yùn)以及綜合外力風(fēng)化、剝蝕地質(zhì)作用為主。

1.2 地層信息

梅州市出露地層主要有新元古界震旦系、古生界寒武系、泥盆系、石炭系、二疊系、侏羅系、白堊系、第四系等。地層分布呈現(xiàn)西北老、東南新的特征，其中前泥盆紀(jì)地層在不同程度上具有易變質(zhì)、節(jié)理裂隙發(fā)育、易碎、雨水浸泡變軟、膨脹的特點(diǎn)。通常表土覆蓋層有3～8m 的碎石土，很容易發(fā)生崩塌以及滑坡等地質(zhì)災(zāi)害。同時(shí)石炭、二疊系巖石的完整性相對(duì)較好，表土層較薄，含有大量的石灰石以及煤炭等資源。另外在該市存在有40%面積的巖漿巖，主要分布在東南部地區(qū)，呈現(xiàn)巖基、巖株和巖脈產(chǎn)生、巖性多以酸性花崗巖、花崗斑巖為主，其特點(diǎn)為色淺、密度相對(duì)較小。通常表土風(fēng)化層厚為10～20m，部分可達(dá)到50m，土層圖紙較為疏松，很容易誘發(fā)滑坡、崩塌等嚴(yán)重地質(zhì)災(zāi)害。

1.3 地質(zhì)構(gòu)造

本區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造在總體上從東南到西北逐漸復(fù)雜，而且呈現(xiàn)多期疊加和符合的特征。構(gòu)造形態(tài)以北東向?yàn)橹?，然后是北西向、南北向和東西向。并且次一級(jí)構(gòu)造較多，在整體層面上呈現(xiàn)西北部比東南部發(fā)育。因此構(gòu)造運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致當(dāng)?shù)爻鞘械刭|(zhì)巖層的原始賦存狀態(tài)發(fā)生改變，并且斷裂構(gòu)造對(duì)巖層的完整性產(chǎn)生了嚴(yán)重的破壞，致使其穩(wěn)定性受到影響，其是形成地質(zhì)災(zāi)害、阻礙城市地下空間有效利用的重要因素。

該地區(qū)的地下水的類(lèi)型主要分為松散巖類(lèi)孔隙水、碳酸鹽類(lèi)裂隙溶洞水、基巖裂隙水等。其中松散巖類(lèi)孔隙水分布在沖洪積河谷平原以及山間盆地，含水巖性以砂、卵石為主，厚度為10～30m。碳酸鹽類(lèi)裂隙溶洞水多隱伏在地表下，水質(zhì)相對(duì)較好，一般泉流量在1.172～115.50L/s?；鶐r裂隙水又分為紅層裂隙水、層狀巖類(lèi)裂隙水和塊狀巖類(lèi)裂隙水等，分布在各類(lèi)非松散巖類(lèi)中。同時(shí)因?yàn)楫?dāng)?shù)氐V產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)活動(dòng)較為頻繁，地質(zhì)條件變化較快，對(duì)城市地質(zhì)產(chǎn)生了很大的影響，比如水土流水、崩塌、滑坡以及地裂縫等次生地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生狀況較多，并且受礦山廢棄物以及廢水排放的感染，很容易出現(xiàn)地下水和地表水污染等問(wèn)題，對(duì)生態(tài)環(huán)境會(huì)產(chǎn)生較大的破壞。

2 常規(guī)物探方法在城市地質(zhì)工作中的局限性

基于城市建設(shè)規(guī)劃活動(dòng)的不斷開(kāi)展，對(duì)城市地質(zhì)調(diào)查的重要性越來(lái)越凸顯。有利于探明城市地質(zhì)資源，對(duì)于城市建設(shè)具有重要意義。比如對(duì)地下水、地?zé)?、淺層低溫能、天然建筑材料以及渣土等資源的探查。而當(dāng)前比較常用的物探方法有電法勘探、地震波勘探、重力勘探和磁法勘探等，由于城市勘查環(huán)境比較特殊，在采用常規(guī)物探方法時(shí)，存在諸多限制條件，難以發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。比如電法勘探主要是利用相應(yīng)的儀器對(duì)人工或天然電場(chǎng)、交變電磁場(chǎng)進(jìn)行觀測(cè)，以便于分析和解釋磁場(chǎng)特點(diǎn)以及規(guī)律，進(jìn)而達(dá)到勘探目的[1]。但在城市地質(zhì)工作中，因?yàn)橹苓叚h(huán)境存在著大量的地電干擾、雜散電流干擾等，對(duì)電法勘探的效果會(huì)產(chǎn)生較大的影響，難以滿(mǎn)足城市地質(zhì)勘探的要求。

應(yīng)用常規(guī)地震波勘探時(shí)，一般包括地震發(fā)射波、地震折射波以及瞬態(tài)面波等方法。對(duì)于城市地下50～100m 的勘探深度來(lái)說(shuō)，其往往需要借助大能量震源，比如可控連續(xù)震源、機(jī)械沖擊震源等。在實(shí)際操作中這一類(lèi)震源的造價(jià)相對(duì)較高，而且體積巨大、笨重，需要依靠專(zhuān)門(mén)的運(yùn)載設(shè)備，并對(duì)交通條件要求較高[2]。同時(shí)在震源工作時(shí)，也會(huì)對(duì)沖擊點(diǎn)的地面產(chǎn)生損傷，可能會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的城市環(huán)境污染等現(xiàn)象。

重力勘探和磁法勘探在城市環(huán)境下的開(kāi)展，則會(huì)受到車(chē)流、人流以及復(fù)雜交通的影響，難以發(fā)揮實(shí)際勘探優(yōu)勢(shì)雖然能夠比較準(zhǔn)確地獲得地下巖性、深度等信息，但在勘探中會(huì)產(chǎn)生較大的噪聲，無(wú)法廣泛開(kāi)展在城市地質(zhì)工作，因此應(yīng)用常規(guī)物探方法具有較大的缺陷和局限性，在此情況下，為充分保障地質(zhì)調(diào)查的準(zhǔn)確性和高效性，當(dāng)前多采用微動(dòng)勘探技術(shù)。

3 微動(dòng)勘探技術(shù)在城市地質(zhì)工作中的應(yīng)用

3.1 微動(dòng)勘探技術(shù)工作原理

微動(dòng)是一種沒(méi)有特定震源的微弱振動(dòng)，在地表的任何時(shí)間和地點(diǎn)，都能夠保持一定的振幅。在應(yīng)用中對(duì)于微動(dòng)震源的劃分，通常包含有人類(lèi)活動(dòng)以及自然場(chǎng)。其中人類(lèi)活動(dòng)是指利用機(jī)械振動(dòng)、道路交通等，該震源會(huì)產(chǎn)生頻率大于1Hz 的高頻信號(hào)源，被稱(chēng)為常時(shí)微動(dòng)。而自然場(chǎng)主要是依靠海浪對(duì)海岸的撞擊、河水流動(dòng)、風(fēng)、雨、氣壓變化等，其產(chǎn)生低于1Hz的低頻信號(hào)源，被稱(chēng)為長(zhǎng)波微動(dòng)。當(dāng)震源與臺(tái)陣的距離相對(duì)較近時(shí)，微動(dòng)波場(chǎng)包括體波和面波，當(dāng)距離相對(duì)較遠(yuǎn)時(shí)，微動(dòng)波場(chǎng)則為面波信息。在實(shí)際工作中，主要是借助占信號(hào)能量70%的面波，利用其中含有的瑞雷波進(jìn)行勘探。瑞雷波是一般會(huì)沿著地層界面進(jìn)行傳播，并且質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)軌跡多為逆時(shí)針橢圓形[3]?；拘再|(zhì)如下：

（1）瑞雷波在不均勻的介質(zhì)中出現(xiàn)傳播，會(huì)產(chǎn)生一定的頻散現(xiàn)象，當(dāng)體波傳播在不均勻介質(zhì)中時(shí)，則是以極化群的形式出現(xiàn)，不會(huì)發(fā)生頻散現(xiàn)象。這一特性是對(duì)瑞雷波信號(hào)進(jìn)行提取的基礎(chǔ)條件。

（2）城市地層的瑞雷波的相速度與橫波速度較為接近，可通過(guò)計(jì)算相速度來(lái)反演估算橫波速度。

（3）瑞雷波的振幅會(huì)隨著深度的變化而呈現(xiàn)指數(shù)級(jí)衰減，對(duì)深度的影響約是一個(gè)波長(zhǎng)左右，主要能量集中在半個(gè)波長(zhǎng)范圍。所以某個(gè)波長(zhǎng)相速度基本等同于半個(gè)波長(zhǎng)內(nèi)各個(gè)地層的橫波相速度加權(quán)平均值[4]。

3.2 微動(dòng)勘探技術(shù)應(yīng)用方法及步驟

在城市地質(zhì)工作中對(duì)微動(dòng)勘探技術(shù)的應(yīng)用主要分為三個(gè)步驟，則是數(shù)據(jù)采集、頻散曲線(xiàn)提取、頻散曲線(xiàn)反演等。在對(duì)城市地質(zhì)進(jìn)行勘探時(shí)，由于面波具有散頻特性，因此其微動(dòng)信號(hào)具有振幅、頻率隨時(shí)間和空間變化的特點(diǎn)。不過(guò)在一定時(shí)空范圍內(nèi)，需要滿(mǎn)足統(tǒng)計(jì)穩(wěn)定性的要求，則在實(shí)踐中可利用平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程進(jìn)行描述。同時(shí)相比于傳統(tǒng)的地震勘探和射線(xiàn)理論，因?yàn)閷?duì)地震波傳播速度的不同、微動(dòng)震源存在不確定性，可通過(guò)微動(dòng)信號(hào)中面波的相速度來(lái)對(duì)圓形觀測(cè)系統(tǒng)陣列中臺(tái)站間的空間自相關(guān)系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，無(wú)需考慮微動(dòng)震源的位置以及與觀測(cè)臺(tái)站的距離。其被稱(chēng)為空間自相關(guān)法[5]。其具體實(shí)施步驟有以下幾點(diǎn)：

（1）數(shù)據(jù)采集?；诳臻g自相關(guān)法的應(yīng)用，可從微動(dòng)信號(hào)的垂直分量中提取相應(yīng)的面波頻散曲線(xiàn)，并觀察系統(tǒng)臺(tái)站沿著圓周的布置情況，應(yīng)當(dāng)確保在圓周上等間隔布置至少3個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，并在圓心布置一個(gè)臺(tái)站，以便于組成圓形觀測(cè)系統(tǒng)。此時(shí)圓形陣列的半徑被稱(chēng)為觀測(cè)半徑，對(duì)微動(dòng)探測(cè)深度具有決定性作用。一般情況下是保證探測(cè)深度在觀測(cè)半徑的3～5 倍，中心點(diǎn)的點(diǎn)距在2m左右。

（2）提取頻散曲線(xiàn)。在城市地質(zhì)工作中，利用空間自相關(guān)法對(duì)頻散曲線(xiàn)進(jìn)行提取的主要步驟是根據(jù)實(shí)測(cè)記錄，將其分為多個(gè)數(shù)據(jù)段，再將干擾較大的數(shù)據(jù)段進(jìn)行剔除，然后有效提取有待分析的頻率成分。其后是對(duì)各個(gè)頻率分別計(jì)算中心接收點(diǎn)與不同圓周上各點(diǎn)的空間自相關(guān)系數(shù)，同時(shí)進(jìn)行方向平均。最后對(duì)不同觀測(cè)半徑的空間自相關(guān)系數(shù)進(jìn)行擬合，以得到相應(yīng)的頻散曲線(xiàn)。

（3）反演頻散曲線(xiàn)。這一過(guò)程與主動(dòng)源面波大致相同，即是從微動(dòng)面波中提取頻散曲線(xiàn)，可對(duì)其進(jìn)行反演，有利于準(zhǔn)確獲得橫波速度結(jié)構(gòu)。隨著城市的不斷發(fā)展，其地下構(gòu)筑物越來(lái)越復(fù)雜，對(duì)地層結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的影響，因此通過(guò)頻散曲線(xiàn)反演能夠推斷出地層范圍，對(duì)城市建設(shè)起到指導(dǎo)作用。

3.3 微動(dòng)勘探技術(shù)應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

在城市地質(zhì)工作中應(yīng)用微動(dòng)勘探技術(shù)最為明顯的優(yōu)勢(shì)，則是能夠體現(xiàn)有效性和便捷性。這是由于微動(dòng)勘探是利用自然界以及人類(lèi)活動(dòng)所產(chǎn)生的振動(dòng)，從中能夠獲取面波的頻散特性，從而更有效地推動(dòng)地下速度結(jié)構(gòu)。因此其是利用環(huán)境噪聲來(lái)減少人工震源所帶來(lái)的不便性，由此微動(dòng)勘探技術(shù)在城市復(fù)雜環(huán)境中仍能對(duì)地質(zhì)條件進(jìn)行有效勘探，不僅不會(huì)受到市區(qū)交通的影響，而且還能夠提供比較豐富的高頻信號(hào)源。同時(shí)微動(dòng)勘探無(wú)需人工操作來(lái)激發(fā)震源，對(duì)周?chē)h(huán)境不會(huì)產(chǎn)生任何的影響，只需在測(cè)試階段，通過(guò)時(shí)間較短的交通管控則能夠最大限度地避免環(huán)境污染。同時(shí)，根據(jù)面波頻散曲線(xiàn)來(lái)推斷地層橫波速度結(jié)構(gòu)，其具有速度小、分辨率較高的特點(diǎn)。而且在城市地質(zhì)工作中應(yīng)用微動(dòng)勘探技術(shù)可適當(dāng)與少量鉆孔相結(jié)合，以此更為準(zhǔn)確地獲得城市地下構(gòu)造的二維剖面。另外一方面，在應(yīng)用微動(dòng)勘探技術(shù)時(shí)，面波對(duì)地層橫向的速度變化較為敏感，對(duì)地下孤石的勘探具有一定優(yōu)勢(shì)。此外微動(dòng)勘探技術(shù)與人工震源相比較而言，微動(dòng)技術(shù)的主要成分是低頻振動(dòng)。通過(guò)利用具有較好低頻特性的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，則能夠有效地加大勘探深度，可延伸到地下3000m。

除此之外，微動(dòng)勘探技術(shù)還能夠?qū)崿F(xiàn)智能性，即是按照天然源微動(dòng)勘探的特點(diǎn)，研發(fā)相關(guān)軟件和硬件，對(duì)其編程調(diào)試進(jìn)行優(yōu)化，可實(shí)施智能微動(dòng)勘探技術(shù)，可在采集過(guò)程中直接得到面波頻散曲線(xiàn)。在城市地質(zhì)調(diào)查中，能夠改善微動(dòng)波形記錄的現(xiàn)狀，在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中改善了人工控制的弊端，通過(guò)在線(xiàn)實(shí)時(shí)顯示勘探的面波頻散曲線(xiàn)，從而確保城市地質(zhì)數(shù)據(jù)采集具有實(shí)效性，進(jìn)一步提高勘探效率，有利于節(jié)省城市勘探作業(yè)空間，適宜活動(dòng)的有序開(kāi)展。

4 微動(dòng)勘探技術(shù)在城市地質(zhì)綜合應(yīng)用中的效果

根據(jù)梅州市畬江鎮(zhèn)某鉆孔地層揭露，其地層分布主要為砂礫石、粘土雙層土體、層狀較軟變質(zhì)巖組、紅層巖組、較硬碎屑巖組等，抗風(fēng)化能力較差，其風(fēng)化所形成的地表土層厚度最大可達(dá)到50m 以上，含砂量較大。在本區(qū)城市地質(zhì)勘探中，根據(jù)勘探區(qū)內(nèi)存在高壓線(xiàn)以及交通道路等環(huán)境現(xiàn)狀，決定采用微動(dòng)勘探技術(shù)，共布置3個(gè)測(cè)點(diǎn)，采用10個(gè)1Hz拾震計(jì)，按照最小邊長(zhǎng)為16m 布置是三個(gè)嵌套式等邊三角形，采樣間隔為10m，采集時(shí)長(zhǎng)20min。同時(shí)為保障信噪比得到提高，確保信號(hào)質(zhì)量，采用挖坑埋置拾震計(jì)的方式進(jìn)行勘探。通過(guò)比對(duì)微動(dòng)勘探結(jié)構(gòu)以及鉆孔資料，發(fā)現(xiàn)頻散曲線(xiàn)上的拐點(diǎn)較為明確，分層清除，在66.5～83.6m 之間出現(xiàn)低速層，與鉆孔資料所標(biāo)注的構(gòu)造破碎帶相一致。該測(cè)點(diǎn)的深度為450m，是三角形臺(tái)陣的最大邊長(zhǎng)的7倍。對(duì)于200m較淺地層進(jìn)行地質(zhì)調(diào)查，則是采用最小邊長(zhǎng)為8m 的臺(tái)陣，有效地降低了場(chǎng)地要求，并節(jié)省了布點(diǎn)時(shí)間，有效提高工作效率。

通過(guò)上述應(yīng)用操作，其取得效果如下：

（1）利用微動(dòng)勘探技術(shù)進(jìn)行城市地質(zhì)工作，重新建立本區(qū)內(nèi)的巖石地層層序，并厘定了斷裂構(gòu)造體系以及判定活動(dòng)性斷裂構(gòu)造。根據(jù)歷史地震的記載，對(duì)可能發(fā)生地震的“潛在震源區(qū)”進(jìn)行合理圈定，有利于評(píng)價(jià)地殼的穩(wěn)定性。

（2）建立先進(jìn)的實(shí)時(shí)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，并開(kāi)展地面沉降機(jī)理研究，有效地完善了城市地質(zhì)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)數(shù)學(xué)模型，保證同步模擬和預(yù)測(cè)，更有效地尋找地面沉降防治方法。

（3）查明城市地下水的分布情況，為三維地下水流和一維固耦合數(shù)值模型奠定基礎(chǔ)，保證水流場(chǎng)與地面沉降可得到同步模擬和預(yù)測(cè)，對(duì)城市地下水的可開(kāi)采量進(jìn)行準(zhǔn)確估算，為城市建設(shè)提供合理依據(jù)。

（4）對(duì)城市各類(lèi)地基持力層以及脆弱土層等進(jìn)行空間分布調(diào)查和力學(xué)特性分析，并結(jié)合相關(guān)工程的實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)城市建筑物的適宜性和穩(wěn)定性進(jìn)行良好評(píng)價(jià)。

（5）根據(jù)微動(dòng)勘探技術(shù)的實(shí)施結(jié)果，有效掌握各類(lèi)地層的構(gòu)造和發(fā)展規(guī)律，為城市生態(tài)環(huán)境治理提供參考和依據(jù)。并能夠?qū)崿F(xiàn)城市建設(shè)工程預(yù)警預(yù)報(bào)，提高實(shí)用性?xún)r(jià)值。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，微動(dòng)勘探技術(shù)在當(dāng)前城市地質(zhì)工作中，其是一種不可獲取的新型勘探方法，對(duì)城市地質(zhì)調(diào)查以及城市建設(shè)規(guī)劃具有積極作用。同時(shí)結(jié)合地理信息以及遙感技術(shù)等，對(duì)城市地質(zhì)和礦產(chǎn)資源進(jìn)行歸納劃分，利用微動(dòng)勘探的數(shù)據(jù)采集、頻散曲線(xiàn)以及反演等，構(gòu)建完善的城市地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)，保障其綜合應(yīng)用具有實(shí)效性，以此為城市發(fā)展和礦產(chǎn)資源總體規(guī)劃建設(shè)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，提高城市地質(zhì)工作水平。