微動(dòng)勘探是利用自然界中各種微弱振動(dòng)作為振源，從中提取面波頻散信息，通過(guò)面波頻散曲線反演橫波速度的一種地球物理探測(cè)方法。該技術(shù)較鉆探具有無(wú)損、高效及高精度的特點(diǎn)。近年來(lái)，專家學(xué)者對(duì)微動(dòng)勘探技術(shù)在地層劃分、地下結(jié)構(gòu)探查、堤壩隱患探查、巖溶空洞病害探測(cè)和不良地質(zhì)作用探測(cè)等眾多領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了大量研究。謝朋等利用微動(dòng)探測(cè)方法進(jìn)行江漢平原地層結(jié)構(gòu)分層，結(jié)果表明微動(dòng)探測(cè)方法能較好分辨地層結(jié)構(gòu)，對(duì)巖土性質(zhì)差異較大的地層探測(cè)效果良好。董忠級(jí)等采用微動(dòng)勘探技術(shù)對(duì)尾礦的沉積韻律進(jìn)行分層研究，結(jié)果表明微動(dòng)勘探在尾礦堆積層的劃分、判釋尾礦沉積規(guī)律與壩底原始地層的工程性能等方面均有較好的適用性。

　　侯智超等利用微動(dòng)技術(shù)線性臺(tái)陣在軌道交通勘察中進(jìn)行地質(zhì)分層，與鉆孔資料對(duì)比分層成果可靠，提高了工程地質(zhì)勘察精度和效率。陳基煒等基于線形臺(tái)陣的高精度微動(dòng)技術(shù)為城市復(fù)雜地面環(huán)境下開展巖性地層的精細(xì)劃分提供了一種新的臺(tái)陣布設(shè)方案。微動(dòng)勘探技術(shù)在黃土地區(qū)的應(yīng)用研究大多針對(duì)黃土覆蓋厚度的探查，如吳志堅(jiān)等在黃土地區(qū)采用地脈動(dòng)法通過(guò)反演地下黃土層的剪切波速度，探查蘭州市城郊古城坪地區(qū)覆蓋黃土層厚度;劉建軍等采用長(zhǎng)周期地脈動(dòng)查明西安地區(qū)黃土覆蓋厚度大約為 150m;孫常青等采用高密度電法、微動(dòng)勘探以及鉆探等綜合方法查明西安高新區(qū)云軌示范工程一期工程沿線隱伏地裂縫，為云軌橋梁通過(guò)地裂縫的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及施工提供依據(jù)。現(xiàn)有資料表明，微動(dòng)勘探技術(shù)在黃土地區(qū)工程勘察中雖有應(yīng)用但進(jìn)展緩慢，采用微動(dòng)勘探技術(shù)對(duì)黃土分層研究鮮有報(bào)道。本文采用微動(dòng)勘探技術(shù)對(duì)黃土分層原則、分層方法以及分層精度評(píng)價(jià)等進(jìn)行研究，以探討微動(dòng)勘探技術(shù)對(duì)黃土地層劃分的適宜性和準(zhǔn)確性。

　　1 黃土分層的地球物理?xiàng)l件

　　黃土在形成的過(guò)程中由于氣候環(huán)境的變化，在干旱時(shí)期沉積形成典型的風(fēng)積黃土，而在濕潤(rùn)的氣候環(huán)境下，黃土成壤作用明顯，形成殘積的古土壤。因此黃土與古土壤之間具有明顯的成層性，也形成了黃土與古土壤之間明顯的物性差異，主要表現(xiàn)在顏色、顆粒組成、重度及孔隙率等。黃土層一般為黃色 - 褐黃色，以粉粒為主，具有大孔隙、垂直節(jié)理裂隙發(fā)育，而古土壤層一般為黃褐色 - 褐色，以黏粒為主，具有較小的孔隙率、塊狀結(jié)構(gòu)發(fā)育，因而造成同時(shí)代沉積古土壤的重度明顯大于黃土的重度;另外由于古土壤的淋濾作用，在古土壤層中會(huì)形成鈣質(zhì)結(jié)核富集，甚至?xí)纬赦}板，致使古土壤和黃土的分層界限和物性差異變得愈加明顯。

　　因此黃土與古土壤具有明顯的分層界線。不同年代的黃土之間也存在明顯的強(qiáng)度差異和地層界線。全新世(Q_4)黃土土質(zhì)疏松不均，具高壓縮性，其下部為成壤作用較弱的黑壚土，作為(Q_4)黃土的下界;晚更新世(Q_3)黃土具大孔結(jié)構(gòu)，垂直節(jié)理裂隙發(fā)育，具中壓縮性，其下界為(Q_3^1)的古土壤層;中更新世(Q_2)黃土孔隙較小，具中 - 低壓縮性，由于氣候頻繁變化，形成了黃土 - 古土壤多層交替;早更新世(Q_1)黃土堅(jiān)硬致密，具塊狀結(jié)構(gòu)，低壓縮性，含有大量鈣質(zhì)結(jié)核和砂卵石，在黃土中伴隨有砂卵石透鏡體。由于黃土與古土壤呈交替層狀結(jié)構(gòu)沉積以及物理力學(xué)性質(zhì)不同，面波在不同地層中傳播的速度特征理應(yīng)具有差異。因此，采用微動(dòng)勘探技術(shù)進(jìn)行黃土分層具有良好的地球物理?xiàng)l件。

　　2 黃土分層研究

　　2.1 微動(dòng)數(shù)據(jù)采集與處理

　　微動(dòng)勘探是通過(guò)接收臺(tái)陣采集微動(dòng)信息，利用其中的有用面波成分提取頻散曲線對(duì)黃土進(jìn)行分層。通過(guò)在黃土場(chǎng)地布置不同臺(tái)陣的檢波器來(lái)接收自然界中的微動(dòng)信號(hào)，基于微動(dòng)信號(hào)的空間自相關(guān)性(SPAC)進(jìn)行分析，提取并繪制測(cè)點(diǎn)的相速度頻散曲線，并轉(zhuǎn)換為速度深度域頻散曲線，根據(jù)面波頻散曲線的特征劃分地層界限線，反演計(jì)算各層土的平均剪切波速度。臺(tái)陣形式的選擇對(duì)黃土的分層有一定的影響，常見的臺(tái)陣有三角形臺(tái)陣、十字形臺(tái)陣和一字形臺(tái)陣，也可根據(jù)場(chǎng)地實(shí)際條件布置成多邊形甚至不規(guī)則臺(tái)陣，但對(duì)于黃土分層來(lái)說(shuō)選擇二維臺(tái)陣為最佳，這是由于二維臺(tái)陣較一維臺(tái)陣而言，能利用不同方向傳播的面波綜合計(jì)算臺(tái)陣區(qū)土體波速，測(cè)得的波速值較為準(zhǔn)確。

　　通過(guò)臺(tái)陣采集到的天然場(chǎng)源微動(dòng)記錄，將實(shí)測(cè)記錄分成若干個(gè)數(shù)據(jù)段，通過(guò)對(duì)各數(shù)據(jù)段的不同中心頻率進(jìn)行窄帶濾波處理，分別提取各個(gè)頻段濾波后的頻率，獲取頻率速度能量譜。按特定公式對(duì)各個(gè)頻段頻率分別計(jì)算中心測(cè)點(diǎn)與圓周上各點(diǎn)之間的空間自相關(guān)系數(shù)，采用不同觀測(cè)半徑下各頻率空間自相關(guān)系數(shù)的分布趨勢(shì)和第 Ⅰ 類 0 階貝塞爾函數(shù)擬合計(jì)算相速度，繪制相速度的頻散曲線和速度深度域頻散曲線。空間自相關(guān)系數(shù)與第一類 0 階貝塞爾函數(shù)關(guān)系按特定公式進(jìn)行計(jì)算。

　　2.2 分層原則與方法

　　由于黃土與古土壤物理力學(xué)性質(zhì)不同，面波在不同地層中傳播速度亦不相同，因此，不同地層的面波頻散特性存在顯著差異，導(dǎo)致速度深度域頻散曲線呈現(xiàn)出頻散點(diǎn)有疏密變化、頻散曲線有斜率變化以及在不同斜率連線間有拐點(diǎn)存在，而這些特征位置正是對(duì)應(yīng)于地層分界面的位置。當(dāng)?shù)貙有再|(zhì)發(fā)生明顯變化時(shí)，面波頻散曲線出現(xiàn)明顯折拐點(diǎn)，如在黃土與基巖界面位置處，頻散曲線會(huì)表現(xiàn)出此特征，而地層性質(zhì)變化較小時(shí)，如在(Q_3)中黃土和古土壤界面位置處頻散曲線會(huì)表現(xiàn)出頻散點(diǎn)連線斜率的變化，在地層性質(zhì)較為接近的工程地質(zhì)亞層，如在(Q_3^2)黃土中濕陷性發(fā)生明顯變化或(Q_2)黃土上部地層黃土與古土壤的界面位置處頻散曲線會(huì)表現(xiàn)出頻散點(diǎn)疏密的變化。上述是頻散曲線與黃土地層的一般關(guān)系，具體工作中如何利用頻散曲線特征提高劃分黃土地層的分辨能力，尤其是對(duì)物性相近或埋深較大的界面進(jìn)行分層時(shí)，在數(shù)據(jù)處理中選用時(shí)域窗的大小(對(duì)應(yīng)處理軟件操作中選用的樣點(diǎn)數(shù)多少)很關(guān)鍵，數(shù)據(jù)處理中選用較小時(shí)域窗獲得的頻散曲線，淺部分層特征清晰、深部曲線平滑無(wú)分層特征;數(shù)據(jù)處理中選用較大時(shí)域窗獲得的頻散曲線，深部分層特征清晰、淺部頻散點(diǎn)太過(guò)密集影響分層。

　　從理論上分析，選取時(shí)域窗大小的操作實(shí)際上是選用高頻面波信息還是低頻面波信息的問(wèn)題。采樣點(diǎn)數(shù)與采樣間隔的乘積為計(jì)算窗口的時(shí)間長(zhǎng)度，因采樣間隔在采集中選用一致，故計(jì)算窗口時(shí)間長(zhǎng)度取決于采樣點(diǎn)數(shù)。所以計(jì)算窗口時(shí)間長(zhǎng)度小有利于高頻信號(hào)的獲取，時(shí)間長(zhǎng)度大有利于低頻信號(hào)的獲取。淺部分層利用的是高頻信號(hào)，高頻信號(hào)波長(zhǎng)小，所以采用較少的樣點(diǎn)數(shù)(512 或 1024)，則可保證頻散曲線的分層特征清楚;深部分層利用的是低頻信號(hào)，低頻信號(hào)波長(zhǎng)大，所以需要采用較多的樣點(diǎn)數(shù)(2048)。針對(duì)不同深度選取不同樣點(diǎn)數(shù)，即不同的時(shí)窗獲取頻率方面的差異，進(jìn)而提高分層的精度。因此，本文提出了對(duì)黃土地層可根據(jù)探測(cè)深度的不同分別選用 512、1024、2048 樣點(diǎn)數(shù)，實(shí)現(xiàn)提取的頻散曲線在不同深度都具有分辨解釋的能力，達(dá)到分層目的。

　　2.3 分層實(shí)例

　　為驗(yàn)證黃土微動(dòng)勘探分層方法的可靠性，在洛川黃土國(guó)家地質(zhì)公園坡頭村的黃土標(biāo)準(zhǔn)剖面附近進(jìn)行了微動(dòng)勘探分層試驗(yàn)，該標(biāo)準(zhǔn)剖面包括全新世(Q_4)黃土、晚更新世(Q_3)黃土、中更新世(Q_2)黃土、早更新世(Q_1)黃土以及晚上新世(N_2)紅黏土，剖面地層深度達(dá) 140.16m。微動(dòng)勘探試驗(yàn)設(shè)備為北京市水電物探研究所生產(chǎn)的 WD200 型無(wú)線智能微動(dòng)勘探儀，選用三角形臺(tái)陣布設(shè)檢波器，10 個(gè)檢波器以最大邊長(zhǎng) 12m 呈嵌套式等邊三角形布置，檢波器設(shè)置頻率為 0.4Hz，臺(tái)陣中點(diǎn)距洛川標(biāo)準(zhǔn)剖面鉆孔間距為 4m，采樣間隔 10ms，最高頻率 50Hz。

　　根據(jù)速度深度域頻散曲線上的拐點(diǎn)、頻散點(diǎn)連線斜率變化及頻散點(diǎn)疏密變化等特征點(diǎn)對(duì)黃土地層進(jìn)行分層，從整個(gè)地層剖面看，微動(dòng)勘探對(duì)(Q_3)黃土、(Q_2)黃土、(Q_1)黃土、(N_2)紅黏土以及(N_1)砂泥巖的地層界線劃分精度較高，分層深度差值均小于 0.2m，頻散曲線在黃土剖面淺部分層界面處的表現(xiàn)形式主要為拐點(diǎn)，在深部分層界面處的表現(xiàn)形式主要為頻散點(diǎn)疏密的變化;從局部地層剖面看，(Q_3)黃土以及(Q_2)黃土中上部地層中，黃土與古土壤的界限劃分相對(duì)準(zhǔn)確，分層深度差值介于 0~0.65m，頻散曲線在分層界面處的表現(xiàn)形式主要為拐點(diǎn)和頻散點(diǎn)連線斜率變化。(Q_2)黃土中下部以及(Q_1)黃土地層由于沉積年代久遠(yuǎn)，黃土的固結(jié)程度較高，地層物性的差異不明顯，與鉆孔資料相比微動(dòng)勘探分層出現(xiàn)并層現(xiàn)象，頻散曲線主要表現(xiàn)形式為頻散點(diǎn)疏密變化。

　　這是由于采用 1024 樣點(diǎn)數(shù)對(duì)應(yīng)的頻散曲線，在勘探深度大于 60m((Q_2)黃土中下部)頻散點(diǎn)數(shù)量不夠，頻散點(diǎn)連線斜率變化表現(xiàn)不明顯，因此，對(duì)深部地層需要采用 2048 樣點(diǎn)數(shù)或更高樣點(diǎn)數(shù)對(duì)應(yīng)的頻散曲線進(jìn)行分層，以期提高分層精度。為驗(yàn)證采用不同樣點(diǎn)數(shù)分段分層思路的可行性，在西安少陵塬某場(chǎng)地進(jìn)行了微動(dòng)勘探樣點(diǎn)數(shù)對(duì)黃土分層精度影響的試驗(yàn)研究，試驗(yàn)設(shè)備為 WD200 型無(wú)線智能微動(dòng)勘探儀，選用三角形臺(tái)陣布設(shè)檢波器，10 個(gè)檢波器以最大邊長(zhǎng) 12m 呈嵌套式等邊三角形布置，檢波器設(shè)置頻率為 0.4Hz，臺(tái)陣采樣間隔 10ms，最高頻率 50Hz。現(xiàn)場(chǎng)微動(dòng)試驗(yàn)結(jié)束后，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，分別采用 512、1024、2048 樣點(diǎn)數(shù)對(duì)應(yīng)的頻散曲線進(jìn)行分層。

　　為對(duì)比微動(dòng)分層結(jié)果，在微動(dòng)測(cè)試三角形臺(tái)陣中心點(diǎn)布置了一個(gè)鉆孔，并在鉆孔中進(jìn)行了單孔剪切波速測(cè)試，鉆探深度為 100m，鉆探揭露場(chǎng)地地層自上而下由第四系全新統(tǒng)素填土((Q_4^{ml}))、晚更新統(tǒng)風(fēng)積((Q_3^{2eol}))黃土、殘積((Q_3^{1el}))古土壤，中更新統(tǒng)風(fēng)積((Q_2^{eol}))黃土、殘積((Q_2^{el}))古土壤、早更新統(tǒng)風(fēng)積((Q_1^{eol}))黃土、殘積((Q_1^{el}))古土壤等組成。由試驗(yàn)結(jié)果及相關(guān)數(shù)據(jù)可以看出，對(duì)(Q_4)素填土采用 512 樣點(diǎn)數(shù)對(duì)應(yīng)的頻散曲線分層，鉆探分層深度與微動(dòng)勘探分層深度最大差值為 0.2m;對(duì)(Q_3)黃土及(Q_2)黃土上部地層采用 1024 樣點(diǎn)數(shù)對(duì)應(yīng)的頻散曲線分層，分層深度最大差值為 0.2m;對(duì)(Q_2)黃土下部及(Q_1)黃土地層采用 2048 樣點(diǎn)數(shù)對(duì)應(yīng)的頻散曲線分層，(Q_2)黃土下部地層分層深度最大差值為 0.20m，(Q_1)黃土地層分層深度最大差值為 0.6m。同時(shí)，根據(jù)頻散曲線對(duì)場(chǎng)地黃土進(jìn)行分層反演的分層剪切波速相關(guān)數(shù)據(jù)，從 2048 樣點(diǎn)數(shù)對(duì)應(yīng)的頻散曲線可以看出，在深度 89.5m 分層剪切波速大于 500m/s，與鉆孔波速實(shí)測(cè)的覆蓋層厚度 90m 相差 0.5m。

　　綜上所述，采用不同樣點(diǎn)數(shù)頻散曲線對(duì)黃土地層分段分層，提高了黃土分層精度。在 71.5m 以上的地層中分層深度差值均小于 0.2m，71.5m~90m 地層中分層深度差值為 0.4m~0.6m，說(shuō)明采用不同樣點(diǎn)數(shù)分段分層的方法是可行的，對(duì)提高黃土地層分層精度是有效的。

　　3 結(jié)論

　　黃土在沉積過(guò)程中受氣候環(huán)境的影響，呈現(xiàn)明顯黃土 - 古土壤交替分層沉積特性，其物理力學(xué)性質(zhì)也存在明顯的差異，因此黃土地層具備采用微動(dòng)勘探進(jìn)行黃土分層的地球物理?xiàng)l件。根據(jù)速度深度域頻散曲線上的折拐點(diǎn)、頻散點(diǎn)連線斜率的變化以及頻散點(diǎn)疏密程度的變化進(jìn)行黃土分層，一般情況下對(duì)于黃土年代地層采用頻散曲線上的拐點(diǎn)和頻散點(diǎn)連線斜率的變化進(jìn)行地質(zhì)分層，對(duì)于(Q_4)、(Q_3)黃土地層采用頻散曲線上的拐點(diǎn)進(jìn)行地質(zhì)分層，對(duì)于(Q_2)黃土中上部地層采用頻散曲線上的拐點(diǎn)和頻散點(diǎn)連線斜率進(jìn)行地質(zhì)分層，對(duì)于(Q_2)黃土下部及(Q_1)黃土地層采用頻散曲線中頻散點(diǎn)疏密變化進(jìn)行地質(zhì)分層。

　　研究表明，不同樣點(diǎn)數(shù)對(duì)應(yīng)的頻散曲線對(duì)黃土分層精度影響較大，具體表現(xiàn)為對(duì)于淺部黃土地層宜采用 512 樣點(diǎn)數(shù)對(duì)應(yīng)的頻散曲線進(jìn)行地質(zhì)分層，對(duì)于(Q_3)黃土及(Q_2)黃土中上部地層采用 1024 樣點(diǎn)數(shù)對(duì)應(yīng)的頻散曲線地質(zhì)分層，對(duì)于(Q_2)黃土中下部及(Q_1)黃土地層采用 2048 樣點(diǎn)數(shù)對(duì)應(yīng)的頻散曲線地質(zhì)分層，鉆孔分層深度與微動(dòng)分層深度差值不大于 0.6m，在后續(xù)研究中可采用 4096 或更多樣點(diǎn)數(shù)的頻散曲線對(duì)深部地層進(jìn)行分層以減小誤差。微動(dòng)勘探測(cè)試中面波在軟弱土層和堅(jiān)硬土層界面?zhèn)鞑ミ^(guò)程中，頻散曲線拐點(diǎn)會(huì)出現(xiàn) “超前滯后” 效應(yīng)，同樣微動(dòng)勘探測(cè)試采樣間隔對(duì)黃土分層及分層精度也具有一定的影響，有待于下一步進(jìn)行研究。

張吉宏;王 蕾;王曉燕;董忠級(jí),中國(guó)有色金屬工業(yè)西安勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司;陜西省尾礦庫(kù)防災(zāi)減災(zāi)工程技術(shù)研究中心,202503