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摘要 ：地质灾害主要由地质环境或地质体发生变化，由此产 生的自然灾害不仅会对人们的正常生活造成严重影响， 而且也会 对自然环境造成破坏。本文详细分析了物探新技术—微动探测技 术的发展历程、探测方法、探测原理等，并以某工程现场勘验为 例，探讨了微波探测技术在地质灾害防治中的实际应用，通过与 电阻率探测方法进行比较， 验证了微波探测技术的有效性。
关键词 ：物探技术,微动探测技术,地质灾害
物探是以周围介质和地质体为基础，根据物性差异对地质 中存在的异常进行勘查， 以达到防治地质灾害的问题。本文利用 空间自相关法对某工程现场进行探测，通过对探测数据进行分 析，并与电阻率探测结果进行比较， 探讨了微波探测技术具有的 优势， 以及在地质灾害防治中应用的可行性和有效性。
1 微动探测技术
常见的高密度、雷达、瞬变、浅震物探技术在地质结构简单、 深度较浅的地质勘探中有着广泛的应用，但是其无法满足中度 和深度地质勘探的要求。此外，磁法、电磁法、重力和地震等深 部地质勘探手段也存在一定缺陷，如重力勘探法无法满足高精 度勘探要求、电磁法会受到电磁干扰、地震法需要制造震源，不 仅存在一定危险性，而且成本较高。因此，新物探技术——微动 探测技术(The Micro tremor Survey Method， MSM) 逐渐成为了 地质勘探领域研究的热点。MSM绿色环保、探测范围大、分辨 率高、经济高效，并且不会受到电磁干扰的影响。MSM 不仅适 用于浅部地质勘探工作中，而且在中部和深部地质探测中也具 有良好的识别能力和勘探精度。
1.1 微动探测技术的由来
地球表面总是有轻微的震动，我们称之为“微动”。微震的 研究方法(TheMicrotremorSurveyMethod， 简称MSM)。它是通过 空间自相关从圆形阵列采集的地面微动信号中提取并通过反复 练习获得的地球物理探测方法。该方法广泛应用于地震构造探 测、评价和场地稳定性分析。但无需人工源、且抗干扰能力强、 便捷环保等优点，在干扰较强、不可破坏的物探环境中优势突 出。徐佩芬等人近年来在传统微动探测的基础上研究出微动剖 面探测技术，并应用于国内许多勘探领域，如矿山开采、地热调查、地质勘察、采空区探测、活断层探测等领域中。是对传统微 动探测方法的继承和创新。
1.2 微动探测技术发展历程
微动探测技术于 1957 年国外的研究学者AKi 基于空间自相 关(SPAC 法) 方法在地质微动信号中首次提取出了频散曲线。 此后，在 1969 年国外研究学者 Capon 利用频率波数法(F-K法)， 也提取出频散曲线。至此， 各个行业及领域中的科学研究者对微 波探测技术展开了重点研究。随着微波探测技术的快速发展， 微 波探测技术在工程实践中也得到了广泛的应用。
微波探测技术在20世纪 50 年代~ 60 年代被人们所提出，其 最早被广泛应用于地质结构分析方面， 随着人们对微波探测技术 的研究力度不断加大， 微波探测技术逐渐被广泛应用于各个工程 领域中。在日本，微波探测技术被广泛应用于工程地质评价、地 震探测和地质勘察等领域中。中国对于微波探测理论和技术的研 究开始于 1980 年，我国科学研究学者对其展开了重点研究。
1.3 微动探测方法
微动探测信号源包括两种 ：一种为地球表面自然运行产生 的地域 1Hz频率的长波微动，如风速、潮汐、气压、海浪变化等 现象。长波微动是一种低频信号源， 其在深部地质探测中应用较 广 ;另一种为人类活成造成的高于 1Hz 频率的常时微动，如人 类日程生活、机械运行、生产活动、车辆行驶等，是一种高频信 号源， 其主要用于浅部地质结构探测中。
地质微动主要由面波(Love 波、Rayleigh 波) 和体波(S 波、 P 波) 组成，其属于一种复杂地质运动，在地质微动中面波产生 的能力在总能量中的占比高达 70%。地质微动中Rayleigh 波通常 携带了微动的衰减特性和曲波速度等信息，因此利用微动探测 技术能够有效对地质结构进行勘探。Rayleigh 波和 S 波两者之间 的传播速度基本相近 ;Rayleigh 波会随着深度指数减弱传播速 度逐渐减慢，在不同介质中Rayleigh 波会出现频散现象，通过对 Rayleigh 波频散进行提取和分析， 可以获取到地质结构等信息。
微动探测技术主要是利用Rayleigh 波的频散特性，从其中提 取出面波频散， 通过对频散曲线进行分析和处理， 可以获得地质 中剪切波的速度，进而明确地质结构。在采集地质微动信息时， 主要采用由多台拾震器按照台阵方式组成的数据采集系统，采集系统中的每台拾震器主要利用卫生进行同步授时，基于时间 数据利用F-K法和 SPAC 法可以对地质面波频散进行计算。
微动探测中常用的微动观测方法为点测法，每个测点布设 方法为多重圆形台阵，在实际地质灾害勘测中，为提高勘测效 率，多重圆形台阵均采用均匀布设方式。针对特殊地质区域，可 以采用不均匀布设方法， 在圆形台阵布设过程中， 勘测人员可以 根据探勘需求和勘探深度设定台阵半径。
1.4 微动探测方法原理和方法技术
1.4.1 微动探测方法原理
微动测深的物理前提是基于不同年代沉积层间波速的差异。 地层的波速与岩石的密度和弹性有关，新生界、中生界、古生界 和上元古代地层的波速差异尤为显著， 从低到高形成， 可以识别 物理界面从数百米 / 秒到数千米 / 秒。在这种方法中，地球最小 的“冲击”，一直存在于地球表面，人类工业，运输活动被用作观 察的对象。它的成分比较复杂，包括面波、体波等成分，其中面 波是主要成分。
1.4.2 微动探测方法技术
一般用F-K法和 SPAC 法来获取和处理微动面波的频散。
(1) 频率 . 波数(F-K) 法。①野外工作方法。F-K可以采用随 机方式，对工作空间要求不高，基本可以实现阵列的随机性，但 必须满足每个震动传感器分布尽量平整，满足接收来电的条件 波向四面八方。在实际的学习过程中， 也可以用规则来创建一个 数组， 通常中心有一个振动传感器， 其他测量点形成一系列边长 不等的等边三角形，这样就可以使用F-K方法处理和分析数据。 表面波也可以通过 SPAC 方法提取。②数据处理方法。F-K是一 种在频域提取表面波的方法，首先将现场采集的数据通过傅里 叶变换进行带通滤波， 去除各种干扰信号， 然后利用最大似然法 得到功率分布每个频率分量的频谱图，这个功率谱只是一个空 间坐标的单值函数，因此可能更方便获得相速度 -频散曲线和进 行地质分层。F-K法比 SPAC 法更灵活，可以有意识地避开干扰 源(如车辆较多的主干道、锅炉房等)，从而提高抗干扰能力。缺 点是 F-K方法领域所需的振动传感器数量大于 SPAC 方法所需 的振动传感器数量， 数据处理量相应增加。
(2) 空间自相关(SPAC) 法。①野外工作方法。空间自相关 法利用特殊光栅(如棱柱光栅、圆形光栅等) 接收来自自然场源 的面波，在圆周r 上，方便接收来自各个方向的入射波。探索的 准确性更高，因此在实施过程中尝试设置尽可能多的拾音器以 提高准确性。②数据处理方法。SPAC 基本上是一种在时域中提 取表面波的简单、方便和实用的方法。现场得到的数据在时域 进行窄带滤波，得到不同频率的空间自相关关系 ρ。从形态学上 看，实测的空间自相关曲线类似于零阶贝塞尔函数曲线， 可以得 到一个“有效正值”，加上空间坐标参数可以提取出各频率的相速度点，地质分层的相速度频散曲线。本文以 SPAC 方法为例， 分析微动检测方法的原理。
单纯形法 ：其是一种优化算法，能够对面波进行并行处理。 首先，在利用该算法前，需要在N 维空间中构建N+1 个顶点的 多面体，并计算出每个顶点函数值。其次，选取出其中的最大 值、最小值，通过内缩、反射、缩边、扩张的方法重新获取顶点 参数值，并用新的函数值替换原有的最大值、最小值，进而构建 出一个新的多面体， 通过多次迭代的方式可以获取到极小点。由 于单纯行法在解析目标函数过程中缺少严格的要求，因此在计 算过程中会出现多个极小值的情况，当多面体极小值存在两个 及以上时， 会影响单纯形法计算的准确性。
模拟退火法 ：模拟退火法可以模拟物体从熔融状态逐渐向 结晶状态演变的一种方法，即将参数反演模型中的参数当做熔 融状态的物体 ;将目标函数当做物体熔融时所需要的能量函数， 然后通过逐渐减小模型温度参数的方式进行迭代反演。模拟退 火法存在收敛速度慢的特点， 当函数变量较多、函数较为复杂或 搜索空间较大时， 函数计算时间将会进一步延长， 为获得最优近 似解， 需要对控制参数进行反复迭代。
本文在应用微波探测技术时结合了模拟退火法和单纯形法 的优点， 利用两种方法联合计算目标函数， 具体计算思路如下 ：
首先，利用单纯行法计算极小值。其次利用模拟退火法随机 所有目标函数， 并计算最小值， 如果寻找到比极小值更小的函数 值时， 利用模拟退火法搜索该点附近的极小值， 通过反复搜索后 可以获得全局极小值。
2 微动探测技术在地质灾害防治过程中的应用
2.1 探测场地概况
试验场地选择某工程场地，该工程地质岩性为石灰岩，发育 特征为溶蚀发育。根据工程现场地下水水力性质、存储条件等， 可以将该工程场地下水划分为基岩裂隙水和岩类孔隙水。
2.2 数据采集
微动探测装置主要采用综合型工程探测仪。参数类别 Category 分别为 ：单站道数 Station number、采样点数 Sampling number、采样率 Sampling rate、采样长度 Sampling time ;参数数 值依次为 ：6道、1024 样点 0.001s、16.384s。
根据实际工程地质条件，本试验探测工作包括两条测线，I 线主要沿硬化道路路面进行布设，该道路存在少量裸露基岩 ;II 线沿工程附近山体山根进行布设，两条测线上测点布设数量均 不相同。此外， 数据采集过程中观测台阵采用多重圆形台阵。
2.3 数据处理
在数据处理过程中主要采用 SPAC 法反演剪切波速进行处 理，数据处理流程 ：微动记录输入、处理参数选择、(波形成图、空间自相关、质量控制)、剪切波速反演、地质成图、地质解释。
处理流程中，质量控制方法主要采用限制方法，即对数据设 定筛选范围值，以此来筛选出理论曲线和观测曲线范围内的参 数 ;反演法主要采用模拟退火法和单纯形法组合方法。
2.4 试验结果分析与讨论
本试验基于试验场地概况和探测结果，对测线I 和测线II 探 测结果进行详细的剖析， 分析地质灾害情况以及形成的原因。通 过对比试验场地电法探测结果，对工程场地地质灾害类型各灾 害影响长度进行全面判断。
2.4.1 测线I
测线I 共包括 11 个测点，测点之间为均匀布设，每个测点之 间间隔距离为 5.0m。测点I 起始点位置不同方向的 0 ~ 1.4s信号 波形图。从实验中看出，每个信号通道波形基本一致，因此判断 其信号波形能量稳定、形态相似，并且没有强烈信号干扰源，因 此无论是在空间域还是时间域方面微动信号都较为稳定，能够 为数据分析和处理提供支持。
对测线 I 中的测点绘制频散曲线，并通过反演法对其进行 分析，在反演过程中模型初始层数设置为 10层，每层初始层数 厚度均为 20m，反演误差范围为 0 ~ 0.002.反演剪切波速度为 100m/s ~ 800m/s。测线 I 测点反演速度和频散曲线，测点共经 历了 1000 次迭代 ;
从实验场地中可以看出，组合反演过程中存在三种异常反 演情况，其中单纯形法反演结果在浅部地层探测结果与实际地 质结果相吻合 ;模拟退火法反演迭代超过23000 次后获得的结 果与实际地质结果吻合， 反演时间较长。
通过对测线I 中的不同测点进行反演，然后利用克里金法对 反演速度进行插值，进而获得测线I 剪切断面。根据试验区域地 质资料和面波信息对断面图进行分析 ：试验场地 0m ~ 10m 属 于低速层，剪切波速小于 300m/s，因此可以判断该地层为强风 化层或覆盖层 ;10m ~ 70m 属于中速层，该层地形结构相对复 杂，剪切波速度为480m/s。在该阶段层中，15m 位置存在低速异 常区域，该区域可能为溶蚀裂隙区。70m ~ 90m 高速层，该阶段 层存在不连续异常区域，可能为基岩溶蚀发育。90m 以下深度区 域为极速层， 剪切波速度大于 550m/s， 为完整岩体层。
测线 I 电法电阻率断面图，从场地实验可以看出，测点 I 断 面的电阻率相对较高， 能够直接反映试验区域基岩深度变化。此 外，也可以看出断面高阻多为不连续遗产团块， 其中局部区域为 低阻区并且存在明显的凹陷，发育范围在 0m ~ 40m。另外，在地质探测作业结束后根据施工方的现场钻探验证了在试验区域 地下 15m 位置存在溶洞，而这也验证了微动探测技术的有效性 和准确性。
通过对比两种探测结果发现，电阻率剖面探测结果中反映 出的异常活动范围比微动探测结果的异常范围大，这主要是在 不同地质中， 电阻率法受到的电磁干扰也不尽相同， 容易受到物 性差异、产状、形态等方面的影响，进而出现“假异常”状态，现 阶段反演算法仍无法解决这一问题，而微动探测技术则是以波 动原理为基础的一种探测技术，可以充分考虑不同波动在不同 介质中的空间因素和时间因素，不仅能够直观的反映地质异常 行为， 而且也能够有效对地质灾害进行定位。
2.4.2 测线II
测线 II 测点数量为 5 个，每个观测点为均匀布设，间隔为 5m，每个测点数据均与测线 I 测点特征相同。测线 II 反演处理 方法与测线I 相同，分别计算各个测点的频散曲线并进行迭代反 演。然后利用克里金法对反演速度进行空间插值， 进而获得测线 II 反演剪切断面图，
从中可以看出，试验区域浅部地层多为低速带，形成的主 要原因可能为强风化层对其产生的影响较大，因此形成了大量 的低速带。在 10m 以下位置为中速和高速层，其中局部区域存 在低速异常区域，异常区域可能为溶蚀发育区。此外，在 15m 和 30m ~ 40m 位置存在两处规模较小的异常区域，该区域可能为 溶洞。
测线II 电阻率断面图， 从中可以看出， 电阻率断面图主要以 高阻为主， 部分区域存在低阻异常区域， 初步推测为裂隙充水产 生的异常现场。此外，在 0m ~ 15m 位置存在低阻异常区域，与 微动探测结果波速异常位置相吻合，验证了微动探测结果的准 确性。
3 结论
随着城市发展速度不断加快，传统的物探技术已经无法满 足地质勘探工作的需求， 微动探测技术凭借便捷、环保和安全的 优势在地质勘探领域中有着广泛的应用，并且在地质灾害防治 中有着巨大的应用前景。本文结合了模拟退火法和单纯行法的 优势， 弥补了传统物探技术反演方法存在的不足之处， 通过对某 工程现场进行实地探测， 并对比电阻率探测结果， 验证了微动探 测技术的有效性。
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