太原理工大学学报杂志投稿格式参考范文：微动勘探在黄土地层划分中应用研究

　　微动勘探是利用自然界中各种微弱振动作为振源，从中提取面波频散信息，通过面波频散曲线反演横波速度的一种地球物理探测方法。该技术较钻探具有无损、高效及高精度的特点。近年来，专家学者对微动勘探技术在地层划分、地下结构探查、堤坝隐患探查、岩溶空洞病害探测和不良地质作用探测等众多领域的应用进行了大量研究。谢朋等利用微动探测方法进行江汉平原地层结构分层，结果表明微动探测方法能较好分辨地层结构，对岩土性质差异较大的地层探测效果良好。董忠级等采用微动勘探技术对尾矿的沉积韵律进行分层研究，结果表明微动勘探在尾矿堆积层的划分、判释尾矿沉积规律与坝底原始地层的工程性能等方面均有较好的适用性。

　　侯智超等利用微动技术线性台阵在轨道交通勘察中进行地质分层，与钻孔资料对比分层成果可靠，提高了工程地质勘察精度和效率。陈基炜等基于线形台阵的高精度微动技术为城市复杂地面环境下开展岩性地层的精细划分提供了一种新的台阵布设方案。微动勘探技术在黄土地区的应用研究大多针对黄土覆盖厚度的探查，如吴志坚等在黄土地区采用地脉动法通过反演地下黄土层的剪切波速度，探查兰州市城郊古城坪地区覆盖黄土层厚度;刘建军等采用长周期地脉动查明西安地区黄土覆盖厚度大约为 150m;孙常青等采用高密度电法、微动勘探以及钻探等综合方法查明西安高新区云轨示范工程一期工程沿线隐伏地裂缝，为云轨桥梁通过地裂缝的结构设计以及施工提供依据。现有资料表明，微动勘探技术在黄土地区工程勘察中虽有应用但进展缓慢，采用微动勘探技术对黄土分层研究鲜有报道。本文采用微动勘探技术对黄土分层原则、分层方法以及分层精度评价等进行研究，以探讨微动勘探技术对黄土地层划分的适宜性和准确性。

　　1 黄土分层的地球物理条件

　　黄土在形成的过程中由于气候环境的变化，在干旱时期沉积形成典型的风积黄土，而在湿润的气候环境下，黄土成壤作用明显，形成残积的古土壤。因此黄土与古土壤之间具有明显的成层性，也形成了黄土与古土壤之间明显的物性差异，主要表现在颜色、颗粒组成、重度及孔隙率等。黄土层一般为黄色 - 褐黄色，以粉粒为主，具有大孔隙、垂直节理裂隙发育，而古土壤层一般为黄褐色 - 褐色，以黏粒为主，具有较小的孔隙率、块状结构发育，因而造成同时代沉积古土壤的重度明显大于黄土的重度;另外由于古土壤的淋滤作用，在古土壤层中会形成钙质结核富集，甚至会形成钙板，致使古土壤和黄土的分层界限和物性差异变得愈加明显。

　　因此黄土与古土壤具有明显的分层界线。不同年代的黄土之间也存在明显的强度差异和地层界线。全新世(Q_4)黄土土质疏松不均，具高压缩性，其下部为成壤作用较弱的黑垆土，作为(Q_4)黄土的下界;晚更新世(Q_3)黄土具大孔结构，垂直节理裂隙发育，具中压缩性，其下界为(Q_3^1)的古土壤层;中更新世(Q_2)黄土孔隙较小，具中 - 低压缩性，由于气候频繁变化，形成了黄土 - 古土壤多层交替;早更新世(Q_1)黄土坚硬致密，具块状结构，低压缩性，含有大量钙质结核和砂卵石，在黄土中伴随有砂卵石透镜体。由于黄土与古土壤呈交替层状结构沉积以及物理力学性质不同，面波在不同地层中传播的速度特征理应具有差异。因此，采用微动勘探技术进行黄土分层具有良好的地球物理条件。

　　2 黄土分层研究

　　2.1 微动数据采集与处理

　　微动勘探是通过接收台阵采集微动信息，利用其中的有用面波成分提取频散曲线对黄土进行分层。通过在黄土场地布置不同台阵的检波器来接收自然界中的微动信号，基于微动信号的空间自相关性(SPAC)进行分析，提取并绘制测点的相速度频散曲线，并转换为速度深度域频散曲线，根据面波频散曲线的特征划分地层界限线，反演计算各层土的平均剪切波速度。台阵形式的选择对黄土的分层有一定的影响，常见的台阵有三角形台阵、十字形台阵和一字形台阵，也可根据场地实际条件布置成多边形甚至不规则台阵，但对于黄土分层来说选择二维台阵为最佳，这是由于二维台阵较一维台阵而言，能利用不同方向传播的面波综合计算台阵区土体波速，测得的波速值较为准确。

　　通过台阵采集到的天然场源微动记录，将实测记录分成若干个数据段，通过对各数据段的不同中心频率进行窄带滤波处理，分别提取各个频段滤波后的频率，获取频率速度能量谱。按特定公式对各个频段频率分别计算中心测点与圆周上各点之间的空间自相关系数，采用不同观测半径下各频率空间自相关系数的分布趋势和第 Ⅰ 类 0 阶贝塞尔函数拟合计算相速度，绘制相速度的频散曲线和速度深度域频散曲线。空间自相关系数与第一类 0 阶贝塞尔函数关系按特定公式进行计算。

　　2.2 分层原则与方法

　　由于黄土与古土壤物理力学性质不同，面波在不同地层中传播速度亦不相同，因此，不同地层的面波频散特性存在显著差异，导致速度深度域频散曲线呈现出频散点有疏密变化、频散曲线有斜率变化以及在不同斜率连线间有拐点存在，而这些特征位置正是对应于地层分界面的位置。当地层性质发生明显变化时，面波频散曲线出现明显折拐点，如在黄土与基岩界面位置处，频散曲线会表现出此特征，而地层性质变化较小时，如在(Q_3)中黄土和古土壤界面位置处频散曲线会表现出频散点连线斜率的变化，在地层性质较为接近的工程地质亚层，如在(Q_3^2)黄土中湿陷性发生明显变化或(Q_2)黄土上部地层黄土与古土壤的界面位置处频散曲线会表现出频散点疏密的变化。上述是频散曲线与黄土地层的一般关系，具体工作中如何利用频散曲线特征提高划分黄土地层的分辨能力，尤其是对物性相近或埋深较大的界面进行分层时，在数据处理中选用时域窗的大小(对应处理软件操作中选用的样点数多少)很关键，数据处理中选用较小时域窗获得的频散曲线，浅部分层特征清晰、深部曲线平滑无分层特征;数据处理中选用较大时域窗获得的频散曲线，深部分层特征清晰、浅部频散点太过密集影响分层。

　　从理论上分析，选取时域窗大小的操作实际上是选用高频面波信息还是低频面波信息的问题。采样点数与采样间隔的乘积为计算窗口的时间长度，因采样间隔在采集中选用一致，故计算窗口时间长度取决于采样点数。所以计算窗口时间长度小有利于高频信号的获取，时间长度大有利于低频信号的获取。浅部分层利用的是高频信号，高频信号波长小，所以采用较少的样点数(512 或 1024)，则可保证频散曲线的分层特征清楚;深部分层利用的是低频信号，低频信号波长大，所以需要采用较多的样点数(2048)。针对不同深度选取不同样点数，即不同的时窗获取频率方面的差异，进而提高分层的精度。因此，本文提出了对黄土地层可根据探测深度的不同分别选用 512、1024、2048 样点数，实现提取的频散曲线在不同深度都具有分辨解释的能力，达到分层目的。

　　2.3 分层实例

　　为验证黄土微动勘探分层方法的可靠性，在洛川黄土国家地质公园坡头村的黄土标准剖面附近进行了微动勘探分层试验，该标准剖面包括全新世(Q_4)黄土、晚更新世(Q_3)黄土、中更新世(Q_2)黄土、早更新世(Q_1)黄土以及晚上新世(N_2)红黏土，剖面地层深度达 140.16m。微动勘探试验设备为北京市水电物探研究所生产的 WD200 型无线智能微动勘探仪，选用三角形台阵布设检波器，10 个检波器以最大边长 12m 呈嵌套式等边三角形布置，检波器设置频率为 0.4Hz，台阵中点距洛川标准剖面钻孔间距为 4m，采样间隔 10ms，最高频率 50Hz。

　　根据速度深度域频散曲线上的拐点、频散点连线斜率变化及频散点疏密变化等特征点对黄土地层进行分层，从整个地层剖面看，微动勘探对(Q_3)黄土、(Q_2)黄土、(Q_1)黄土、(N_2)红黏土以及(N_1)砂泥岩的地层界线划分精度较高，分层深度差值均小于 0.2m，频散曲线在黄土剖面浅部分层界面处的表现形式主要为拐点，在深部分层界面处的表现形式主要为频散点疏密的变化;从局部地层剖面看，(Q_3)黄土以及(Q_2)黄土中上部地层中，黄土与古土壤的界限划分相对准确，分层深度差值介于 0~0.65m，频散曲线在分层界面处的表现形式主要为拐点和频散点连线斜率变化。(Q_2)黄土中下部以及(Q_1)黄土地层由于沉积年代久远，黄土的固结程度较高，地层物性的差异不明显，与钻孔资料相比微动勘探分层出现并层现象，频散曲线主要表现形式为频散点疏密变化。

　　这是由于采用 1024 样点数对应的频散曲线，在勘探深度大于 60m((Q_2)黄土中下部)频散点数量不够，频散点连线斜率变化表现不明显，因此，对深部地层需要采用 2048 样点数或更高样点数对应的频散曲线进行分层，以期提高分层精度。为验证采用不同样点数分段分层思路的可行性，在西安少陵塬某场地进行了微动勘探样点数对黄土分层精度影响的试验研究，试验设备为 WD200 型无线智能微动勘探仪，选用三角形台阵布设检波器，10 个检波器以最大边长 12m 呈嵌套式等边三角形布置，检波器设置频率为 0.4Hz，台阵采样间隔 10ms，最高频率 50Hz。现场微动试验结束后，进行数据处理，分别采用 512、1024、2048 样点数对应的频散曲线进行分层。

　　为对比微动分层结果，在微动测试三角形台阵中心点布置了一个钻孔，并在钻孔中进行了单孔剪切波速测试，钻探深度为 100m，钻探揭露场地地层自上而下由第四系全新统素填土((Q_4^{ml}))、晚更新统风积((Q_3^{2eol}))黄土、残积((Q_3^{1el}))古土壤，中更新统风积((Q_2^{eol}))黄土、残积((Q_2^{el}))古土壤、早更新统风积((Q_1^{eol}))黄土、残积((Q_1^{el}))古土壤等组成。由试验结果及相关数据可以看出，对(Q_4)素填土采用 512 样点数对应的频散曲线分层，钻探分层深度与微动勘探分层深度最大差值为 0.2m;对(Q_3)黄土及(Q_2)黄土上部地层采用 1024 样点数对应的频散曲线分层，分层深度最大差值为 0.2m;对(Q_2)黄土下部及(Q_1)黄土地层采用 2048 样点数对应的频散曲线分层，(Q_2)黄土下部地层分层深度最大差值为 0.20m，(Q_1)黄土地层分层深度最大差值为 0.6m。同时，根据频散曲线对场地黄土进行分层反演的分层剪切波速相关数据，从 2048 样点数对应的频散曲线可以看出，在深度 89.5m 分层剪切波速大于 500m/s，与钻孔波速实测的覆盖层厚度 90m 相差 0.5m。

　　综上所述，采用不同样点数频散曲线对黄土地层分段分层，提高了黄土分层精度。在 71.5m 以上的地层中分层深度差值均小于 0.2m，71.5m~90m 地层中分层深度差值为 0.4m~0.6m，说明采用不同样点数分段分层的方法是可行的，对提高黄土地层分层精度是有效的。

　　3 结论

　　黄土在沉积过程中受气候环境的影响，呈现明显黄土 - 古土壤交替分层沉积特性，其物理力学性质也存在明显的差异，因此黄土地层具备采用微动勘探进行黄土分层的地球物理条件。根据速度深度域频散曲线上的折拐点、频散点连线斜率的变化以及频散点疏密程度的变化进行黄土分层，一般情况下对于黄土年代地层采用频散曲线上的拐点和频散点连线斜率的变化进行地质分层，对于(Q_4)、(Q_3)黄土地层采用频散曲线上的拐点进行地质分层，对于(Q_2)黄土中上部地层采用频散曲线上的拐点和频散点连线斜率进行地质分层，对于(Q_2)黄土下部及(Q_1)黄土地层采用频散曲线中频散点疏密变化进行地质分层。

　　研究表明，不同样点数对应的频散曲线对黄土分层精度影响较大，具体表现为对于浅部黄土地层宜采用 512 样点数对应的频散曲线进行地质分层，对于(Q_3)黄土及(Q_2)黄土中上部地层采用 1024 样点数对应的频散曲线地质分层，对于(Q_2)黄土中下部及(Q_1)黄土地层采用 2048 样点数对应的频散曲线地质分层，钻孔分层深度与微动分层深度差值不大于 0.6m，在后续研究中可采用 4096 或更多样点数的频散曲线对深部地层进行分层以减小误差。微动勘探测试中面波在软弱土层和坚硬土层界面传播过程中，频散曲线拐点会出现 “超前滞后” 效应，同样微动勘探测试采样间隔对黄土分层及分层精度也具有一定的影响，有待于下一步进行研究。

张吉宏;王 蕾;王晓燕;董忠级,中国有色金属工业西安勘察设计研究院有限公司;陕西省尾矿库防灾减灾工程技术研究中心,202503