0 引言

近十几年来，中国城市化及经济均在快速的发展，对能源的需求量越来越大，然而国家对生态环境保护的重视程度亦越来越高，较多的矿区均处于生态环境保护区红线内。为了满足国家发展对能源的需求，个别老旧矿区对尾矿堆场遗留资源越来越重视。

广西柳州市融水县某矿区已开采多年，整个地块占地总面积为 17425.59 m²。选矿厂始建于 1995 年，于2008年停产，从事铜矿和锑矿的浮选，生产规模为 50 t/天，所用选矿方式为浮选法。选矿厂遗留有尾矿堆场，尾矿堆场现场遗留有固体废渣，固体废渣方量尚不明确，为充分利用资源，现需进一步探明其储量。针对该尾矿堆场的堆积、围岩等具体情况，本文对尾矿堆场场地部署了微动 HVSR 谱比法进行勘查，根据研究成果划分了尾矿堆积物与基岩的分界线，对尾矿堆场厚度进行了推断，并计算其储量。大量应用实例表明天然源面波勘探是一种经济快捷且行之有效的物探方法，以其野外观测方便、无需人工源、不受电磁干扰等优势在城市工程物探中发挥着重要作用（袁莹等，2020；孟锐等， 2023）。

本文对微动HVSR谱比法在尾矿堆场的勘查及计算其储量的应用上进行了分析及应用总结，为今后在其他地区针对尾矿堆场、覆盖层等松散层的厚度勘查及储量计算中提供一定的指导意义。

1 研究区地质概况及地球物理特征

1.1 地质概况

研究区位于广西壮族自治区柳州市融水苗族自治县大浪乡（图1），大地构造位于龙胜陆缘裂谷构造，研究区属剥蚀丘陵地貌，地形起伏较大，山体连绵起伏，相对高差较大。地表覆盖第四系残坡积土层，植被以灌木、杂草为主。

研究区范围内及周边地层主要为第四系覆盖层及南华系长安组（Nhc），南华系长安组主要岩性为一套巨厚层状含砾泥岩、含砾砂岩，夹细砂岩、粉砂岩及泥岩；第四系则主要为残坡积土层、黏土。

1.2 地球物理特征

物性差异是有效开展物探工作的理论前提，研究区范围内及周边主要出露南华系长安组砂岩、第四系黏土，其岩、矿石波速特征统计结果详见表1。南华系长安组砂岩的波速在该区比第四系黏土及尾矿松散层均高，纵波波速 V_P为 1.50～5.50 km/s，横波波速 V_S为 0.90～3.20 km/s；其次为第四系黏土，纵波波速 V_P为 1.20～2.50 km/s，横波波速 V_S为 0.70～1.40 km/s；尾矿堆积层较为松散，波速较南华系长安组砂岩及第四系黏土都要低，其纵波波速 V_P 为 0.20～1.80 km/s，横波波速 V_S 为 0.10～0.70 km/s，无论纵波或横波，波速均低于砂岩及黏土要低 （广西有色勘察设计研究院等，2014）。因此研究区的地下介质波速（砂岩、第四系黏土与尾矿堆积层） 存在一定的差异，形成了不同的物性界面。通常情况，岩性层完整的情况下，其在横向上物性参数是相对稳定、均一、差异性较小的，而岩性层由于裂隙破碎、充水等通常呈相对低速特征，因裂隙破碎带发育程度的不同情况，其反映的低速特征也不同，因此与砂岩之间存在明显的波速差异。综上所述，本研究区内开展微动HVSR谱比法具备有良好的地球物理前提。

2 工作部署

为了更好的控制研究区尾矿堆场，在研究区范围内共部署了18条微动谱比法物探剖面测线，方位角 0°（南北向），线距 10 m，点距 5 m，具体详见图1。测线基本覆盖了研究区域，钻孔均布置在尾矿堆场重点区（1～8线），为之后的物探验证及研究工作提供了可靠的依据。

3 方法原理及数据处理

3.1 方法原理

地球表面无时无刻都存在微弱的震动，并且没有特定的震源，如刮风、潮起潮落、工厂施工、汽车驾驶等各种自然现象以及人类生活、生产等和活动，这些震源在一定的时空范围内是具有稳定性，是可以统计及计算的，可用时间和空间上的稳定随机过程来描述（Aki，1957；Okada，2003，2006；赵东， 2010；梁东辉等，2020；田宝卿和丁志峰，2021）。微动不光只是简单的震动，其信号、能量的变化包含了信号源、传播路径及地下结构的信息，所以，通过处理采集微动的信号可以反映地下结构的信息，微动是由体波（P波和 S波）和面波（瑞雷波和勒夫波） 组成的复杂振动，而面波是其主要能量组成部分，占信号总能量的70%以上（Aki，1957；Toksoz，1968； Okada，2003，2006；赵东，2010；梁东辉等，2020；张若晗等，2020；田宝卿和丁志峰，2021；李巧灵等， 2022；孙晓倩和李信富，2022）。

通常认为，微动勘探主要分为两种方式，一种是微动台阵法：即利用台阵的方式采集垂直分量的微动信号，然后处理采集到的微动信号，提取瑞利面波的频散特征，通过频散曲线即可分析地下介质或划分不良地质体，也可以对频散曲线进行反演来获取地下介质的速度结构，进而在进行地下介质的判别分析（张维等，2012）。另一种则是微动 HVSR 谱比法，最早由国外学者提出（Nogoshi and Igarashi， 1971；Nakamura，1989），该方法发展至今，观测方式及处理均较为简单，其使用单台的三分量拾震仪进行水平和垂直分量的信号采集，求取微动水平分量和垂直分量的傅立叶谱之比，即（H/V＝H（ƒ）/V（ƒ），根据 H／V谱比曲线峰值频率（等价于卓越频率）估算地层、土石分界面深度（王伟君等，2009；张若晗等，2020）。

在微动 HVSR 谱比法采集中，地表记录到的微动水平分量和垂直分量的傅里叶谱可以表示为（王伟君等，2009；汪文刚，2021；袁文奇等，2021）：

式（1）、（2）中，A_h和A_v分别是垂直入射体波的水平分量和垂直分量的放大系数；H_b和 V_b分别是基岩内体波的水平分量和垂直分量的傅里叶谱；H_s和 V_s是面波的水平分量和垂直分量的傅里叶谱。因此 H/V谱比值可表示为：

式（3）中的H_b/V_b≈1，即表示基岩没有放大作用，当微动中的面波能量小到可以忽略时，微动主要松散层、松散沉积层、沉积层内的反射横波组成，H/V 近似为 A_h的值，由于微动中面波占主要成分，此时的 H/V 即可近似为 H_s /V_s，即微动的 H/V 比近似为面波的水平分量和垂直分量的傅里叶谱之比：H/V＝H （ƒ）/V（ƒ）。

3.2 数据处理

本研究的数据处理软件使用 AmbiSeis，该软件具有操作简单、界面简洁和计算迅速等特点。将采集的数据下载后，随后对数据进行预处理：截取合并数据，这个步骤目的是将各个时间段内有效数据截取出来；然后进行HVSR数据分析反演：建立初始模式→HVSR数据分析→进行谱比反演。最后导出反演数据成图（图2）。可建立多种参数的初始模型，求取最符合实际的地质成果。数据处理流程图主要如下：

本文数据处理结合已知的钻孔 ZK01、ZK02 及掌握的地质资料，经过多次初始模型的建立及反演，最终确定研究区初始模型参数：表层横波速度： 300 m/s；谱比转换：最大速度 1000 m/s，最小 100 m/ s；频率范围：1～20 Hz。

4 应用研究成果

4.1 微动HVSR谱比法勘探成果

本研究微动谱比法探测主要采用直线型，根据测线方向及研究区的时间情况进行台站布置及采集。资料的解释工作是在地球物理特征的基础上进行的，是以介质波速差异为基础的解释方法，成果解译根据谱比值的变化特征，结合地面地质调查和测区已知的钻孔资料等来划分地质岩土层。

钻孔 ZK01 及 ZK02 为已知钻孔，如图3、图4 所示，结合钻孔资料及地质条件分析低谱比值反映浅部的松散层及尾矿堆层，以谱比值峰值约 1/3为界，大于谱比值峰值约 1/3 的为黏土及砂岩，小于或等于谱比值峰值约 1/3 为尾矿堆积层；根据已知到未知、点到线、线到面的原则，对其他测线进行尾矿堆积层划分。以下仅罗列部分测线成果。

由物探推断的尾矿堆积层的界面起伏，对尾矿储量进行了估算，尾矿储量计算采用 surfer 软件 3D 曲面网格数据进行计算，根据地面测量高程与推断尾矿分界面高程进行计算储量，地形起伏面立体体积 V₁；尾矿底界面立体体积 V₂；因此，尾矿储量：V₃=V₁-V₂，最终估算出尾矿储量约为62 060.65 m³。图7 为尾矿储量计算流程图。

4.2 后期钻孔验证

为了更为准确的计算研究区的尾矿堆场储量，后期在研究区内进行了钻孔验证控制，实施了ZK03～ZK19 共 17 个钻孔验证，验证结果如图3～图6， ZK03 在埋深 8.5 m 深度见黏土，此处为分界面； ZK13 在埋深 8.9 m 深度见黏土，此处为分界面；ZK19 在埋深 8.7 m 深度见黏土，此处为分界面，余下的钻孔揭露的尾矿堆积层与黏土、砂岩下伏岩土层分界面埋深均相差无几，较为吻合。

5 结论

微动 HVSR 谱比法观测方式便捷、数据处理流程简单、成本低、布站灵活、方便快捷、利于施工、无噪声不扰民等优点。根据微动HVSR谱比法在研究区所取得的工作成果，归纳以下结论：

（1）松散层、尾矿堆积层与黏土、砂岩傅里叶谱之比具有一定的差异，二者之间分界线较为清晰。

（2）对研究区尾矿堆积层与下伏岩土层之间的分界线、尾矿堆场厚度进行了推断及划分，并对尾矿堆场储量进行了估算，基本查明了尾矿堆场的储量，为矿区的下一步工作提供了较为可靠、有力的物探依据。

（3）结合相关资料，特别是已知钻孔资料，对微动 HVSR 谱比法进行约束反演，有利于提高物探成果解释的准确性，可取得较为符合实际的结果。

（4）通过多个钻孔验证，钻孔揭露的尾矿堆积物厚度与物探异常推断的成果基本一致，本次研究工作取得了较好的物探勘查效果，微动 HVSR 谱比法对于分辨松散层、尾矿堆积物厚度是行之有效的地球物理方法，今后在其他地区进行尾矿堆场、覆盖层等松散层的厚度勘查及储量估算可行。

参考文献