瞬態面波勘探及應用
http://www.dcyhziu.cn 2007/6/12 源自:中華職工學習網 【字體：
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摘要：面波勘探是近年發展起來的一種新的淺層地球物理勘探方法，具有簡便、快速、經濟、分辨率高、成果直觀、適用場地小等優點，已在許多領域得到應用，并取得了良好的應用效果。文章介紹了面波勘探技術的發展概況、探測原理、主要特點及其野外測試方法，對其應用范圍及目前存在的問題作了說明，并給出一個應用實例。
關鍵詞：瑞利面波 地震勘探 瞬態法 頻散曲線
1 前言
面波勘探，也稱彈性波頻率測深，是國內外近幾年發展起來的一種新的淺層地震勘探方法。面波分為瑞利波（R波）和拉夫波（L波），而R波在振動波組中能量最強、振幅最大、頻率最低，容易識別也易于測量，所以面波勘探一般是指瑞利面波勘探。
人們根據激振震源的不同，又把面波勘探分為①穩態法、②瞬態法、③無源法。它們的測試原理是相同的，只是產生面波的震源不同罷了。
1938年德國土力學協會首次嘗試用穩態振動來檢測巖土的各種彈性力學參數。1960年美國密西西比陸軍工程隊水陸試驗所開始開發類似的技術方法，但由于當時技術條件的限制，均未獲得成功。70年代初美國F·K·Chang等人利用瞬態激振產生的瑞利波來研究淺部地質問題，并于1973年在第42屆國際地球物理勘探年會上發表了“Rayleigh Wave Dispersion Technique for Rapid Subsurface Exploration”（瞬態面波在淺層勘探中的應用）論文，報道了有關的研究成果。在穩態方面，直到80年代初，日本的VIC株式會社經過多年的研究試制，推出了GR－810佐藤式全自動地下勘探機，才使該項物探技術在淺層工程勘察工作中得以應用。通過幾年的實踐和初步研究，R波在巖土工程勘察中的應用大致分為以下幾個方面：
⑴ 查明工程區地下介質速度結構并進行地層劃分；
⑵ 對巖土體的物理力學參數進行原位測試；
⑶ 工業與民用建筑的地基基礎勘察；
⑷ 地下管道及埋藏物的探測；
⑸ 地下空洞、巖溶、古墓及廢棄礦井的埋深、范圍等探測；
⑹ 軟土地基加固處理效果評價及飽和砂土層的液化判別；
⑺ 公路、機場跑道質量的無損檢測；
⑻ 江河、水庫大壩（堤）中軟弱夾層的探測和加固效果評價等；
⑼ 場地土類別劃分及滑坡調查等；
⑽ 斷層及其它構造帶的測定與追蹤等。
2 勘探原理
面波是一種特殊的地震波，它與地震勘探中常用的縱波（P波）和橫波（S波）不同，它是一種地滾波。彈性波理論分析表明，在層狀介質中，拉夫波是由SH波與P波干涉而形成，而瑞利波是由SV波與P波干涉而形成，且R波的能量主要集中在介質自由表面附近，其能量的衰減與r-1/2成正比，因此比體波（P、S波∝r-1）的衰減要慢得多。在傳播過程中，介質的質點運動軌跡呈現一橢圓極化，長軸垂直于地面，旋轉方向為逆時針方向，傳播時以波前面約為一個高度為λR（R波長）的圓柱體向外擴散。
在各向均勻半無限空間彈性介質表面上，當一個圓形基礎上下運動時，由它產生的彈性波入射能量的分配率已由Miller（1955年）計算出來，即 P波占7%、S波占26%、R波占67%，亦就是說，R波的能量占全部激振能量的2/3，因此利用R波作為勘探方法，其信噪比會大大提高。
綜合分析表明R波具有如下特點：
⑴ 在地震波形記錄中振幅和波組周期最大，頻率最小，能量最強；
⑵ 在不均勻介質中R波相速度（VR）具有頻散特性，此點是面波勘探的理論基礎；
⑶ 由P波初至到R波初至之間的1/3處為S波組初至，且VR與VS具有很好的相關性，其相關式為：
VR=VS·（0.87+1.12μ）/（1+μ）； 式中：μ為泊松比；
此關系奠定了R波在測定巖土體物理力學參數中的應用；
⑷ R波在多道接受中具有很好的直線性，即一致的波震同相軸；
⑸質點運動軌跡為逆轉橢圓，且在垂直平面內運動；
⑹ R波是沿地表傳播的，且其能量主要集中在距地表一個波長（λR）尺度范圍內。
依據上述特性，通過測定不同頻率的面波速度VR，即可了解地下地質構造的有關性質并計算相應地層的動力學特征參數，達到巖土工程勘察之目的。
3 野外工作方法
應用瞬態法進行現場測試時一般采用多道檢波器接收，以利于面波的對比和分析。當錘子或落重在地表產生一瞬態激振力時，就可以產生一個寬頻帶的R波，這些不同頻率的R波相互迭加，以脈沖信號的形式向外傳播。當多道低頻檢波器接收到脈沖形振動信號后，經數據采集，頻譜分析后，把各個頻率的R波分離出來，并求得相應的VR值，進而繪制面波頻散曲線。
當選取兩道檢波數據進行反演處理時，應使兩檢波器接收到的信號具有足夠的相位差，其間距△x應滿足（λR/3）～λR，即在一個波長內采樣點數要小于在間距△x內的采樣點數的3倍，而大于在間距△x內的采樣點數的1倍，該采集濾波原則對于不同的勘探深度及儀器分辨率和場地地層特性可作適當調整。
當采用多道檢波數據進行反演處理時，雖然不受道間距公式的約束，但野外數據采集時也應考慮勘探深度和場地條件的影響。一般來說，當探測較淺部的地層介質特性時，易采用小的△x值并用小錘作震源以產生較強的高頻信號，即可獲得較好的結果；當探測較深部的地層介質特性時，易采用較大的△x值，并用重錘沖擊地面，以產生較低頻率的信號，使其能反映地下更深處的介質信息，達到巖土工程勘察之目的。
震源點的偏移距從理論上講越大越好，且易采用兩端對稱激發，有利于R波的對比、分辨和識別，但偏移距增大就要求震源能量加大和儀器性能的改善。一般來說，偏移距應根據試驗結果選取。就目前的儀器設備條件和反演技術水平，選用偏移距20～40m即可獲得較好的測試結果。
由多道檢波數據反演處理后可得一條頻散曲線，一般把它作為接收段中點的解釋結果。實際上該曲線所反映的地層特性為接收段內地層性質的平均結果，故當探測場地地下介質水平方向變化較大時，只要能滿足勘探深度的要求，盡量使反演所用的接收段減小，以使解釋結果更具客觀實際。
4 工程應用
西部大開發十大項目之一的黃河沙坡頭水利樞紐位于黃河上游干流上，上距待建的大柳樹壩址12.1km，下距青銅峽水電站122km，行政隸屬寧夏回族自治區中衛縣。主要建筑物由主壩和副壩兩部分組成，其中主壩擬選壩型為混凝土閘壩，最大壩高39.93m，壩長358.5m；副壩布置在黃河左岸Ⅰ級階地，擬建壩型為土石壩，壩高5m左右，壩長約1.5km。
測區地層巖性由上至下依次為：①覆蓋層由全新統風積砂壤土、粉細紗和全新統沖洪積砂卵礫石組成；②下伏基巖由棕紅色、紫紅色砂質粘土巖組成，局部夾有礫巖。
為探測覆蓋層厚度并進行地層劃分，采用瞬態面波進行勘探。實測使用美國R24工程地震儀和4Hz低頻檢波器。室內數據處理使用SFKSWS軟件，其流程為：輸入面波記錄文件→顯示和檢查實測曲線數據→圈定面波數據窗口→在F—K域搜索確定基階面波頻譜峰脊并拾取頻散數據→按搜索確定的基階面波頻譜峰脊圈定出基階面波頻譜范圍→生成面波頻散曲線→地質分層（人工或自動）→繪制反演擬合曲線→打印輸出結果。
R波在非均勻介質中傳播具有頻散特性，所以不同頻率（波長）的R波具有不同的傳播速度。模型試驗和實測結果表明，當探測的巖土層介質較為均一時，R波的相速度隨深度的加大而按線性增加，只有出現不同介質的分界面時，頻散曲線會出現一個所謂“Z”字型變化，該變化特征是由于地表接收到的波從上一層漏能型波轉入下一層漏能型面波，且此轉折點與兩介質間的界面埋深有密切的關系，由此可依據實測頻散曲線的“Z”字型變化點來劃分地下巖性變化的分界面。
圖1、圖2為實測面波反演解釋結果，其中各圖的右側為隨深度變化的面波頻散曲線，左側為鉆探揭露的地層柱狀圖，其層位的劃分具有良好的一致性，即表層風積粉細砂—中部砂卵礫石層—下部基巖。同時由圖還可以得出：表層風積砂的瑞利波速度為150～250m/s，沖洪積砂卵礫石的瑞利波速度為300～400m/s，而下伏基巖（棕紅色、紫紅色砂質粘土巖、礫巖等）的瑞利波速度則為440～760m/s，說明瑞利波（剪切波）速度隨深度的增加而升高。
5 存在問題
雖然面波探測技術在工程中的應用已很廣泛，但實際工作中還存在以下問題：
⑴ 關于實測面波頻散曲線的“Z”字型現象，從理論模型的解析中還不能精確地解釋此現象。因為理論的頻散曲線，在介質分界面處只出現折點，對此還需深入研究和數值模擬計算；
⑵ 對于面波勘探深度的確定，目前國內外大多采用半波長作為R波的勘探深度，此關系是一經驗公式，但在實際工作中，應根據場地地質條件、探測對象以及孔旁測試對比結果等作適當調整；
⑶ 測試深度相對較淺，一般情況下可靠的測量深度為20～30m，最深不過50～60m。當測試深度加大時，震源信號就必須具有足夠的低頻信號，目前尚難滿足此要求。由于低頻時的R波值很少，使得下部頻散曲線的點相對稀少，所以對解釋精度影響較大。就該問題筆者建議由原來的算術坐標系改為波長為對數的單對數坐標系，可使低頻段頻散點稀少問題得以改觀。
⑷ 根據不同的勘測目的和要求，對產生R波的震源需作必要的改進和研究，以適應勘察的需要。如用錘子作震源時其低頻值為10～20Hz左右，而用砂袋作震源時低頻值為3～10Hz左右。
面波勘探作為一種新的淺層地球物理勘探方法，具有簡便、快速、經濟、分辨率高、適用場地小、應用范圍廣等優點，但對面波勘探理論的研究以及實際應用等有待進一步的深入和開拓，使之在生產實踐中不斷總結、完善和提高。
參考文獻
⑴ 楊成林等 《瑞雷波勘探》北京：地質出版社 1993年
⑵ 胡鈞等 《巖土工程瑞利波勘探新進展》《上海地質》1996年 No.2
⑶ 劉康和 《面波探測技術綜述》《電力勘測》1997年 No.2
⑷ Barbara A. Luke, et al.《Application of SASW Method Underwater》《JOURNAL OF GEOTECHNICAL and GEOENVIRONMENTAL ENGINEERING》1998 No.6。
⑸ Vahid Ganji, et al. 《Automated Inversion Procedure for Spectral Analysis of Surface Waves》《JOURNAL OF GEOTECHNICAL and GEOENVIRONMENTAL ENGINEERING》1998 No.8。
THE INSTANTANEOUS SURFACE WAVE EXPLORATION AND ITS APPLICATION
[Abstract] Surface wave exploration is a new method on geophysical prospecting for radip subsurface exploration. It is of the advantage with easy to operate, high-speed testing,less expense,fine resolving power,audio-visual drawing of result and suitable to a small site for surveying,etc. This technique has been applied in many fields and achieved good result in application. It was introduced on the developed history and principles and main features and surveying procedures of surface wave exploration in this paper. We give explanation for the using fields and failings of surface wave exploration at present. Finally, an example was given.
[Key words] Rayliegh surface wave; Seismic prospecting; Transient surveying method; Dispersion curve
關鍵詞：瑞利面波 地震勘探 瞬態法 頻散曲線
1 前言
面波勘探，也稱彈性波頻率測深，是國內外近幾年發展起來的一種新的淺層地震勘探方法。面波分為瑞利波（R波）和拉夫波（L波），而R波在振動波組中能量最強、振幅最大、頻率最低，容易識別也易于測量，所以面波勘探一般是指瑞利面波勘探。
人們根據激振震源的不同，又把面波勘探分為①穩態法、②瞬態法、③無源法。它們的測試原理是相同的，只是產生面波的震源不同罷了。
1938年德國土力學協會首次嘗試用穩態振動來檢測巖土的各種彈性力學參數。1960年美國密西西比陸軍工程隊水陸試驗所開始開發類似的技術方法，但由于當時技術條件的限制，均未獲得成功。70年代初美國F·K·Chang等人利用瞬態激振產生的瑞利波來研究淺部地質問題，并于1973年在第42屆國際地球物理勘探年會上發表了“Rayleigh Wave Dispersion Technique for Rapid Subsurface Exploration”（瞬態面波在淺層勘探中的應用）論文，報道了有關的研究成果。在穩態方面，直到80年代初，日本的VIC株式會社經過多年的研究試制，推出了GR－810佐藤式全自動地下勘探機，才使該項物探技術在淺層工程勘察工作中得以應用。通過幾年的實踐和初步研究，R波在巖土工程勘察中的應用大致分為以下幾個方面：
⑴ 查明工程區地下介質速度結構并進行地層劃分；
⑵ 對巖土體的物理力學參數進行原位測試；
⑶ 工業與民用建筑的地基基礎勘察；
⑷ 地下管道及埋藏物的探測；
⑸ 地下空洞、巖溶、古墓及廢棄礦井的埋深、范圍等探測；
⑹ 軟土地基加固處理效果評價及飽和砂土層的液化判別；
⑺ 公路、機場跑道質量的無損檢測；
⑻ 江河、水庫大壩（堤）中軟弱夾層的探測和加固效果評價等；
⑼ 場地土類別劃分及滑坡調查等；
⑽ 斷層及其它構造帶的測定與追蹤等。
2 勘探原理
面波是一種特殊的地震波，它與地震勘探中常用的縱波（P波）和橫波（S波）不同，它是一種地滾波。彈性波理論分析表明，在層狀介質中，拉夫波是由SH波與P波干涉而形成，而瑞利波是由SV波與P波干涉而形成，且R波的能量主要集中在介質自由表面附近，其能量的衰減與r-1/2成正比，因此比體波（P、S波∝r-1）的衰減要慢得多。在傳播過程中，介質的質點運動軌跡呈現一橢圓極化，長軸垂直于地面，旋轉方向為逆時針方向，傳播時以波前面約為一個高度為λR（R波長）的圓柱體向外擴散。
在各向均勻半無限空間彈性介質表面上，當一個圓形基礎上下運動時，由它產生的彈性波入射能量的分配率已由Miller（1955年）計算出來，即 P波占7%、S波占26%、R波占67%，亦就是說，R波的能量占全部激振能量的2/3，因此利用R波作為勘探方法，其信噪比會大大提高。
綜合分析表明R波具有如下特點：
⑴ 在地震波形記錄中振幅和波組周期最大，頻率最小，能量最強；
⑵ 在不均勻介質中R波相速度（VR）具有頻散特性，此點是面波勘探的理論基礎；
⑶ 由P波初至到R波初至之間的1/3處為S波組初至，且VR與VS具有很好的相關性，其相關式為：
VR=VS·（0.87+1.12μ）/（1+μ）； 式中：μ為泊松比；
此關系奠定了R波在測定巖土體物理力學參數中的應用；
⑷ R波在多道接受中具有很好的直線性，即一致的波震同相軸；
⑸質點運動軌跡為逆轉橢圓，且在垂直平面內運動；
⑹ R波是沿地表傳播的，且其能量主要集中在距地表一個波長（λR）尺度范圍內。
依據上述特性，通過測定不同頻率的面波速度VR，即可了解地下地質構造的有關性質并計算相應地層的動力學特征參數，達到巖土工程勘察之目的。
3 野外工作方法
應用瞬態法進行現場測試時一般采用多道檢波器接收，以利于面波的對比和分析。當錘子或落重在地表產生一瞬態激振力時，就可以產生一個寬頻帶的R波，這些不同頻率的R波相互迭加，以脈沖信號的形式向外傳播。當多道低頻檢波器接收到脈沖形振動信號后，經數據采集，頻譜分析后，把各個頻率的R波分離出來，并求得相應的VR值，進而繪制面波頻散曲線。
當選取兩道檢波數據進行反演處理時，應使兩檢波器接收到的信號具有足夠的相位差，其間距△x應滿足（λR/3）～λR，即在一個波長內采樣點數要小于在間距△x內的采樣點數的3倍，而大于在間距△x內的采樣點數的1倍，該采集濾波原則對于不同的勘探深度及儀器分辨率和場地地層特性可作適當調整。
當采用多道檢波數據進行反演處理時，雖然不受道間距公式的約束，但野外數據采集時也應考慮勘探深度和場地條件的影響。一般來說，當探測較淺部的地層介質特性時，易采用小的△x值并用小錘作震源以產生較強的高頻信號，即可獲得較好的結果；當探測較深部的地層介質特性時，易采用較大的△x值，并用重錘沖擊地面，以產生較低頻率的信號，使其能反映地下更深處的介質信息，達到巖土工程勘察之目的。
震源點的偏移距從理論上講越大越好，且易采用兩端對稱激發，有利于R波的對比、分辨和識別，但偏移距增大就要求震源能量加大和儀器性能的改善。一般來說，偏移距應根據試驗結果選取。就目前的儀器設備條件和反演技術水平，選用偏移距20～40m即可獲得較好的測試結果。
由多道檢波數據反演處理后可得一條頻散曲線，一般把它作為接收段中點的解釋結果。實際上該曲線所反映的地層特性為接收段內地層性質的平均結果，故當探測場地地下介質水平方向變化較大時，只要能滿足勘探深度的要求，盡量使反演所用的接收段減小，以使解釋結果更具客觀實際。
4 工程應用
西部大開發十大項目之一的黃河沙坡頭水利樞紐位于黃河上游干流上，上距待建的大柳樹壩址12.1km，下距青銅峽水電站122km，行政隸屬寧夏回族自治區中衛縣。主要建筑物由主壩和副壩兩部分組成，其中主壩擬選壩型為混凝土閘壩，最大壩高39.93m，壩長358.5m；副壩布置在黃河左岸Ⅰ級階地，擬建壩型為土石壩，壩高5m左右，壩長約1.5km。
測區地層巖性由上至下依次為：①覆蓋層由全新統風積砂壤土、粉細紗和全新統沖洪積砂卵礫石組成；②下伏基巖由棕紅色、紫紅色砂質粘土巖組成，局部夾有礫巖。
為探測覆蓋層厚度并進行地層劃分，采用瞬態面波進行勘探。實測使用美國R24工程地震儀和4Hz低頻檢波器。室內數據處理使用SFKSWS軟件，其流程為：輸入面波記錄文件→顯示和檢查實測曲線數據→圈定面波數據窗口→在F—K域搜索確定基階面波頻譜峰脊并拾取頻散數據→按搜索確定的基階面波頻譜峰脊圈定出基階面波頻譜范圍→生成面波頻散曲線→地質分層（人工或自動）→繪制反演擬合曲線→打印輸出結果。
R波在非均勻介質中傳播具有頻散特性，所以不同頻率（波長）的R波具有不同的傳播速度。模型試驗和實測結果表明，當探測的巖土層介質較為均一時，R波的相速度隨深度的加大而按線性增加，只有出現不同介質的分界面時，頻散曲線會出現一個所謂“Z”字型變化，該變化特征是由于地表接收到的波從上一層漏能型波轉入下一層漏能型面波，且此轉折點與兩介質間的界面埋深有密切的關系，由此可依據實測頻散曲線的“Z”字型變化點來劃分地下巖性變化的分界面。
圖1、圖2為實測面波反演解釋結果，其中各圖的右側為隨深度變化的面波頻散曲線，左側為鉆探揭露的地層柱狀圖，其層位的劃分具有良好的一致性，即表層風積粉細砂—中部砂卵礫石層—下部基巖。同時由圖還可以得出：表層風積砂的瑞利波速度為150～250m/s，沖洪積砂卵礫石的瑞利波速度為300～400m/s，而下伏基巖（棕紅色、紫紅色砂質粘土巖、礫巖等）的瑞利波速度則為440～760m/s，說明瑞利波（剪切波）速度隨深度的增加而升高。
5 存在問題
雖然面波探測技術在工程中的應用已很廣泛，但實際工作中還存在以下問題：
⑴ 關于實測面波頻散曲線的“Z”字型現象，從理論模型的解析中還不能精確地解釋此現象。因為理論的頻散曲線，在介質分界面處只出現折點，對此還需深入研究和數值模擬計算；
⑵ 對于面波勘探深度的確定，目前國內外大多采用半波長作為R波的勘探深度，此關系是一經驗公式，但在實際工作中，應根據場地地質條件、探測對象以及孔旁測試對比結果等作適當調整；
⑶ 測試深度相對較淺，一般情況下可靠的測量深度為20～30m，最深不過50～60m。當測試深度加大時，震源信號就必須具有足夠的低頻信號，目前尚難滿足此要求。由于低頻時的R波值很少，使得下部頻散曲線的點相對稀少，所以對解釋精度影響較大。就該問題筆者建議由原來的算術坐標系改為波長為對數的單對數坐標系，可使低頻段頻散點稀少問題得以改觀。
⑷ 根據不同的勘測目的和要求，對產生R波的震源需作必要的改進和研究，以適應勘察的需要。如用錘子作震源時其低頻值為10～20Hz左右，而用砂袋作震源時低頻值為3～10Hz左右。
面波勘探作為一種新的淺層地球物理勘探方法，具有簡便、快速、經濟、分辨率高、適用場地小、應用范圍廣等優點，但對面波勘探理論的研究以及實際應用等有待進一步的深入和開拓，使之在生產實踐中不斷總結、完善和提高。
參考文獻
⑴ 楊成林等 《瑞雷波勘探》北京：地質出版社 1993年
⑵ 胡鈞等 《巖土工程瑞利波勘探新進展》《上海地質》1996年 No.2
⑶ 劉康和 《面波探測技術綜述》《電力勘測》1997年 No.2
⑷ Barbara A. Luke, et al.《Application of SASW Method Underwater》《JOURNAL OF GEOTECHNICAL and GEOENVIRONMENTAL ENGINEERING》1998 No.6。
⑸ Vahid Ganji, et al. 《Automated Inversion Procedure for Spectral Analysis of Surface Waves》《JOURNAL OF GEOTECHNICAL and GEOENVIRONMENTAL ENGINEERING》1998 No.8。
THE INSTANTANEOUS SURFACE WAVE EXPLORATION AND ITS APPLICATION
[Abstract] Surface wave exploration is a new method on geophysical prospecting for radip subsurface exploration. It is of the advantage with easy to operate, high-speed testing,less expense,fine resolving power,audio-visual drawing of result and suitable to a small site for surveying,etc. This technique has been applied in many fields and achieved good result in application. It was introduced on the developed history and principles and main features and surveying procedures of surface wave exploration in this paper. We give explanation for the using fields and failings of surface wave exploration at present. Finally, an example was given.
[Key words] Rayliegh surface wave; Seismic prospecting; Transient surveying method; Dispersion curve
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