彈性波成像方法

面波勘探技術(shù)

（Rayleigh）同濟(jì)大學(xué)海洋與地球科學(xué)學(xué)院

SchoolofOcean&EarthSciences,TongjiUniversity地表震源不僅激發(fā)縱波（P波）和橫波（S波），同時，由于縱波與橫波的相互干涉疊加，會產(chǎn)生波型的轉(zhuǎn)換，使地下介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)按一定的軌跡運(yùn)動，形成一種新的能量很強(qiáng)且主要集中地表附近的波動。稱為瑞利面波（面波）。在自由表面附近面波的形成可以用波動方程作嚴(yán)密的推導(dǎo)。略去公式推導(dǎo)部分。。。。。在均勻彈性半空間存在的這種沿自由表面?zhèn)鞑サ牟ǎ渌俣嚷孕∮跈M波波速，振幅隨著離開表面距離的增加而衰減，這就是面波。

P波面波拉夫波S波瑞雷波勘探方法是近年來發(fā)展起來的淺層地震勘探新方法。由于瑞雷波速度同剪切波速度及巖、土力學(xué)參數(shù)有著密切的關(guān)系.一、面波的傳播特征1.質(zhì)點(diǎn)的振動由質(zhì)點(diǎn)位移方程可知，為橢園方程，表明在自由表面附近沿波傳播方向的垂直平面內(nèi)，面波質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動的軌跡是橢圓，橢圓的水平軸與垂直軸之比約2:3，且質(zhì)點(diǎn)的垂直位移比水平位移相位超前PI/2.0.1932.面波穿透深度與波長的關(guān)系1)水平、垂直位移的振幅隨泊松比增大而增大，說明介質(zhì)的泊松比越大，轉(zhuǎn)換為面波的能量越多；2)對于不同的介質(zhì)，隨著深度的增加，面波的水平和垂直位移振幅達(dá)到極值后迅速降低，其主要能量主要集中在《1深度范圍內(nèi)，由此認(rèn)為面波的穿透深度約一個波長。3)當(dāng)深度為波長的一半時，面波的能量較強(qiáng)，當(dāng)深度與波長相近時，能量迅速衰減。因此，某一波長的面波速度主要與深度小于一個波長范圍內(nèi)的地層物性有關(guān)。是利用面波進(jìn)行淺層勘探定量解釋的前提依據(jù)3.面波與橫波速度和泊松比的關(guān)系4.面波的衰減縱波、橫波的波前面相對激發(fā)點(diǎn)呈球面擴(kuò)散，面波的波前面呈圓柱面擴(kuò)散，所以能量密度衰減較小。沿深度方向衰減快，僅存在于一個波長深度內(nèi)沿水平方向的能量密度隨傳播距離按r-1衰減，比球面擴(kuò)散的體波能量密度按r-2衰減的規(guī)律慢得多另外，研究證實，在彈性半空間表面上，通過園形基礎(chǔ)加一個垂向振動力，能量從震源向下輻射，約有2/3的能量轉(zhuǎn)化為面波，而僅有1/3能量是由體波攜帶的。（面波勘探的有利條件）二、層狀大地中面波的傳播特征在層狀介質(zhì)條件下，可以尋求一個面波傳播的解析解。（此處略去公式。。。。。）可以看出，面波速度的解與頻率有關(guān)，即存在面波的速度頻散。（諧波傳播的速度隨頻率波長變化）：不同的面波波長對應(yīng)于不同的頻率，通過測量不同頻率下介質(zhì)的面波速度，即可了解不同深度介質(zhì)的面波速度。三、面波的基階模態(tài)和高階模態(tài)（振型）頻散效應(yīng)，面波在介質(zhì)中傳播的速度是頻率的函數(shù)；如果同一速度存在幾個不同頻率的單頻波，則稱具有該相速度的面波存在多階模式。基階基階高階折射反射高階將不同模態(tài)面波分開的方法是在遠(yuǎn)距離處布置檢波器排列，因為不同模態(tài)的波以不同的相速度傳播，在遠(yuǎn)處的不同時間到達(dá)。問題：高階模態(tài)面波的存在也增大了基階面波提取的誤差，并且使問題復(fù)雜化。利用面波頻散曲線詳細(xì)研究地質(zhì)結(jié)構(gòu)時，由于高階模態(tài)的干擾，使不確定性明顯增高，所以在進(jìn)行面波勘探時必須注意面波類型的區(qū)分。不同頻率情況下，各階模態(tài)的面波能量各不相同，在某些高頻段，高階模態(tài)的能量可能占據(jù)主導(dǎo)地位。目前的研究熱點(diǎn)：用多模態(tài)的頻散數(shù)據(jù)反演地層速度。多階模態(tài)的成因與分布機(jī)理理論有待研究。四、面波頻散曲線圖示方式相比于其它高階模態(tài)，基階模態(tài)面波對應(yīng)的頻散曲線圖中最上面的那條這是頻散數(shù)據(jù)最基本的圖示方式由于面波由地表向下的波動影響深度和它的半波長關(guān)系密切，該圖可直觀地反映面波的相速度隨深度的變化，由此根據(jù)頻散數(shù)據(jù)可以找出地層斷面的特征。五、面波勘探方法核心問題：準(zhǔn)確獲取不同頻率面波的相速度原理：同一頻率的面波的相速度在水平方向上的變化反映出地質(zhì)條件的橫向不均勻性；不同頻率的面波的相速度的變化則反映了地下介質(zhì)在深度方向上的不均勻性。優(yōu)勢：相對于體波而言，能量較強(qiáng)，速度低，易分辨，在揭示淺表地層結(jié)構(gòu)具有一定的優(yōu)越性。分為穩(wěn)態(tài)與瞬態(tài)面波法。穩(wěn)態(tài)面波法：在地面使用穩(wěn)態(tài)震源以一固定頻率激了垂向簡諧振動，面波以單頻方式傳播，在地面用檢波器接收面波，根據(jù)相位差或時間差法計算這一頻率的面波的速度。改變震源頻率，重復(fù)測量與計算，即可獲得不同頻率的面波速度，從而獲得頻散曲線。時間差法：檢測同一個相位在到達(dá)兩個檢波器的時間差相位差法：在同一時刻，檢測兩個檢波器處的相位差簡單直觀，觀測結(jié)果準(zhǔn)確，受干擾較小對震源要求較高，穩(wěn)定、可調(diào)、僅激發(fā)單一頻率瞬態(tài)面波法：利用瞬態(tài)沖擊力作震源激發(fā)面波，地表在脈沖荷載作用下，產(chǎn)生波動。在離震源稍遠(yuǎn)處，用檢波器記錄面波的垂直分量。對面波信號作頻譜分析和處理，獲取頻散曲線。只要知道兩點(diǎn)間的距離

x和每一頻率的相位差，就可以求出每一頻率的相速度VR面波采集參數(shù)：１．偏移距：最佳接收地段，選取面波與反射波已分離的接收地段。在基、高階能分離的情況下，選取基階面波明顯的地段。2.

檢波器：目前國內(nèi)外生產(chǎn)的檢波器類型較多，面波測試時，可從固有頻率為4.5、8、10、15、28等檢波器中選擇使用，瞬態(tài)面波一般使用固有頻率較低的檢波器檢波器接收到的基本是瑞雷波的垂直分量。瞬態(tài)沖擊激發(fā)的面波可以看作許多單頻諧振的疊加，因而記錄到的波形也是諧波疊加的結(jié)果，呈脈沖型的面波。為了獲得對應(yīng)于不同深度的波速，要求震源產(chǎn)生的頻率范圍要寬，測試淺層時用小錘或較輕的鐵塊錘擊地面獲得高頻信號，并采用小的道間距接收。測試深度大時則相反。地震波主頻f與落重法的重塊質(zhì)量M和重塊底面半徑r的關(guān)系為:瞬態(tài)法由于采用一次激發(fā)多道接收，可將不同間距的相速度波長數(shù)據(jù)組合，得到波速與波長關(guān)系的瑞雷波頻散曲線。與穩(wěn)態(tài)法相比可大大提高工作效率。六、面波數(shù)據(jù)采集1.Fixedspread(Shortline)2.FixedSpreadofMovingStylerelyingonlyonTakeoutCables(forLongLine)3.End-on-spread(forLongLine)applyingCDPswitch4.End-on-spread(LongLine)byusingtheLandstreamerSWS-3型瑞利面波測試儀多道瞬態(tài)面波法與穩(wěn)態(tài)面波法的比較

多道瞬態(tài)面波法穩(wěn)態(tài)面波法震源：采用錘擊、落重和炸藥作激發(fā)，為寬頻震源；采用穩(wěn)態(tài)激震器，每次激發(fā)單一頻率；接收：采用多道檢波器等距里直線布置、寬頻接收，采用兩點(diǎn)、或逐次擴(kuò)大點(diǎn)距的兩點(diǎn)接收；處理：采用SWS多道瞬態(tài)面波處理技術(shù)，采用兩道相關(guān)的穩(wěn)態(tài)面波法處理技術(shù)功能：能識別面波中的基階、高階波、干擾波無法識別面波中的多種波形和區(qū)別利用效果：具有正反演計算功能，成果準(zhǔn)確、重復(fù)性好無正反演計算功能，成果重復(fù)性差可提取多點(diǎn)頻散曲線繪制等速物性剖面無此功能效果效益：測試速度快，儀器輕便，適應(yīng)性強(qiáng)測試速度相對較慢，儀器笨重

采集工作中使用錘擊、落重或炸藥的激發(fā)作為震源。具體選用何種震源形式視工作目的和環(huán)境條件決定。一般情況下：錘擊（20磅左右大錘)震源的勘探深度可以達(dá)到20~30米；落重震源的勘探深度可以達(dá)到30~50米；炸藥震源的勘探深度可以達(dá)到50~150米。錘擊震源多道瞬態(tài)面波記錄見下圖：右圖記錄道數(shù)為72道。

由圖可以看到直達(dá)波、折射波、反射波、面波所在時間空間域中的位置。面波具有：在近震源處發(fā)育、波幅大（面波能量大）、面波傳播速度低等特征。據(jù)此設(shè)計合理的觀測系統(tǒng)采集面波，通過處理系統(tǒng)在F~K域提取頻散信息，進(jìn)而獲得在速度波長域中的頻散曲線，達(dá)到勘察與檢測的目的。面波折射波反射波震源面波記錄F~K域面波頻散等值線圖瞬態(tài)面波資料處理１．時間域－空間域提取面波２．對面波信號作二維傅里葉變換３．建立頻率－波數(shù)域振幅譜等值線４．提取面波頻散數(shù)據(jù)５．計算半波長并繪制頻散曲線提取面波面波群僅由1-2個周期的波組成由于頻散及含有多階模態(tài)的特征，面波群的相位數(shù)隨著距離的增加逐漸增加。此時，不僅要分離記錄中的折射、反射波等，還要注意用窗口取全部面波信號同相軸斜率改變：高階面波存在，局部地質(zhì)體或巖性突變面存在明顯的鏡像波出現(xiàn)問題：在覆蓋層很薄，基巖起伏較大，橫向嚴(yán)重不均勻等地質(zhì)條件下，很難得到規(guī)則的面波，不宜用面波進(jìn)行勘探。傅里葉變換六、瞬態(tài)瑞雷波資料的解釋與應(yīng)用

瑞雷波速度資料包含著地下介質(zhì)的結(jié)構(gòu)與特性信息，在對巖、土體地質(zhì)特性的研究和工程與環(huán)境的檢測與監(jiān)測中得到廣泛應(yīng)用。頻點(diǎn)很密(頻率值的變化步長很小)的速度曲線，其含義雖然與層速度不同，但比較各頻點(diǎn)速度值的展布規(guī)律，可以看到速度曲線突變處的深度往往對應(yīng)于介質(zhì)的界面深度。理論和實踐都表明，曲線上"之"字型(鋸齒狀)異常反映地下介質(zhì)的分界面。

(一)頻散曲線的解釋及層速度的計算如果把面波的平均速度曲線轉(zhuǎn)換成層速度與深度H的關(guān)系，解釋結(jié)果將更為直觀。如果速度曲線上讀取的n-1層面波平均速度及相應(yīng)的界面深度分別為VRn-1和Hn-1;第n層的平均速度及相應(yīng)的界面深度為VRn

和Hn,并且平均速度是隨深度遞增的，則n-1層至n層之間的面波層速度VRi,n

的計算公式為如果平均速度隨深度增加而降低時，則用公式

瞬態(tài)面波法取得的工作成果。左圖為隨深度變化的面波速度曲線，右圖為面波頻散曲線與地層對比圖。由于界面兩側(cè)介質(zhì)的速度參數(shù)差異較大，與速度變化曲線的對應(yīng)情況很好(二)應(yīng)用

是用SWS多功能面波儀，采用落重震源探查露天煤礦開挖平臺地下老窖的工作成果。

(a)為測點(diǎn)下平均視速度曲線;(b)為測量排列中第一道檢波點(diǎn)與第二道檢波點(diǎn)之間地層的相速度曲線;(c)圖為測量排列中第二道檢波點(diǎn)與第三道檢波點(diǎn)之間的相速度曲線;(d)圖是測量排列中第三道與第四道檢波點(diǎn)之間的相速度曲線;(e)圖為測量排列中第四道與第五道檢波點(diǎn)之間的相速度曲線。由以上速度曲線特征可以確定，老窖位于排列中第二道與第三道檢波點(diǎn)之間的下方。礦方據(jù)此布置鉆孔驗證，在鉆孔的27-29m深度處探到老窖，與第三條速度曲線的A點(diǎn)和B點(diǎn)反映的頂?shù)装迳疃认嘟Ｉ虾５罔F四線修復(fù)工程面波成果簡介1、外業(yè)測試方法彈性介質(zhì)表面在受到豎向激振時，瑞雷波能量占到2/3，并且瑞雷波的衰減比其他波要小。采用多道(12道或24道)采集系統(tǒng)，可以在時間域中很好的識別面波成分，根據(jù)彈性波在半無限空間的傳播規(guī)律，設(shè)計出最佳面波接受窗口。本次面波勘察采用1m道間距，12-24道采集，偏移距為6m，接收傳感器使用4Hz垂直地震檢波器。震源采用落重方式，由于本次工程時間比較緊迫，物探工作與鉆探工作同時展開，鉆探工作產(chǎn)生的機(jī)械振動干擾較嚴(yán)重，同時工區(qū)位于繁忙交通地段，背景干擾也較多，因此，我們采用100kg的大鐵球提升1m左右自由落重錘擊地面激發(fā)面波，以增加面波能量，降低干擾幅。度。2信號處理、頻散曲線的建立與反演面波頻散曲線是對地層速度結(jié)構(gòu)分層的基礎(chǔ)。若對每個面波測試點(diǎn)的頻散曲線進(jìn)行分層和層速度計算，確定各層的厚度，計算各層的橫波傳播速度，并對獲得結(jié)果進(jìn)行反演擬合處理，即可達(dá)到定量解釋的效果；同時對同一條測線上的相鄰點(diǎn)在垂直方向上相同的層速度連接起來，用一系列顏色代表逐漸遞增的速度，就可得到層速度彩色剖面圖上圖為面波測點(diǎn)的頻散曲線圖，下圖為根據(jù)頻散數(shù)據(jù)繪制的地層層速度彩色圖。紫藍(lán)綠色為基巖和風(fēng)化基巖，黃色、紅色為黃土和回填土。彩色圖中部75米處為原地形沖溝被黃土回填。經(jīng)大量工程實踐證明：等速彩色成果，具有能形象地直視地下地質(zhì)體的功能。采集地點(diǎn)：蘭州經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)，由西北市政設(shè)計院提供。

圖3.2：元磨高速公路5合同段滑坡（2臺階）

圖3.3：元磨高速公路5合同段滑坡（K245+850～K245+920）

圖3.4：元磨高速公路5合同段滑坡（K245+850～K245+920）

多道瞬態(tài)面波在云南元磨高速公路邊坡勘察中的應(yīng)用實例上圖為元磨高速公路7合同段邊坡實景照片及測線布置圖（紅線為布置的測線）工作目的：評價邊坡穩(wěn)定性和為邊坡錨固處置設(shè)計提供地質(zhì)資料工作步驟：垂直測線（沿水平臺階）布置面波檢