翻新时间：2022-10-26
瞬态面波勘探及应用
摘要：面波勘探是近年发展起来的一种新的浅层地球勘探方法，具有简便、快速、、分辨率高、成果直观、适用场地小等优点，已在许多领域得到应用，并取得了良好的应用效果。文章介绍了面波勘探技术的发展概况、探测原理、主要特点及其野外测试方法，对其应用范围及目前存在的问题作了说明，并给出一个应用实例。
关键词：瑞利面波 地震勘探 瞬态法 频散曲线
1 前言
面波勘探，也称弹性波频率测深，是国内外近几年发展起来的一种新的浅层地震勘探方法。面波分为瑞利波（R波）和拉夫波（L波），而R波在振动波组中能量最强、振幅最大、频率最低，容易识别也易于测量，所以面波勘探一般是指瑞利面波勘探。
人们根据激振震源的不同，又把面波勘探分为①稳态法、②瞬态法、③无源法。它们的测试原理是相同的，只是产生面波的震源不同罢了。
论文，报道了有关的研究成果。在稳态方面，直到80年代初，日本的VIC株式会社经过多年的研究试制，推出了GR－810佐藤式全自动地下勘探机，才使该项物探技术在浅层工程勘察工作中得以应用。通过几年的实践和初步研究，R波在岩土工程勘察中的应用大致分为以下几个方面：
⑴ 查明工程区地下介质速度并进行地层划分；
⑵ 对岩土体的物理力学参数进行原位测试；
⑶ 与民用的地基基础勘察；
⑷ 地下管道及埋藏物的探测；
⑸ 地下空洞、岩溶、古墓及废弃矿井的埋深、范围等探测；
⑹ 软土地基加固处理效果评价及饱和砂土层的液化判别；
⑺ 公路、机场跑道质量的无损检测；
⑻ 江河、水库大坝（堤）中软弱夹层的探测和加固效果评价等；
⑼ 场地土类别划分及滑坡等；
⑽ 断层及其它构造带的测定与追踪等。
2 勘探原理
综合分析表明R波具有如下特点：
⑴ 在地震波形记录中振幅和波组周期最大，频率最小，能量最强；
⑵ 在不均匀介质中R波相速度（VR）具有频散特性，此点是面波勘探的理论基础；
⑶ 由P波初至到R波初至之间的1/3处为S波组初至，且VR与VS具有很好的相关性，其相关式为：
此关系奠定了R波在测定岩土体物理力学参数中的应用；
⑷ R波在多道接受中具有很好的直线性，即一致的波震同相轴；
⑸质点运动轨迹为逆转椭圆，且在垂直平面内运动；
⑹ R波是沿地表传播的，且其能量主要集中在距地表一个波长（λR）尺度范围内。
依据上述特性，通过测定不同频率的面波速度VR，即可了解地下地质构造的有关性质并计算相应地层的动力学特征参数，达到岩土工程勘察之目的。
3 野外工作方法
应用瞬态法进行现场测试时一般采用多道检波器接收，以利于面波的对比和分析。当锤子或落重在地表产生一瞬态激振力时，就可以产生一个宽频带的R波，这些不同频率的R波相互迭加，以脉冲信号的形式向外传播。当多道低频检波器接收到脉冲形振动信号后，经数据采集，频谱分析后，把各个频率的R波分离出来，并求得相应的VR值，进而绘制面波频散曲线。
当选取两道检波数据进行反演处理时，应使两检波器接收到的信号具有足够的相位差，其间距△x应满足（λR/3）～λR，即在一个波长内采样点数要小于在间距△x内的采样点数的3倍，而大于在间距△x内的采样点数的1倍，该采集滤波原则对于不同的勘探深度及仪器分辨率和场地地层特性可作适当调整。
当采用多道检波数据进行反演处理时，虽然不受道间距公式的约束，但野外数据采集时也应考虑勘探深度和场地条件的影响。一般来说，当探测较浅部的地层介质特性时，易采用小的△x值并用小锤作震源以产生较强的高频信号，即可获得较好的结果；当探测较深部的地层介质特性时，易采用较大的△x值，并用重锤冲击地面，以产生较低频率的信号，使其能反映地下更深处的介质信息，达到岩土工程勘察之目的。
震源点的偏移距从理论上讲越大越好，且易采用两端对称激发，有利于R波的对比、分辨和识别，但偏移距增大就要求震源能量加大和仪器性能的改善。一般来说，偏移距应根据试验结果选取。就目前的仪器设备条件和反演技术水平，选用偏移距20～40m即可获得较好的测试结果。
由多道检波数据反演处理后可得一条频散曲线，一般把它作为接收段中点的解释结果。实际上该曲线所反映的地层特性为接收段内地层性质的平均结果，故当探测场地地下介质水平方向变化较大时，只要能满足勘探深度的要求，尽量使反演所用的接收段减小，以使解释结果更具客观实际。
4 工程应用
西部大开发十大项目之一的黄河沙坡头
测区地层岩性由上至下依次为：①覆盖层由全新统风积砂壤土、粉细纱和全新统冲洪积砂卵砾石组成；②下伏基岩由棕红色、紫红色砂质粘土岩组成，局部夹有砾岩。
为探测覆盖层厚度并进行地层划分，采用瞬态面波进行勘探。实测使用美国R24工程地震仪和4Hz低频检波器。室内数据处理使用SFKSWS，其流程为：输入面波记录文件→显示和检查实测曲线数据→圈定面波数据窗口→在F—K域搜索确定基阶面波频谱峰脊并拾取频散数据→按搜索确定的基阶面波频谱峰脊圈定出基阶面波频谱范围→生成面波频散曲线→地质分层（人工或自动）→绘制反演拟合曲线→打印输出结果。
R波在非均匀介质中传播具有频散特性，所以不同频率（波长）的R波具有不同的传播速度。模型试验和实测结果表明，当探测的岩土层介质较为均一时，R波的相速度随深度的加大而按线性增加，只有出现不同介质的分界面时，频散曲线会出现一个所谓“Z”字型变化，该变化特征是由于地表接收到的波从上一层漏能型波转入下一层漏能型面波，且此转折点与两介质间的界面埋深有密切的关系，由此可依据实测频散曲线的“Z”字型变化点来划分地下岩性变化的分界面。
图1 面波频散曲线解释成果与钻探结果对比图
图2 面波频散曲线解释成果与钻探结果对比图
5 存在问题
虽然面波探测技术在工程中的应用已很广泛，但实际工作中还存在以下问题：
⑴ 关于实测面波频散曲线的“Z”字型现象，从理论模型的解析中还不能精确地解释此现象。因为理论的频散曲线，在介质分界面处只出现折点，对此还需深入研究和数值模拟计算；
⑵ 对于面波勘探深度的确定，目前国内外大多采用半波长作为R波的勘探深度，此关系是一经验公式，但在实际工作中，应根据场地地质条件、探测对象以及孔旁测试对比结果等作适当调整；
⑶ 测试深度相对较浅，一般情况下可靠的测量深度为20～30m，最深不过50～60m。当测试深度加大时，震源信号就必须具有足够的低频信号，目前尚难满足此要求。由于低频时的R波值很少，使得下部频散曲线的点相对稀少，所以对解释精度影响较大。就该问题笔者建议由原来的算术坐标系改为波长为对数的单对数坐标系，可使低频段频散点稀少问题得以改观。
面波勘探作为一种新的浅层地球物理勘探方法，具有简便、快速、经济、分辨率高、适用场地小、应用范围广等优点，但对面波勘探理论的研究以及实际应用等有待进一步的深入和开拓，使之在生产实践中不断、完善和提高。
参考文献
⑴ 杨成林等 《瑞雷波勘探》北京：地质出版社 1993年
⑵ 胡钧等 《岩土工程瑞利波勘探新进展》《上海地质》1996年 No.2
⑶ 刘康和 《面波探测技术综述》《勘测》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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