瑞利波的故事

瑞利波的故事方谦光有一次大文学家苏东坡和妹夫秦少游在湖边散步，随手捡起了一块小石子儿扔进平静的湖水之中，水中激起一朵小小的浪花，随后形成一道道的圆形的波纹，一圈圈地不断扩大向四周散去。

于是苏东坡指着这一圈圈的波纹对秦少游说：「你知道什么是『波』吗？波乃水之皮也」。

秦少游说：「如果说『波』乃水之皮，那么『滑』是不是水的骨头呢」？这么大的一位苏学士一时被问的语塞。

暂且不论「波」是不是水的皮和「滑」是不是水的骨头，在自然界确实存在着那么一种类似于在液体表面受到扰动后形成的波，一般称之为「面波」。

这种波沿着与大气层接触的地表面滚动着向四周传播，因此也称之为「地滚波」。

地滚波携带着巨大的能量，因此在地震发生时给地面建筑物造成极大程度破坏的就是这种地滚波。

在19世纪末英国物理学家瑞利(Rayleigh)研究发现在半空间(上部接触大气层的地表面)存在着一种类似于在液体表面上形成的波。

这种波是由自由界面半空间内传播的纵波与横波相互选加形成的一种特殊的振动，振动的方向是以逆时针方向转动，呈椭圆轨迹传播，此椭圆水平轴与垂直轴之比为2/3。

人们为了纪念这位物理学家就把这种波定名为「瑞利面波」，简称「瑞利波」。

通过进一步的研究发现瑞利波有很多奇特的性质：首先是瑞利波沿自由表面传播的速度与横波的速度相当，大约是横波速度的0.9倍，是纵波速度的0.5倍。

从仪器上可以清楚地观察到，首先到达是纵波，其次是横波，最后到达的波才是瑞利波。

从能量上来看，瑞利波占震动总能量的67%，横波占总能量的26%，纵波只占总能量的7%，因此从仪器记录到的波形记录上，从振动的幅度就很容易识别出瑞利波、横波和纵波。

当瑞利波垂直自由表面向下传播时，最多只能传播到一个波长的深度，其中的大部分能量都集中在1/2波长的深度范围之内，人们由此就想到可以利用不同波长的瑞利波来探测不同深度的地层。

同时瑞利波还有一种特殊的性质，就是当瑞利波向下传播到两种物质的分界面(如土层和岩石)时，瑞利波就分解成了纵波和横波。

这种波的散射现象又叫做「频散」，是瑞利波的重要特征之一，人们正是利用观察到的频散现象，来区别和划分地层。

既然弄清楚了瑞利波的这些特征，瑞利波又有什么用途呢？首先人们想到利用瑞利波的这些特性进行地质探测。

1940年前后，美国军方曾研究利用瑞利波来进行飞机场地下探测，不知是什么原因，没有能取得什么成果，后来就放弃了。

1976年日本地球物理学家佐藤长范经过了十八年的努力，终于研制成功了第一台完全利用瑞利波原理的探测仪器--佐藤式全自动地下探查机，于1985年第一次运到北京来表演和公开展示，引起了国内工程物探界的重视。

我刚刚调到铁道部的基本建设总局，负责物探专业，因此对一些新的方法技术当然格外留意。

我详细地考察了这个佐藤式全自动地下探查机的结构和原理。

这架机器有点向一个车载的物理实验室，车上装有一部大功率的汽油发电机提供电力，仪器的震源是一个自重为350公斤，能够产生250公斤激振力的电磁式激振器，可以根据需要产生稳定的电磁振动，频率范围从3000周/秒~0.5周/秒连续可调，其作用是能使得被探测地层产生固定频率的强迫振动。

其接收系统是两个能把振动信号转变为电流信号的检波器，这两个检波器安装在震源的同一侧，三点一线一字在地面上排开，始终保持固定的距离。

当激振器产生振动时离震源较近的检波器A先接收到振动信号，离震源较远的检波器B后接收振动信号，这两个电流信号同时被输入到装在车上的地震仪里，人们可以通过双线的示波器同时观察到一前一后的两个信号，同时可以在演算器里把这两个信号之间的时间差计算出来，送给计算机。

既然两个检波器间的距离是固定的而且已知，又有了从A到B 之间的时间，根据时间和距离很容易地求出波传播的速度。

震源振动的频率是人为事先设定的，是已知数，因此就可以根据频率和波速很容易求出波的长度。

前面我们已经提到过，瑞利波的主要能量都集中在向下传播的1/2波长的深度之内，由此可以认定1/2波长为瑞利波探测的深度。

通过仪器内的计算机简单的计算之后把结果通过打印机，打印到记录纸上。

在记录纸上的横坐标表示速度，纵坐标垂直向下反应勘探深度。

在速度一定的情况下频率越高波专越短，反应的勘探深度越浅，反之，频率越低波专越长，反应勘探深度也就越大。

可见仪器的整个操作过程是人为控制仪器激振的频率，从高到低，也就是3000周/秒开始为第一个点，使仪器产生3000周/秒的强迫振动，待振动稳定之后，通过检波器接收电流信号输入计算机进行多次采样和计算，把相应的计算结果，即深度--速度的坐标点，打印到记录纸上。

当这一频点的记录完成之后，再变转一个频率，例如第二点的频率人为选定为2800周/秒，再记录下第二个点，依次降低频率，一直到0.5周/秒，这时的瑞利波记录也就是由若干个点所连成的一条曲线，人们便可以通过这条曲线看出瑞利波速在垂直方向上的变化，从而判断出地层在垂直方向上的变化。

如果在某个深度上波速发生了变化，或是发生了「频散」现象，这里可能就是地层界限，反应出了地层中的变化。

整个的勘探过程是一个频点、一个频点地进行的。

一条完整的曲线要有上百个频点组成，要完成0~40米深度的勘探，顺利的话差不多要两个半小时的时间，如果不顺，一条曲线要做上大半天。

虽然效率不高，但还是比钻探省力、省时间，找地下洞穴的效果也还不错，这种方法看来还是有一定的优点，不管怎么说瑞利波勘探还是给地球物理工作者增加了一种新的勘探手段。

1987年前后，铁道部的一项重大的技术改造项目--京广复线工程即将全线贯通。

京广铁路复线工程中最艰巨的工程一个是长度超过10公里的大瑶山隧道，另一个是长约6.8公里南岭隧道。

南岭隧道位于湖南和广东两省交界处，隧道穿过南岭，南岭是长江水系与珠江水系的分水岭。

南岭隧道所穿过的地层大都是石灰岩构成。

大家都知道石灰岩是一种可溶性的碳酸盐岩石，其主要的化学成份是碳酸钙。

碳酸钙在水和二氧化碳的共同作用下生成了可溶性的碳酸氢钙而被水流带走，在地下水长期的溶蚀作用下，沿着岩石中的缝隙形成了大大小小，千奇百怪的「喀斯特」溶洞，甚至可以形成可容纳数百人的喀斯特「大厅」。

溶洞内还会生长出奇特的石笋、石钟乳和石柱。

喀斯特地区风景秀丽，如广西的桂林山水，有甲天下之称，著名的溶洞有七星岩和芦笛岩等风景名胜。

喀斯特地区对于旅游和探险的人们来说，倒是颇有诗情画意，但对于铁路工程来说，喀斯特则是铁路的最大隐患，是危及铁路安全的大敌。

在南岭隧道的开凿过程中，遇到最大的困难就是「喀斯特」岩溶问题。

在掘进的过程会突然发生突泥和突水，有时发生塌方和冒顶，几度因发生严重的事故，工程而被迫停工，六公里长的隧道差不多用了十年的时间才打通。

隧道虽然贯通了，可是隧道底下的情况仍然弄不清，不知道隧道底下究竟有没有洞，如果事先勘察不清，通车以后就会发生严重的问题，后果也将无法预料。

岩溶勘探对工程物探界来说是个非常棘手的世界性的难题，尤其是在隧道里进行探测谁也没有做过，很难说有多少把握。

此时常驻铁道部的日本专家说：「利用日本先进的仪器和技术，能够查明南岭隧道内的岩溶问题」。

铁道部采纳了日本专家建议，于是日本海外协力协会派出代表团就此事与铁道部进行谈判。

我作为中国铁道部一方的成员参加了谈判的全部过程。

在谈判整个过程中双方争论最激烈的焦点是对岩溶探查的准确性如何评价的问题。

日方认为他们派出日本最有经验和最有权威的专家，同时有最先进的技术和最新研制成功的佐滕式全自动地下探查机，可以保证探查结果万无一失，因而对日方提出结论不容怀疑。

中方则坚持认为，日方的探查结果中方要以钻探的方法加以验证，经验证无误后中方才能同意付款。

经过反复争论之后，日本方面最后同意中方的意见，以钻探方法来验证，可又对中方提出验证的数量及准确率发生了争议，中方提出要百分之百的进行验证，其准确率不能低于80%。

日方认为中方提出来的要求过高，经过几番讨价还价，中方也适当地进行一些让步，最后双方确定钻探验证的地点定为10处，验证的准确率不能低于60%，也就是在日方指出10处溶洞的地方，经中方钻探验证起码有6个以上是正确的，就算日本的这次探查工作成功。

经过双方漫长而艰苦谈判后，终于算达成协议，按照国际惯例签正式合同。

合同金额大约2亿4仟万日元(约合240万美金)，工期为两个月时间，主要工作由日方来实施，中方技术人员全力配合。

签字仪式在北京的四川饭店举行，仪式后是正式的宴会。

在四川饭店当然上的都是正宗的川菜，川菜离不开辣椒，辣得日本人一个个满头大汗，口鼻生烟。

这只不过是个序幕，而真正让日本人冒汗的日子还在后面呢！正式合同签订了，就具有法律效力，双方必须履行，一切如期进行。

1997年6月日本方面的技术人员及官员准时抵达南岭隧道工地。

为首的是日本工程界最有经验的权威专家持田丰，他曾参与过日本有名海底隧道清涵隧道的建设，同时是穿越英吉利海峡连结英法两国的海底隧道的技术顾问。

随行技术人员按照工作方法分成四个组，第一组为瑞利波法，第二组是地质雷达，第三组为电法勘探，第四组为地温调查。

对我们来说，只有瑞利波是新技，其他的三种方法我们都已经掌握，也没有什么新奇。

此时瑞利波仪器--佐藤式全自动地下探查机也已经由日本用船运抵广州的黄埔港码头，为了安全中方还专门派了警车护送，由黄埔港把仪器车开到南岭隧道工地。

中方为这次调查工作做好了一切前期准备。

工作正式展开以后不像日本人预期的那样顺利。

首先是地质雷达进入隧道之后，由于电磁波受到来自隧道内的各种电力电缆和各种电力机械的干扰，各种各样的电磁波都迭加在一起，就算是利用美国最先进的地质雷达也无法分辨出哪是有用地质信号，哪是干扰信号。

电法勘探遇到的麻烦是隧道内的金属物品太多，如运输矿车的钢轨，各种通风和输水的管道，这些金属物对实施电法勘探带来无法避免的干扰。

地温调查则只能作为一种辅助手段，不能起决定的作用。

以上三种方法在隧道里都遇到不同程度的问题，唯一的希望只能寄托于瑞利波法，也就是佐藤式全自动地下探查机，这是他们最后的看家武器了。

为了慎重，佐藤式全自动地下探查机也没有冒然开进隧道。

先在隧道外找了一处已知地下有岩溶的地方先试一试，在洞外试验的结果基本与已知的情况一致，在地下25处果然有岩溶洞穴的反应，大家都松了一口气。

可万没想到佐藤式全自动地下探查机进了隧道可就完全不听使唤了，根本做不出一条正常的曲线，所打印出的结果不是曲线回折，就是发生「离散」，要不然就像是个「马蜂窝」混乱一片，没有一条能用的曲线。

负责瑞利波法的日本专家是佐藤公司的渡部仪一，是个光头小个子，一会把车向前移，一会儿又把车往后退，翻来覆去调整仪器的参数，急得光头上冒出了大汗，比那次在四川饭店吃辣椒时冒的汗要多多了，嘴里「八格」、「八格」骂个没完。

我全程陪同日本人在隧道里呆了两个月的时间，不禁对先进的瑞利波法产生了种种疑团。