物探瑞利面波勘探分解
矿井物探瑞雷波地震勘探
第8章 瑞雷波地震勘探
4）抗干扰能力强，不受井下各种交流电场的干扰； 5）只要介质有波速差异(不小于10 %) 就可以精确进行分辨 ，探测精度比较高，勘探的深度误差一般在5%以内。 6）在高泊松比介质中，面波波速接近于横波波速，并具有相 关性，即面波波速与介质的物理力学性质密切相关。
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以上是指在均匀、各向同性介质表面的情况。在实际观测中，各种岩石都是 成层的非均匀介质。在这样的介质表面，所观测到的瑞雷面波将是频散的；也就 是说，瑞雷波的速度将与频率有关，是频率的函数。这样，在成层的非均匀介质 的自由表面，所观测到的瑞雷波应是频散的，质点运动呈椭圆形的，其振幅随界 面深度加大而呈指数下降的一种面波。
矿井物探瑞雷波地震 勘探
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第8章 瑞雷波地震勘探
1887年，Rayleigh首先发现了瑞雷波的存在并揭示了瑞雷波在弹性半空间介质 中的传播特性。20世纪50年代初人们又发现了瑞雷波的频散特性，随之开始了利 用天然地震记录中的瑞雷波探测地球内部结构的研究。
我国瑞雷面波法工程勘探的研究始于20世纪80年代中期，1987年，铁路系 统首先引进GR-810型面波勘探仅用以解决铁路和公路路基的勘探问题。
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§8.3 瑞雷波勘探的应用
8.3.2 洞穴界面的异常特征
洞穴曲线的பைடு நூலகம்断
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§8.3 瑞雷波勘探的应用
8.3.2 洞穴界面的异常特征
洞穴曲线的错断
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§8.3 瑞雷波勘探的应用
8.3.2 洞穴界面的异常特征
洞穴周围的曲线
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8.3.3 矿井探测应用
淄博葛亭矿运输巷掘进前方异常体瑞雷波法超前探测结果图
瑞雷面波勘探法的资料处理与解释
瑞雷面波勘探法的资料处理与解释徐元璋;高桥松【摘要】瑞雷波常称为面波.瑞雷面波勘探方法是一种新型的地球物理勘探方法,是近期发展起来的一种浅层工程地球物理新方法.瑞雷面波勘探法最基本的理论是其频散特性.当介质为半无限弹性介质时,在自由空间和弹性介质分界面上将会出现一种波,这就是瑞雷波.面波勘探法主要有稳态法和瞬态法,两种勘探方法的区别在于震源不同,前者是以一单频率的瑞雷波来获取速度曲线,而后者需要分析叠加在一起的瑞雷波.两种方法最后得到的结果相同,但实现的技术路径截然不同,表现出各自的特点.【期刊名称】《工程地球物理学报》【年(卷),期】2013(010)001【总页数】5页(P76-80)【关键词】瑞雷波;频散特性;稳态法【作者】徐元璋;高桥松【作者单位】长江大学地球物理与石油资源学院,湖北武汉430100;长江大学地球物理与石油资源学院,湖北武汉430100【正文语种】中文【中图分类】P631.41 引言瑞雷波常称为面波，它的大部分能量集中在自由表面附近的小区域内并沿界面传播。
瑞雷波是介质中纵波和横波耦合的结果，具有传播速度低、水平方向衰减小、抗干扰强等特点［1～3］。
瑞雷波勘探方法是一种新型的地球物理勘探方法，是近期发展起来的一种浅层工程地球物理新方法，由于该方法操作简单、探测速度快、能够一次获得与深度有关的地层面波速度参数的特点，因而在工程地质勘察和工程质量检测领域得到了广泛的应用［4，5］。
本文介绍了瞬态瑞雷波法的原理及其相应的数据处理和解释方法。
通过面波的频散曲线可对浅部地下岩层进行速度分层，并通过瑞雷波的速度转换为横波速度，分析岩土的性质及介质的变化，并且还可以调查地层中的软弱夹层、地下空洞等，与折射波相比，面波法反演地层具有其无可比拟的优点。
2 瑞雷面波勘探法的原理在一个均匀弹性半空间内，假设表面是自由界面，设其下均匀弹性介质的密度为ρ、弹性常数λ、μ，以xoy面为自由界面的表面，z轴轴无关垂直向下，建立直角坐标系，瑞雷面波在zox平面内传播，使这些扰动与y无关，既而简化为二维问题［6，7］。
面波法勘探在工程勘察中的应用
地震波是地震震源在地球介质中产生的扰动。在有介质分界面存在时，地震波除了像反射波和折射波那样在整个介质体内传播的体波外，还存在一类沿介质自由界面传播的面波，当它沿着自由表面传播时，其能量主要集中在自由表面附近，并随着深度的增加能量迅速衰减。面波按其类型主要有瑞雷面波和勒夫面波两大类。
采样间隔：0.25ms
每道采样数：2048
道数：12道
道间距：2m
偏移距：各点取4m和8m各采集一组数据
观测系统
测试中沿河堤走向布置测线，等间距设置6个测点（CD1~CD6），总覆盖长度约140m。
2、数据分析和处理
对所采集的数据按本文所述方法在时间-空间域和频率-波数域进行初步处理和分析，发现测区面波数据呈现两类不同的特征：
3．3层速度的计算方法
1、瑞利波速度
层速度计算一般采用近似计算方法，即近似的认为瑞雷波传播速度代表某一深度内各层波速的加权平均值。分层速度由下式计算：
速度 随H增大而增大时：
(3-2)
速度随深度减小时：
(3-3)
式中： 为第n点深度；
为第n-1点深度；
为n点深度以上平均波速；
为第n-1点深度以上平均波速；
面波法勘探在工程勘察中的应用
面波法勘探在工程勘察中的应用
摘要
在近地表勘探工作中，常用的方法有地质钻探、地震折射和反射等方法。地质钻探方法比较可靠，但是成本高，且具有破损性；地震折射方法和反射方法对于波阻抗差异较小的地质体界面反映较弱，不容易分辨，特别折射波法要求下层介质的速度一定要大于上层介质的速度，如果地层存在低速夹层和速度倒转，则折射法将无能为力。瑞雷面波勘探法是一种新型的地震勘探方法，能够弥补传统方法的不足。本文就是研究如何利用瑞雷面波的频散特性进行浅层地质勘探检测。
第二章2-1面波勘探的基本原理
第⼆章2-1⾯波勘探的基本原理第⼆节瑞雷⾯波法⾃1887年英国学者瑞雷从理论上证明了瑞雷⾯波的存在以来，⼈们曾对⾯波的形成和传播特征做过许多研究，但长期以来，它却⼀直被认为是地震勘探中的⼀种⼲扰波，没有利⽤价值。
上世纪六⼗年代开始，国外有⼈开始研究瑞雷⾯波的有效利⽤问题。
到上世纪⼋⼗年代，瑞雷⾯波的传播特性及利⽤⽅⾯的研究成为世界⼯程地球物理勘探同⾏们的研究热点。
⽬前，瑞雷⾯波勘探法在我国已经得到⼴泛应⽤，现在⼏乎国内外所有的浅层地震勘探仪都配有瑞雷⾯波勘探的功能。
尽管其应⽤已经如此⼴泛，但瑞雷⾯波勘探的理论问题、仪器问题和处理解释问题还并没有得到很好的解决。
也就是说，瑞雷⾯波勘探在技术及理论⽅⾯还有⼤量的⼯作要做。
§2－1⾯波勘探的基本原理2.1.1均匀半空间瑞雷⾯波的形成地表震源不仅激发纵波和横波，同时由于纵波和横波的相互⼲涉叠加，会出现波形的转换，使地下介质质点按⼀定的轨迹运动，形成⼀种新的、能量很强且主要集中在地表附近的波动。
由于这种波是1887年由瑞雷从数学上证明其存在的，故称为瑞雷⾯波。
关于瑞雷波的推导如下：条件：⾃由界⾯以下为半⽆限均匀弹性介质，介质的弹性常数为λ和µ，密度为ρ，x、y轴取在⾃由表⾯上，z轴垂直向下。
设瑞雷波速为V，在zox平⾯内沿x轴⽅向传播，在y轴⽅向的振幅和相位完R全相同，及只讨论平⾯⼆维情况。
令其势函数为：)()(t x ki R e z f ω?-= )()(t x ki R e z f ωψ-=和ψ分别满⾜下列波动⽅程：22221tV P ??=??22221tV S ??=?ψψ将?、ψ代⼊上式，可得：0)(2222=--f k k dzf d P R0)(2222=--g k k dzg d S R 其中，PP V k ω=，SS V k ω=，RR V k ω=。
上式的解为：z z Ce Ae f αα+=- z z De Be g ββ+=-式中：22PR k k -=α，22S R k k -=β。
第三章第二节 瑞雷面波法
相干函数定义为：
R()
S
21
(
)S
21
()
S11 ()S22 ()
图3-56 （a）瞬态面波记录的相干函数（b）互功率相位谱
p 变换
2、当前主流的瞬态面波勘探法
（1）观测系统 偏移距的选择 道间距的选择 检波器的选择 记录长度的选择 （2）面波的激发 （3）资料处理 （见下页）
2、当前主流的瞬态面波勘探法
之所不及。这是因为在同一介质中，瑞雷波的速度较 其他类型的弹性波传播速度要小，且只在表层某一深 度内传播所致；
一. 瑞雷面波的优点:
（7）瑞雷波法基本不受各地层速度关系的制约。折射 波法要求下伏地层的速度要大于上覆地层的速度， 反之则为勘探中的盲层；反射波法要求各层之间具 有波阻抗差异。而且，以上两种方法均要求层与层 之间的波速或波阻抗具有较大的差异。瑞雷波法则 不同，只要求之间具有波速差异即可。即使只有 10%的波速差异，也可进行精确的分辨；
图3-59 同相轴 图3-58 提取面 清晰、相位多 波窗口（虚线框） 的面波记录
c. 同相轴的斜率改变
引起面波同相轴改变的原因主要有两种：
（1）有高阶面波存在（图3-60） （2）地层中有局部地质体或岩性突变面存在（3-61）
图3-60 高阶和基阶面波共存的情况 图3-61直立界面存在时的面波记录
频散曲线的计算方法
二维傅立叶变换法
图3-62 时间-空间域到频率-波数域的二维傅里叶变换示意图
频散曲线的计算方法
图3-64 根据波长计算的面波频率曲线
图3-63 频率-波数域的面波信号
频散曲线的计算方法
图3-66高阶与基阶面波在频率-波数域中的状态
图3-65 高阶与基阶面波同时存在
岩溶地区工程地质合理的勘察方法及探测技术
岩溶地区工程地质合理的勘察方法及探测技术摘要：岩溶指可溶性岩石，特别是碳酸盐类岩石(如石灰岩、石膏等)，受含有二氧化碳的流水溶蚀，有时加以沉积作用而形成的地貌。
往往呈奇特形状,有洞穴、石芽、石沟、石林、溶洞、地下河也有峭壁。
岩溶不仅可能导致重大地质灾害的发生，如地面塌陷、山体崩塌等，也给工程建设的本身带来了诸多不利影响，尤其是隐伏岩溶的存在，危害更大。
因此，在岩溶地区进行工程建设时，如何科学有效地对岩溶的影响和危害进行合理评价显得十分重要。
本文从西南地区常见的岩溶地质出发,探讨了岩溶地区工程地质勘察的方法及探测技术，供同行参考。
关键词：岩溶地质；勘察；探测技术Abstract: the karst rock to soluble, especially of carbonate rock (such as limestone, gypsum, etc), containing carbon dioxide by the running water dissolution, sometimes to deposition and the formation of the landscape. Often a peculiar shape, a cave, a Clint, stone ditch, stone forest, cave, underground river also have cliffs. Not only can lead to significant karst geological disasters happen, if the ground subsidence, landslides and so on, also to the project construction itself brings about many adverse effects, especially concealed karst existence, more harmful. Therefore, in the karst area for engineering construction, how to scientifically and effectively to the influence of the karst hazards and reasonable evaluation is very important. This paper, from the southwest common karst geological tries to explore the karst area engineering geology prospecting method and detection technology, refers for the colleague.Keywords: karst geological; Reconnaissance; Detection technology一、岩溶地质的形成岩溶(又称喀斯特)，是指流水对可溶岩石(碳酸盐岩、硫酸盐岩、卤化物盐岩等)进行以化学溶蚀作用为主要特征(包括水的机械侵蚀以及物质的运移与再沉淀) 的综合地质作用，以及由此产生的各种现象的总称。
瑞利波勘探原理及应用实例[1]
![瑞利波勘探原理及应用实例[1]](https://img.taocdn.com/s3/m/a5d6f4d88762caaedd33d4b8.png)
工作量小, 仪器操作易于掌握。 地面资料处理不用专业人员处理, 智能化程
度高, 5 分钟内显示现场初步处理结果; 仪器探 测距离大、对小信号也有较高的识 别能力, 探测解 释距离可 超过 80m。 但仍 存 在 以 下 问题 还 需 改 进:
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吴迪等: 瑞利波勘探原理及应用实例
第 10 卷 第 5 期
图 6 1427 运料巷测点原始数据曲线
界。经钻探后确定的 X416 陷落柱边界如图 5 中实 线所示, 与瑞利波探测的边界( 如图 5 中虚线所示) 对比可以看出, 探测结果基本吻合。
图 7 1427 运料巷瑞利波探测结果
具体位置对比情况如表 1 所示。其他突起异常
可能由于岩性密度变化或地质分层引起的, 由于数
据未根据本矿实际地质资料进行校正处理, 故处理
结果可能会有一定误差。
表1
探测距离对比表
单位: m
测点 探测距离 实际距离
测点 1 11
11 5
测点 2 18
18 4
测点 3 30 26
测点 4 27 24
4 结语 通过此次勘探, 说明了瑞利波探测技术在探测
2 杨成林 瑞雷波勘探[ M ] . 北京: 地质出版社, 1993 3 崔 占荣、张世洪、张俊喻 瞬态瑞雷波勘探中一些问题 讨
论[ J] . 物探与化探, 1997( 5) 4 李公正 瞬态 瑞利 面波技 术探 测原理 及其 应用[ J] . 矿
产与地质, 2003( 5) 5 潘秋明 瞬态瑞利波探测技术及其在矿井地质中的应 用
探测地点: 1427 运料巷; 探测时间: 2007 年 8 月 10 日上午; 探测目的: 煤巷侧邦 内部 X416 陷落柱边 界位 置探测; 探测模式: 巷道侧邦水平深层模式; 采样频率: 4000H z; 记录长度: 2048; 叠加次数: 5 炮;
物探-瑞利面波勘探-文档资料
所谓频散---就是指相速度随频率而改变的现 象
瑞利波的频散特性与波场分布空间内介质的 物质成分、结构、密度、孔隙度等因素有关。 实际上，由于瑞利波的穿透深度约为一个波 长，因此，在地表测得的瑞利波波速被认为 反映小于一个波长的某一深度范围内介质的 平均弹性性质。不同的频率有不同的波长， VR的变化反映了不同深度内介质平均性质的 改变，也就是说非均匀介质中面波的频散特 性决定了进行面波勘探的可行性。
即面波按r-1衰减，体波按r-2衰减。面波比体 波传播的更远！
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§4-2 瑞利波的勘探原理
瑞利波勘探是根据：①瑞利波传播于介质的自由表层， 只要存在波动就会有瑞雷波的存在；②在均匀介质中， 瑞利波的传播速度与频率无关，即没有频散性；③瑞利 波的频散特征主要取决于剪切波速度及各层厚度； ④瑞 利波的波长与勘探深度有关，传播速度接近横波速度。
堤坝危险性预测、桩基入土深度探测等
6
R波法与其它波动法的对比特点
浅层分辨率高----可确定厘米级裂隙； 不受地层波阻抗关系的影响。R波只要求地层有
速度差异，波阻抗相同也能精确分辨； 建筑场地波速测试无需钻孔测试效率高，而且能
够较可靠地测定浅层的波速。但R波法也存在试 验场地较大，深层测试结果精度不如跨孔法等缺 陷； 测试深度浅。
P、S、R波速与泊松比的关系
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二、R波质点的振动
R波质点位移方程：
k1 kR 2 1 R1 z
sin2
f
t
x VR
uz
A02ceR1 z
k e 1 kR1 z
2
co2sf
t
x VR
10
k1 kR 2 1m n22
1R21m2
C
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位移振幅矢量曲线
从图中还可看出，ux在(Z/λR) = 0.1～0.2之间变化符号，ux是正弦 函数，uz是余弦函数，所以当ux、uz同号时Z=0，两者合成之后形成的 质点振动轨迹为一逆时针方向转动的椭圆；不同号时，质点振动轨迹
为一顺时针转动的椭圆。
三、R波在非均质中的频散
从地震波的频谱理论中可知．实际的波动极 少为单叠加。物理学上，单频波 的传播速度称为相速度V（或相位速度，常指波 峰或波谷的传播速度），各单频波叠加总振动的 极大值（或能量最大值）的传播速度称为群速度 U。在地震学中，群速度就是地层介质的速度。
于1/r。
即面波按r-1衰减，体波按r-2衰减。面波比体 波传播的更远！
§4-2 瑞利波的勘探原理
瑞利波勘探是根据：①瑞利波传播于介质的自由表层， 只要存在波动就会有瑞雷波的存在；②在均匀介质中， 瑞利波的传播速度与频率无关，即没有频散性；③瑞利 波的频散特征主要取决于剪切波速度及各层厚度； ④瑞 利波的波长与勘探深度有关，传播速度接近横波速度。
在均匀介质中，不同频率成分的面波 相速度相同，因此相速度等于群速度，即 VR与频率无关，因而实测得到的波速就是 介质的波速。
而对于非均匀介质，由于面波的相速 度与频率（或波长）有关，因此不同频率 的单频面波都按自已的相速度传播，于是 各分振动的相位差随波的传播而改变，从 而导致由分振动叠加的速度不等于相速度， 即为频散。
二、R波质点的振动
R波质点位移方程：
k1 kR 2
1
m2 n2
k1 kR 2
1 m2 n2
C
1 m2
1 n2
2 m
n
VP VS
,
m
VR VS
m
、k是瑞雷波衰减系数 R、f 是瑞雷波波长和频率
A0 是任意常数
从方程可看出：当Z→∞时，Ux→0、 Uz→0，即x、z方 向的位移为0，说明传播深度有限；Ux、Uz在相位上相 差（π/2）。由此可得出结论---x、z方向合成后，R波 使介质质点沿椭圆轨迹运动，且传播深度有限。
表面波法的提出
传统岩土勘察的S波测试试验中需在地层中钻孔，并且在 软弱土层中还应下套管和进行回填灌浆，工期较长，费 用较高；
在浅部测点试验中，信号易受干扰；波传播路径复杂， 致使测试结果不便应用；
另一方面，地震勘测中的折射波法和反射法虽然不需钻 孔，但它们在测定S波速度时也有如下缺陷:
在地面上接收地层界面反射波或折射波，易受环境和R波的干扰， 折射波法要求待测地层中波速沿深度递增，而软弱夹层往往又 是工程勘测中的主要任务，显然此法不能满足这种要求。
§4-1 瑞利波的波场特征
一、R波的传播速度
VR/Vs
0.95
0.88 0 0.1
σ 0.5
瑞利面波波速的3个 特点：
（l）在相同介质中，纵 波波速最快，横波次之， 瑞利波最慢 （2）VR与Vs呈近似线 性关系 （3）VR与频率 f 无关， 表明在均匀介质中面波 无频散现象。
P、S、R波速与泊松比的关系
堤坝危险性预测、桩基入土深度探测等
R波法与其它波动法的对比特点
浅层分辨率高----可确定厘米级裂隙； 不受地层波阻抗关系的影响。R波只要求地层有
速度差异，波阻抗相同也能精确分辨； 建筑场地波速测试无需钻孔测试效率高，而且能
够较可靠地测定浅层的波速。但R波法也存在试 验场地较大，深层测试结果精度不如跨孔法等缺 陷； 测试深度浅。
瑞利波勘探的理论依据
在分层介质中R波具有频散特性 R波的波长不同，穿透深度也不同 R波的传播速度与S波的传播速度具相
关性
R波法可解决的浅层地质问题
1. 工程地质勘察—分层 2. 地基加固处理效果评价 3. 岩土物理力学参数原位测试 4. 地下空洞及掩埋物探测 5. 公路、机场跑道质量无损检测 6. 饱和砂土层的液化判别 7. 其它方面：基岩完整性评价、滑坡调查、
质点振动特点：
沿逆时针椭 圆轨迹运动， 振幅随深度 迅速衰减， 且衰减系数 与波长λ成 反比，说明 波长越大传 播的深度越 深。
从图中可以看出 对于不同的介质， 瑞利波水平和垂直 位移的主要能量均 在(Z/λR) ＜1的深 度内，即认为瑞利 波的穿透深度为一 个波长、且主要能 量集中在λR/2的 范围内。
根据震源信号的特点不同，瑞利波勘探分为稳态法和瞬 态法两种。
一、稳态法测试
稳态振动法用稳态震源实测地层的瑞利波频散曲 线，并按反算方法求地层剪切波速度。
进行稳态振动法试验时，先在离简谐激振器一定 远处（以保证接收的是瑞利波信号）固定检波器i， 检波器j的位置可变动，根据两检波器距离和相位 差（或同相位时差）以及激振频率求出瑞利波速 度；改变激振频率，重复上述工作，最后可得R波 频散曲线
所谓频散---就是指相速度随频率而改变的现 象
瑞利波的频散特性与波场分布空间内介质的 物质成分、结构、密度、孔隙度等因素有关。 实际上，由于瑞利波的穿透深度约为一个波 长，因此，在地表测得的瑞利波波速被认为 反映小于一个波长的某一深度范围内介质的 平均弹性性质。不同的频率有不同的波长， VR的变化反映了不同深度内介质平均性质的 改变，也就是说非均匀介质中面波的频散特 性决定了进行面波勘探的可行性。
四、R波的激发能量
实验证明，当在圆形振板上作上下激振时， 激发出的R波、P波、S波的能量为：R— 67%，P—7%，S—26%。R波的能量 占总能量的2/3。
五、R波的衰减
由于面波的波前面为高约λR的圆柱体，其波前面
积与 r 成正比，能量衰减则与
成正比；而体波
波前为半球形，波前面积正比于半径r2，能量衰减正比
第四章
瑞利面波勘探
本章内容要点
了解瑞利波的波场特征 掌握面波勘探的基本原理 了解瑞利面波勘探的工作方法 掌握面波频散曲线的特征 了解资料处理过程及掌握解释方法 掌握面波勘探在工程方面的应用
瑞利波法的发展历程
1887年由英国学者Rayleigh在理论上确定 20世纪50年代发现R波的频散特征 60年代起计算机应用于R波的频散研究 70年代出现人工激发瞬态R波法勘探(美国) 80年代初出现稳态R波法勘探（日本） 87年起我国开始R波法的试验研究