第三章第二节 瑞雷面波法

1985年，Stoke和Natalie采用锤击震源,通过两个检 波器之间波的互谱相位信息求取面波的相速度，成 为最初的瞬态面波勘探试验。
三.关于瑞雷面波勘探的历史
我国瑞利面波勘探研究始于70年代，最初开展的工作 主要是在基础块上进行稳态面波测试研究。由于当时 的技术条件满足不了地基土分层的需要，因此，其试 验研究工作曾一度沉寂。80年代初日本VIC公司推出 GrR810佐藤式全自动地下勘查机后，数次来中国表演， 引起了我国工程物探界的广泛兴趣。但由于设备昂贵， 购置此仪器的单位迄今仅有两家。80年代后期，我国 开始自行研制仪器设备并开展瑞利面波法勘探的试验 研究。1989年，杨成林利用Terrlog浅震仪配合国产可 控震源和自行研制的附属设备，组成稳态瑞利面波勘 探系统，进行一系列试验研究，并用于第四系地层分 层和地基处理效果评价中，揭开了我国稳态法瑞利波 勘探的序幕。
三.关于瑞雷面波勘探的历史
之后，时福荣提出用互相关法计算稳态瑞利波的 传播速度，以克服最初采用的同相痊时间法抗干 扰能力差的不足。朱裕林将GR810全自动地下勘 探机用于建筑地基勘察、软土地基加固效果评功 价和人工洞穴及岩溶探测也取得了一定的效果。 1990年，陈云敏、吴世明等用瞬态法测量机场跑 道地基的剪切波速，并提出用相干函数法判别信 号有效性，用互谱法求取频散曲线。这是我国瞬 态瑞利面波勘探的开端。
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；
§2－1面波勘探的基本原理
本节请同学们复习以下几个问题： 瑞雷波的形成机理； 瑞雷波的传播特征：包括瑞雷波的质点振动特
性，穿透深度与波长的关系，与横波速度和泊 松比的关系以及瑞雷波的衰减特性等； 层状介质中面波的频散特性，相速度和群速度 的概念及二者之间的关系； 面波的基阶模态和高阶模态以及高模波的特点。
第二节 瑞雷面波法
主讲: 肖柏勋 长江大学地球物理与石 油资源学院
§2－0 引言
一. 瑞雷面波的优点:
（1）在接收的地震信号中，瑞雷波的能量最大，其 频率低、传播速度慢，故在波列中易于识别；
（2）纵波、横波的波前相对激发点呈球面扩散，而 瑞雷波的波前则是呈圆柱面扩散。瑞雷波沿深度 方向衰减快，仅存在于大约一个波长的深度内； 而沿水平方向的能量密度随着传播距离按衰减， 这比球面扩散的体波能量密度按衰减要慢得多。 故当远离震源接收时，可以较容易地在波列中将 其提取；
（8）瑞雷波对自由表面的垂直裂缝非常敏感，因此目 前还没有比它更好的混凝土表面裂缝和爆破松动层 厚度检测方法。
二. 瑞雷波勘探主要解决的浅层地质问题
工程勘察：用于划分第四系地层，确定地层的持力层， 划分地层中的软弱夹层；
地基加固处理评价：VR的大小反映了地基的软和硬； 岩土体的物理力学参数测试； 地下洞穴及掩埋物探测； 公路、机场跑道质量的无损检测； 饱和沙土层的液化判别； 混凝土表面裂缝探测及爆破与卸荷损伤松动层厚度检
三.关于瑞雷面波勘探的历史
70年代随着计算机的发展，地球物理学家首先应用 天然地震测得的频散曲线反演地球内部物性参数。 尽管这一工作不是从工程检测出发的，但其对后来 的工程瑞利面波勘探资料的反演与解释有一定的先 导作用。
1982年日本VIC公司的Mellon和Zoton开发出GR810 稳态面波测试系统，使稳态面波探测技术得以实用 化、商品化，并在工程勘探中得到应用。然而由于 该设备笨重，价格昂贵、速度慢，推广受到限制。
测； 其它方面的探测。
三.关于瑞雷面波勘探的历史
瑞利面波是由英国学者Rayleigh于1887年首先在 研究弹性介质中的波动时发现的,并了解到这种波 动的传播速度低于P波和S波。随后，天然地震的 记录证实了面波的存在。并且利用面波的特征来 研究大陆和海洋地壳以及地球内部的结构。在传 统的利用人工激发P波的反射波法勘探中，瑞利面 波是需要想方设法从记录上消除的强干扰波。
一. 瑞雷面波的优点:
（3）在分层介质中，瑞雷波具有几何频散特性，即瑞雷 波的相速度与频率有关，瑞雷波勘探主要就是利用了 这一特性；
（4）不同波长的瑞雷面波，其穿透深度不同； （5）瑞雷面波的传播速度与横波的传播速度具有相关性。
因此，工程中一般可以用瑞雷波速替代横波速度； （6）瑞雷波的浅层分辨率高，且为任何其他类型的体波
1、瑞雷面波的质点振动
图3-42 随深度的变化
图3-42 Dx, Dz 随深度的变化 图3-43 面波质点振动轨迹随深度变化示意图
2.1.2瑞雷面波的传播特征
2、瑞雷面波穿透深度与波长的关系
图3-44 不同泊松比时Dx, Dz随深度的变化曲线
2.1.2瑞雷面波的传播特征
3、瑞雷面波与横波速度和泊松比的关系
2.1.1均匀半空间瑞雷面波的形成
瑞雷方程
(2k
2 R
k
2 S
)
2
4k
2 R
k
2 R
k
2 P
k
2 R
k
2 S
0
2.1.2瑞雷面波的传播特征
1、瑞雷面波的质点振动
满足椭圆方程
( Dx )2 0.42D
( Dz )2 0.62D
sin 2 (t
kR x)
cos2 (t
kR x)
1勘探的历史
50年代初，Haskell首先用矩阵方法计算了层状介 质中瑞利面波的频散曲线，为后来人们利用瑞利 面波了解了层结构奠定了基础。
1960年，Hoykallem等人利和激振器产生正弦波 来实测道路断面的速度分析，成为最早的稳态瑞 利面波勘探的实例。
同年，美国密西西比陆军工程队水路试验所开始 研究这种方法，但由于当时技术条件的限制而未 能成功。