第二章 2-1面波勘探的基本原理

合集下载

地震勘探与原理

地震勘探与原理第二章几何地震学第二章几何地震学本章内容提要：Main Content:在这一章中我们将讨论地震勘探的一些基本原理，这些原理是地震勘探的理论基础。

首先介绍岩石的弹性、地震波的基本概念（类型、描述（振动图、波剖面、频谱、波前、射线〕）；然后，分析地震波在岩石中的传播速度，最后讨论地震波在分界面上、层状介质中的传播规律以及地震波的频谱和振幅特点。

第一节岩石的弹性Passage 1 Rock Elasticity Property本节主要内容：1．理想弹性介质与粘弹性介质Ideal Elasticity Media and Plastics Media2、几种弹性模量（弹性常数）Some Elasticity Mould/Constant1．理想弹性介质与粘弹性介质(Ideal Elasticity Media and Plastics Media)介质分为：1)弹性介质：物体受力后，发生形变，但当外力撤消后，即能恢复原状的性质。

2)塑性介质：物体受力后，发生形变，但当外力撤消后，不能恢复原状的性质。

一般，自然界中的任何物体都具有这两种性质，但把它看成是什么性质或说看成是弹性介质还是塑性介质，是与一定的因素有关的，即一个物体是弹性还是塑性介质，除与本身性质有关外，还与外力大小、作用时间长短有关，如弹簧，一般我们都把它看成是弹性体，但当我们的作用力非常大，并且作用时间很长时，它也变成塑性体（即使除去外力后，弹簧也弹不起来了）结论1：地震勘探中将地下岩石看做为弹性介质---地震勘探的理论基础由于在地震勘探中作用力都是很小，且作用时间也很短（一瞬间），故可把地下介质看作以弹性为主，抽象后为弹性介质。

2、几种弹性模量（弹性常数）(Some Elasticity Mould/Constant)当用相同的力作用于不同的岩石，将可能产生不同的形变，这是因为不同的岩石具有不同的弹性性质，通常可用下述弹性模量（常数）来描述岩石的弹性性质。

瞬态面波勘探原理及存在问题研究

瞬态面波勘探原理及存在问题研究【摘要】面波勘探是国内外近几年发展起来的一种新的浅层地震勘探方法。

本文试对其应用范围、勘探原理以及存在的问题逐一考察。

【关键词】面波勘探地震波面波勘探，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。

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结构并进行地层划分；⑵对岩土体的物理力学参数进行原位测试；⑶工业与民用建筑的地基基础勘察；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调查等；⑽断层及其它构造带的测定与追踪等。

一、勘探原理面波是一种特殊的地震波，它与地震勘探中常用的纵波（P波）和横波（S 波）不同，它是一种地滚波。

弹性波理论分析表明，在层状介质中，拉夫波是由SH波与P波干涉而形成，而瑞利波是由SV波与P波干涉而形成，且R波的能量主要集中在介质自由表面附近，其能量的衰减与r-1/2成正比，因此比体波（P、S波∝r-1）的衰减要慢得多。

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。

⑷R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。

⑹R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。

面波勘探在工程勘察中的应用

速度结构信息的地球物理探测方法。
1.1.3 频散分析
通常采用空间自相关法（The Spatial AutoCorrelation Method，简称SPAC法[9]）从微动信号
的垂直分量中提取瑞雷波频散曲线。首先布设一
半径为r0（大小视探测深度而定）的圆形台阵、圆心处设置一台检波器，圆周上等间距的设置若干
surface wave method
析、相位谱分析，把各个频率的瑞雷波分离开来，
从而得到一条VR-f曲线。 1.2.2 瑞雷波具有如下特征：
(1) 地震波形记录中，瑞雷波振幅最大，能量最
强，周期最长，频率最小，可提供野外较好数据采
集分析条件。
(2) 不均匀介质中，瑞雷波相速度具有频散特
性，即：瑞雷波的传播速度在不均匀介质中是频率
效性。
关键词：人工源面波勘探；天然源面波勘探；岩溶勘察；地层划分
中图分类号：P631.4
文献标识码：A
0 引言
工程勘察过程中，在特殊情况下，由于施工场地受限及地质条件客观影响，对于地层准确分层、岩溶和裂隙的探查等方面，常规钻探方法难以采用，多数地球物理勘探方法又难以达到精度要求，因此迫切需要新的勘探方法来弥补这方面空缺。
近年来面波方法已经逐渐应用到岩土工程勘察、第四系分层、堤坝隐患调查、煤矿采空、孤石检测、公路软基勘察、滑坡面调查[6~8]等多个工程物探领域。
1 面波勘探方法原理
1.1 天然源面波法（微动）
1.1.1 微动装置天然源面波可能来源任何方向，选择有效的观测
排列来采集这些来源不明的面波信号是该方法的关键。常用的观测方式有直线型、L型、多重圆观测台阵。多重圆观测台阵是微动单点探测最常用的布设方式，图1为三种观测系统。 1.1.2 天然源面波法（微动）原理

面波法勘探中应用

完成,观测表明施工效果良好,达到了设计要求。

(1)水泥粉体搅拌桩加固软土地基后,由于桩土复合体变形模量的提高以及加固后土体容重基本不变,因此沉降量可以明显地减小。

(2)水泥粉体搅拌桩加固软土地基后,地质土抗剪强度的提高,可使圆弧深层滑动的安全系数明显提高,其复合地基能承担较大的荷载,深层水平位移亦相应减小。

(3)粉体搅拌桩复合加固体的变形模量较大,本身的压缩量很小,仅3c m 左右,大部分沉降量来自复合体下的软土层。

因此,粉体搅拌桩的打设深度和间距,需根据复合地基的容许承载力要求和建筑物的容许沉降量,综合考虑确定。

收稿日期:2006-02-17面波法在路基病害勘探中的应用黄晚清　陆　阳郭建民　(西南交通大学　四川成都　610031)(铁道第二勘察设计院)摘　要　结合工程实例,研究面波法及与电阻率法结合在路基病害探测中的应用。

结果表明,面波法在典型的路基病害探测中应用是完全可行的,既能满足工程精度要求,又提高了勘探效率。

关键词　路基病害　面波法　勘探技术　应用1　引言当前,我国铁路正朝着高速、重载方向发展,路基病害隐患可能诱发突然性的路基破坏,甚至造成灾害性的事故。

因此,在不影响列车运营的情况下,高效快捷地查明隐患是人们非常关心的课题。

目前,路基病害探测技术主要有轻便静力触探、轻型动力触探、小型贯入试验、地质雷达探测、电阻率法(简称电法)和瞬态瑞利面波法(简称面波法)[1]。

其中,电法勘探相对精度较高但工作量大、效率低;而面波法勘探效率高却受某些因素影响,宜与其它方法相结合。

本文结合工程实例,讨论如何利用面波法并辅以电法有效、快捷地查明路基病害。

2　面波法的勘探原理及资料处理211　面波法的勘探原理面波法是利用瑞利波在不均匀土层中的频散特性来划分土层结构的岩土工程原位测试方法,它是通过在地表施加一瞬态振动信号,该信号包含丰富的频率成分,然后用傅氏变换分析来获取不同波长的瑞利波在地层表层的传播速度。

地震勘探与原理

第二章几何地震学第二章几何地震学本章内容提要：Main Content:在这一章中我们将讨论地震勘探的一些基本原理，这些原理是地震勘探的理论基础。

2)塑性介质：物体受力后，发生形变，但当外力撤消后，不能恢复原状的性质。

瞬态面波法在地下洞室探测中的应用_何峰

图 2 M7、M8、M9 面波频散曲线
采金空洞分布段，面波频散曲线不连续，出现低速倒转“开口”段，低速倒转段或“开口”段深度点反映采金洞洞体位置和厚度。通过勘查，查清了采空区的分布范围及埋深。后经钻探和基础开挖验证，在推断的采空区分布带上均见到空洞，物探推断准确率在９０％以上。
本次勘查采用物探新方法，节省了大量资金，缩短了工期，取得了良好的社会效益和经济效益。
隔０．５ｍｓ，记录长度１０２４个样点。此方法在该项目中发此类问题的较好的技术方法。当然，作为一种新兴物探
挥了重要作用。图３是在江南水泥厂详勘区隐伏岩溶带方法，仍有许多急待解决的问题，比如在城区施工如何
上所作的方法试验。
抑制强烈干扰，面波勘探如何适应复杂的地形条件等，
这些问题仍需进一步研究。
采用瞬态面波法，测线沿厂房基础轴线布设，线距５～１０ｍ，点距３ｍ，４～６道３．５Ｈｚ低频检波器检波，１８磅人工锤击震源，偏移距１０～１８ｍ，道间距１ｍ。采样间隔０．５ｍｓ，记录长度１０２４个样点。勘查效果良好，面波频散曲线异常明显。图２为其中粉体车间２１测线Ｍ７、Ｍ８、Ｍ９三个面波点频散曲线及其地质解译。
4 结论
⑴瞬态面波对勘探地下洞室是行之有效且简单经
济。尤其在具有多层空洞的情况下，由于面波浅层灵敏
度高，水平与垂向分辨率较高，具有其它方法无法替代
的优点。
⑵地下洞室异常判别标志：一是频散曲线呈现明显
的低速倒转或高度离散，低速倒转或离散的顶点为洞体
顶部的埋深，倒转的底部为洞体底板埋深，从而判断出
洞体的位置和高度。二是ＶＲ等速断面图上在一定深度内出现的低速层，为洞体在剖面上的形态。因此，通过一

天然源面波勘察方法介绍

天然源面波勘察方法介绍首先，天然源面波勘察方法是采用自然发生的地震事件作为勘察的波源，而不是人为产生的震源。

人们通常使用地震台网记录的地震数据进行分析，选取合适的地震事件进行研究。

与传统的人工震源勘探相比，天然源面波勘察具有成本低、数据获取方便等优点。

天然源面波勘察的核心是分析地震波在地表上的传播特征，特别是面波的传播特点。

在地震波传播过程中，由于地壳的复杂结构和介质的变化，波会发生不同的传播模式，其中面波是一种特殊的传播方式。

面波主要包括Rayleigh波和Love波。

Rayleigh波是一种沿着地表面传播的波动，其运动方式是向前滚动和像海浪一样上下颠簸。

Rayleigh波的传播速度较慢，通常在2-5 km/s之间，相比于S波和P波的速度，Rayleigh波主要在浅层地下传播，对地下浅层结构具有较高的分辨能力。

Love波是另一种沿着地表面传播的波动，其运动方式是地面振动呈横向方向扩散。

Love波有着比Rayleigh波更快的传播速度，通常在4-6 km/s之间，对于较浅的地下结构具有较高的分辨能力。

在天然源面波勘察中，地震台网记录的地震数据是基础。

通过分析地震台站的波形记录，可以提取出面波单台记录（SPR）或者面波双台记录（DPR）。

SPR是指记录一个地震事件在一个台站上的地震波，DPR是指记录一个地震事件同时在两个台站上的地震波。

通过分析SPR和DPR数据，可以获得地震波的频散曲线。

频散曲线是描述地震波在不同频率下传播速度的曲线。

通过分析频散曲线，可以得到面波的传播速度，并进一步反演出地下结构的信息。

频散曲线的分析通常采用多次频率分析、叠加处理等方法，从而提取出可靠的面波传播速度。

除了面波单台记录和频散曲线分析，天然源面波勘察还可以通过其他手段获取地下结构信息。

例如，震源定位可以确定地震事件的位置，从而为勘察提供更准确的波源位置信息。

此外，还可以通过相关函数分析、H/V（水平与垂直分量）谱分析等方法，进一步提取出有关地下结构的信息。

地震勘探原理总结

《地震勘探原理》各章节的复习要点第一章绪论（不作为考试内容）第二章地震波运动学理论§2.1 几何地震学基本概念1、基本概念，如地震子波：具有多个相位、延续60～100毫秒的稳定波形称为地震子波。

几何地震学:地震波的运动学是研究地震波,波前的空间位置与传播时间的关系，他与几何光学相似,也是引用波前,射线等几何图形来描述波的运动过程和规律,因此又叫几何地震学.地震勘探:通过人工方法激发地震波,研究地震波在地层中传播的情况,以查明地下的地质构造,力寻找油气田或其他勘探目的服务的一种物探方法.波面：介质中每一个同时开始振动的曲面。

射线：在几何地震学中，通常认为波及其能量是沿着一条“路径”从波源传到所考虑的一点P，然后又沿着那条“路径”从P点传向其他位置。

这样的假想路径称为通过P点的波线或射线。

振动图：在地震勘探中，每个检波器所记录的，便是那个检波器所在点处的地面振动，它的振动曲线习惯上叫做该点的振动图。

波剖面：在地震勘探中，通常把沿着测线画出的波形曲线叫做“波剖面”。

视速度和视波长：如果不是沿着波的传播方向而是沿着别的方向来确定波速和波长，得到的结果就不是波速和波长的真实值。

这样的结果叫做简谐波的视速度和视波长。

全反射：如果V2>V1，则有sinθ2>sinθ1，即θ2>θ1；当θ1增大到一定程度但还没到90°时，θ2已经增大到90°，这时透射波在第二种介质中沿界面“滑行”，出现了“全反射”现象，因为θ1再增大就不能出现透射波了。

雷克子波：2、基本原理反射定律：反射线位于入射平面内，反射角等于入射角，即。

透射定律：透射线也位于入射面内,入射角的正弦与透射角的正弦之比等于第一、第二两种介质中的波速之比，即Snell定律：惠更斯原理：在已知波前面（等时面）上的每一个点都可视为独立的、新的子波源，每个子波源都向各方发出新的波，称其为子波，子波以所在处的波速传播，最近的下一时刻的这些子波的包络面或线便是该时刻的波前面。

1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。

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和，密度为，x、y轴取在自由表面上，z轴垂直向下。设瑞雷波速为RV，在zox平面内沿x轴方向传播，在y轴方向的振幅和相位完 2

全相同，及只讨论平面二维情况。令其势函数为： )()(txkiRezf

)()(txkiRezf

 和分别满足下列波动方程：

22221tVP



22221tVS



将、代入上式，可得： 0)(2222fkkdz

0)(2222gkkdz

其中，PPVk，SSVk，RRV

k。

上式的解为： zzCeAef zzDeBeg 式中：22

PRkk

，22SRkk。

由边界条件：0,

z得：0C，0D。

于是有： )(txkizReAe



zBe)(txkiRe

在自由界面，其边界条件是正应力和切应力为零。即： 3

02)(ZDzDx

DZzx

zzz

0)(0xDzDzxzxz

其中，xD、zD是位移分量：

zxDx

xzDz

弹性常数、与介质密度及纵、横波的关系分别为： )2(22SPVV 2SV

将这些代入边界条件方程,通过简化可得：

0)(20222222zSPxzxVV

02022222zzxzx



将和代入上两式化简可得： 0)(2)(22222RRSRPikkVkV 022RRkik 根据、的定义，最后得到： 02)2(2222BkkikAkkSRRSR

0)2(222222BkkAkkikSRPRR

若要A、B不为零，则上式的系数行列式应为零，即：

04)2(22222222SRPRRSRkkkkkkk 上式即为瑞雷方程。令： 4

22SRkkx; 22SPkkm22PS

代入上式得： 014)12(2xmxxx 整理得：

018)32(8)1(1623xxmxm 令1x，上式左边＝－1＜0，令x，则上式左边。因此，该方程在),1(之间至少有一个x得实根。也就是：

xkkSR2

2＞1

或： 2

＞2Sk

亦即：RV＜SV。由此可见，面波速度RV既小于纵波速度PV,也小

于横波速度SV。

一般岩石的泊松比为0.25，此时，223SPVV

，31m，代入上

方程有： 0324563223xxx

或： 0)3128)(14(2xxx 此方程的根为：4/1

1x；4332x；4333x

这3个根中，只有3x才满足x＞1的要求，其它两个根应舍去。

由4

33

x有： 5

224

33SRkk

或： SRkk087.1

SRVV9194.0 可见，在均匀弹性半空间存在的这个沿自由表面传播的波，其速度略小于横波速度，振幅随着离开自由表面的距离的增加而衰减，这就是面波。

2.1.2瑞雷面波的传播特征 1、瑞雷面波的质点振动将式（）代入式（）并利用式（）消去B可得：







)(22)(22)22()22(txkizRSRzRRztxkizSRzRxRReekkkekAkD

eekkeAikD







取其实部： )sin()22(22xktekkeAkDRzSRzRx



)cos()22(22xktekkkekAkDRzRSRzRRz





上式为瑞雷面波的位移表达式。当z时，0

xD，0zD，

即在x和z方向的位移都为零，这说明瑞雷面波的分布深度是有限的。当介质为泊松体)25.0(时，将式（）代入（）得： )sin()5773.0(3933.08475.0xkteeAkDRzkzkRxRR

)cos()4679.18475.0(3933.08475.0xkteeAkDRzkzkRzRR

当0z时，即在自由表面上： 6

sin42.00DDzx)(xktR



)cos(62.00xktDDRzz

其中，RAkD。将上两式平方后相加并整理得：

1)(cos)(sin)62.0()42.0(2222xktxktDDD

RRzx

上式为椭圆方程。这表明在自由表面附近沿波传播方向得垂直平面内，瑞雷面波质点运动得轨迹是椭圆，椭圆的水平轴与垂直轴之比约为3:2，且质点的垂直位移比水平位移相位超前2。当介质的泊松比为0.25时，根据式（）可以计算出水平位移xD和

垂直位移zD的振幅随深度的变化，如图（6－1）所示。从图中可以

看出，当zR＜0.193时，xD和zD的振幅的符号相同，两者合成之后

形成的质点运动轨迹为一逆时针方向转动的椭圆；当zR＞0.193时，两者符号不同，质点运动轨迹为顺时针转动的椭圆。质点振动轨迹和振幅随单位波长深度的变化规律如图（6－2）所示。

2、瑞雷面波穿透深度与波长的关系 7

图（6－3）为根据式（）计算出的面波质点水平位移和垂直位移的振幅随深度变化的曲线。

从图中可以看到，当泊松比从0.1增大到0.5时，水平和垂直位移的振幅也随之增大。这说明介质的泊松比越大，则转换为面波的能量就越多；对于不同的介质，随着深度的增大，面波的水平和垂直位移的振幅达到极大值后迅速降低，其主要能量均集中在zR＜1的深度范围内。由此认为，面波的穿透深度约为一个波长。从图（6－3）还可以看到，当深度z为波长R的一半时，面波的

能量较强，当z与R相当时，其能量迅速衰减。因此，某一波长的面

波速度主要与深度小于R的地层物性有关，该特性为利用面波进行浅

层勘探的定量解释提供了依据。通常认为，面波的勘探深度约为半个波长。

3、瑞雷面波与横波速度和泊松比的关系式（）可以写为：