面波勘探原理及其应用

毕业设计（论文）

题目：面波在地震波场中的特性研究及其应用Surface wave in the characteristics of seismic wave field research and its application

学生姓名：高振兵

专业：勘查技术与工程

班级：07023209

指导教师：方根显

二零一一年六月

摘要

瑞利面波勘探是近年发展起来的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、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[1]。瑞利面波是一类频率较低、能量较强的次生波，且主要沿着介质的分界面传播，其能量随着与界面距离的增加迅速衰减。瑞利面波与反射波、折射波一样都含有地下介质的地质信息。本文从瑞利面波的概念、工作原理及方法、频散特征、反演研究以及实际资料的应用等方面，用多道检波器测量来了解面波勘探在浅层地表调查中的应用。

关键词:瑞利面波、频散曲线、波动方程、瞬态瑞雷波勘探。

ABSTRACT

Rayleigh wave exploration is developed in recent years, a new shallow geophysical exploration methods, it is a simple, quick, economy, high resolution, achievements intuitive, applicable site, has the advantages of small find application in many fields, and have achieved good application effect.Rayleigh's is a kind of lower frequency, energy strong secondary wave, and mainly the boundary surface along the medium, the energy with the spread of interface distance attenuation increases rapidly. Rayleigh wave reflection wave, with all contain the same refraction wave of underground medium geological information.This article from Rayleigh's concept, principle and method , frequency dispersion characteristics, and inversion study and the actual material application etc, with multi-channel detectors measurements to understand surface wave exploration in the application of shallow surface survey. keywords: Rayleigh wave，frequency disperse curve, wave equation, transient state Rayleigh wave prospecting.

目录

绪论 (1)

1.工区自然地理和地质、地球物理特征 (3)

1.1工区自然地理 (3)

1.2工区地质概况 (4)

2.工作方法与技术 (4)

2.1 面波勘探的基本原理及特点 (5)

2.2 野外工作方法 (7)

2.3 工区布置 (7)

2.3.1 主要的仪器设备及其设置的参数 (8)

2.3.2仪器要求 (9)

2.3.3 采集系统的布置 (9)

2.3.4 使用规范 (9)

2.4 野外数据采集 (10)

3.数据处理 (11)

3.1 处理方法和原理 (11)

3.2 数据处理内容 (11)

3.3 处理软件要求 (11)

3.4处理过程的要求 (12)

3.5 面波数据处理流程 (12)

4.资料解释 (15)

5.结论与建议 (17)

5.1结论 (17)

5.2 建议 (17)

致谢 (18)

参考文献 (19)

绪论

瑞利面波(以下简称面波)在反射波地震勘探中作为一种干扰波，被压制和去除。实际上面波在地层介质中传播，肯定携带所经过介质的丰富的地质信息(如岩性、速度、深度等)，将这些反映地层特殊属性的有用信息提取出来，可解决地质问题，尤其是浅层地质问题。近几年来的研究和实际应用表明，瞬态瑞利波勘探(以下简称瑞利波勘探)法对浅表薄层勘探具有分辨率高、施工条件要求低、仪器轻便，探测速度快，经济效益好等优点，受到工程及环境勘探领域人员的极大关注，并在浅表层工程勘探中得到了发展，方法和技术渐趋成熟。然而在地形起伏的山地及西北沙漠地区，它的应用还很少，地质结构调查工作的开展也近乎空白。这些地区的地面地形突起陡降，第四系覆盖层地层结构复杂，采用常规的地震勘探方法(如反射波法、折射波法、微地震测井法等)对其进行地质结构调查工作，往往难度大、投入成本高，而得到的资科的品质低，勘探效益差。面波勘探在这些地区的应用就有了实际的意义，并且能够得到很好的效果。

1985年，斯托克(Stokoe)和纳扎利安((Nazarian)采用了冲击震源，通过两个检波器之间波的互谱相位信息，求出了不同频率面波的相速度，进而求出道路断面的瑞利波速度分布，这是最初的瞬态瑞利波勘探试验，从而也引起了瞬态瑞利波勘探方法的真正兴起。

由于稳态瑞利波所用的设备笨重，激发能量、频率范围有限，我国于1990年左右又开始了对瞬态瑞利波勘探技术的研究试验。最初的数据采集一直利用两个竖直分量检波器接收方式，数据的信噪比较低，数据处理也不完善，探测深度和精度都有限。1993年，刘云祯等利用自己设计的地震仪，在数据采集上采用展开排列多道接收，在数据处理上则通过多道面波记录和专用处理软件来处理面波速度变化曲线，再经反演拟合计算进行速度分层解释，把锤击震源的面波探测深度由10米左右提高到约30米，条件好的情况可达50米以上，基本能满足岩土工程勘察的需要，从而使瞬态瑞利波勘探技术上了一个新台阶，实现了瞬态瑞利波勘探实用化、商品化。1995年，北京市水电物探研究所自行研制出SWS瞬态瑞利波勘探系统，经过与日本稳态面波仪对比可知，使用24磅大锤做振源的SWS系统，在软弱地层勘察方面优于使用350kg激振器的日本稳态面波系统。

纵观整个瑞利波的发展历史，对瑞利波勘探法的研究总体上是一个从天然场源法到人工场源法，从稳态法到瞬态法，从理论研究逐步走向了试验和实践阶段的发展过程。

瑞利面波是一类频率较低、能量较强的次生波，且主要沿着介质的分界面传播，其能量随着与界面距离的增加迅速衰减，英国数学物理学家Rayleigh于1887年从理论上对该类型的波给予了证明。瑞利面波与反射波、折射波一样都含有地下介质的地质信息。瑞利波勘探是一种新兴的岩土原位测试的浅层勘探方法。瑞利面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。它同其它物探方法一样，可分为人工源和天然源两大类。人工源瑞利波勘探方法有两种，即瞬态瑞利波勘探和稳态瑞利波勘探。瞬态法与稳态法的区别在于震源的不同，前者是在地面上产生一瞬时冲击力，产生一定频率范围的瑞利波，不同频率的瑞利波叠加在一起，以脉冲的形式向前传播;后者则产生单一频率的瑞利波，可以测得单一频率波的传播速度。

应用瞬态面波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。

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[2]。

瞬态瑞雷波法是通过锤击、落重乃至炸药震源,产生一定频率范围的瑞雷波, 再通过振幅谱分析和相位谱分析, 把记录中不同频率的瑞雷波分离出来,从而得到一条V r- f 曲线或V r- K r 曲线, 即频散曲线。面波勘探中主要利用的是瑞雷波, 其特性如下。

(1) 瑞雷波在层状介质中传播的频散特性在层状介质条件下, 瑞雷波在介质中的传播速度是频率的函数, 即瑞雷波速度随激发频率的变化而变化。该特性是瑞雷波勘探的理论基础, 由于瑞雷波法不仅利用了波的运动学特征, 更重要的是利用了波的动力学特征, 而常规地震折射波法和反射波法主要利用波的运动学特征, 且要求各层的波速或波阻抗有较大差异, 因此瑞雷波对介质反映更细微。

(2) 瑞雷波的穿透深度与波长的关系瑞雷波水平振幅和垂直振幅从弹性介质的表面向内部呈指数衰减, 主要能量集中在一个波长范围内。因此,可以认为瑞雷波的穿透深度为1个波长。

(3)瑞雷波比体波衰减慢的多,离开震源一段距离,面波的能量将强于体波。这为我们在数据处理中提取面波的有用信息提供了方便。

(4) 瑞雷波速度与横波速度的相关性，瑞雷波速度Vr与横波速度Vs近似相等,它们之间有一定的差异,差异的大小与地层的泊松比L有关,泊松比L越大,差异越小。

(5) 面波勘探与地层速度的关系，折射波法要求下伏层速度大于上覆层速度, 反射波要求各层介质间存在波阻抗差异,而面波勘探不受上述物性条件制约,仅要求各层介质间存在横波速度差异,由于横波速度主要与介质密度或介质的松散与密实程度有关, 因此在地层划分方面有较好的分辨能力, 较适合于软岩及密实度差异较大的第四系地层地区的勘探。

本文通过对温泉实习基地的余山水库大坝进行面波测量，调查该地区的地表地层情况，找出F5和F6构造，从而熟悉面波勘探在浅层地表调查中的应用。

1.工区自然地理和地质、地球物理特征

1.1工区自然地理

抚州市温泉乡境内的桐山庙--青莲山一带，惯称温泉实习基地。温泉乡因境内温泉（日泉、月泉）而享有盛名。温泉实习基地位于东经 116 度 11 分 6 秒至 116 度 13 分 12 秒，北纬 27 度 59 分 12秒至 28 度 0 分 40 秒，距东华理工学院抚州校区大约四十公里。抚州---高坪公路和临川---丰城公路穿过该区东南部，有公共汽车经过实习区。本区距向（塘）乐安铁路上顿渡车站 5 公里，交通便利。温泉实习基地交通位置如图 1-1,中国移动和联通网信号覆盖该区，并有公用电话提供服务。

图 1-1温泉实习基地交通位置图

该区地处南方典型丘陵地区，地形属三类地形。实习区属温湿气候区，年平均气温 180C，降水较丰富，年平均降水量为 1789.6 毫米，季节变化不十分明显，3-7 月份为雨季，9-10 月份少雨，年蒸发量为 1610 毫米，潮湿系数为 1.11。

区内有三条小溪，自西向东为塘家岭溪、青莲溪及余山溪。一般流量为0.05-1.5立方米/秒。因其上游的流域面积多为前震旦系的变质岩，富水程度较差，且在设计区内构造复杂。干旱年月有时断流。正因如此，在设计区内修造三座小型水库。拦截这三条溪水，供灌溉之用。

该区农作物以水稻为主，同时也有其他经济作物，如甘蔗、棉花、大豆、红薯和莲子等。没有工业和其它产业。该地区经济条件相对比较落后，人民生活水平普遍较低。

1.2区域地质概况

1.2.1 地质构造

本区出露的主要地层有前震旦系板溪群下亚组（Ptnn2），石炭系下统的华山苓组和梓山组（C1z）及其因风化形成的残、坡积物以及第四系。区内断裂发育，有NE向断层两条(F5、F6)。见图 1-2。

图1-2 温泉区地质图

图1-2 区域地层地质图

2.工作方法与技术

2.1 面波勘探的基本原理及特点

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。在传播过程中，介质的质点运动轨迹呈现一椭圆极化，长轴垂直于地面，旋转方向为逆时针方向，传播时以波前面约为一个高度为λ

R （R波长）的圆柱体向外扩散。

在各向均匀半无限空间弹性介质表面上，当一个圆形基础上下运动时，由它产生的弹性波入射能量的分配率已由Miller（1955年）计算出来，即 P波占7%、S波占26%、R波占67%，亦就是说，R波的能量占全部激振能量的2/3，因此利用R波作为勘探方法，其信噪比会大大提高。（见图2-1）

图2-1 能量分配图

面波勘察成果具有地层高分辨的特点，同时获得地层物性的参数。瑞利面波方法用于岩土勘察，与以往的弹性波勘察方法差别在于，它应用的不是纵波和横波，而是以前视为干扰的面波。其原理是，面波具有频散的特性，其传播的相速度随频率的改变而改变。这种频散特性可以反映地下岩土介质的特性[4]。

瑞利面波的特点：

（1）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；

（2）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；

（3）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：VR=VS?（0.87+1.12μ）/（1+μ）；式中：μ为泊松比；

此关系奠定了R波在测定岩土体物理力学参数中的应用；

（4）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；

（5）质点运动轨迹为逆转椭圆，且在垂直平面内运动；

（6）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]。

瑞利面波技术成果，在地层分辨率方面的突出表现，激发进一步研究的动力。同时其成果的缺陷引发研究人员对客观事物复杂性的认识。对瑞利面波的研究，由稳态到瞬态，采用两点接收，从未见到瑞利面波在地层介质中传播在地面所接收到的面貌，即应用中瑞利面波在时间-空间域中的形态特点。研究处于一种理性化状态。二十世纪90年代中期，北京市水电物探研究所刘云祯提出多道瞬态面波勘察与检测系统，使瑞利面波技术的研究开创新局面，使该技术应用于岩土勘察与检测走出一条新路。

刘云祯提出的多道瞬态面波方法，在震源方面：提出采用不同材质和轻重的锤子，采用落重法和炸药激振的方法；在接收方面：提出采用地震勘探中采用的多道排列的方法，例如：12道、24道或更多道组成的排列。由此，瑞利面波在瞬态激振条件下的传播特征进入可视状态，为研究瑞利面波的传播特征、面波频散的提取计算方法研究、认识瑞利面波在传播过程中具有多组份波传播特征、以及应用瑞利面波中的干扰等问题开创了新局面，为瞬态瑞利面波技术的推广应用奠定基础[5]。

瑞利面波的传播示意图：

图2-2

时间空间域中可视的瑞利面波纪录面貌：

图2-3

2.2 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[6]。

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[7]。

2.3 测线布置

工区位于抚州市温泉乡余山水库西南向，与石禾岗相连。综合考虑，在水库的大坝上进行测量。（见图2-4）沿大坝的西南向布置大概长500米的测线，选用多道检波器进行该工区的面波测量，从而找到F5和F6的构造带和浅层地表的地质情况。

图2-4 测线位置图2.3.1 主要的仪器设备及其设置的参数

1.工作所需要的仪器设备如下表：

2.仪器所设置的参数见表2：

2.3.2仪器要求

1 仪器放大器的通道数不应少于12通道。采用的通道数应满足不同面波模态采集的要求。

2 仪器放大器的通频带应满足采集面波频率范围的要求。对于岩土工程勘察，其通频带低频端不宜高于0.5Hz，高频端不宜低于4000Hz；

3 仪器放大器各信道的幅度和相位应一致：各频率点的幅度差在5%以内，相位差不应大于所用采样时间间隔的一半；

4 仪器采样时间间隔应满足不同面波周期的时间分辨，保证在最小周期内采样4至8点；仪器采样时间长度应满足在距震源最远通道采集完面波最大周期的需要；

2.3.3 采集系统的布置

使用SWS-3进行面波测量，首先拉好测绳，按找道间距1m布置好2条大缆，仪器放在两条大缆的中间连接处，并且连好每道的检波器。然后使用连接线把大锤和铁饼与仪器连接好，作为触发器，偏移距为10m。最后检查检波器以及连接线的接头是否正常，再开机进行参数设置。参数设置好后进行数据采集，每个布置好的测点两侧各放一次炮，采集两次数据之后再移动采集系统，直至测完整个大坝。连接方法见图2-5：

图2-5 采集系统布置图

2.3.4 使用规范

本次工作依照以下技术规范进行：

1.《多道瞬态面波勘察技术规程》

2.《多道瞬态面波勘探标准》

3.《岩土工程勘察规范》（GB50021-2001）；

4. 国家执行标准《电力工程物探技术规定》（SDGJ 81-88）实行

2.4 野外数据采集

多道瞬态瑞利面波勘探现场数据采集与常规地震勘探使用的多道观测系统相同[8]，这与稳态法和早期只有两道的采集系统相比更加方便快捷，并且可以在时间剖面上准确识别瑞利波所在的时间空间位置，合理设计观测“窗口”。为了取得高质量的现场观测数据，还需注意以下问题：（1）使用宽频带的脉冲震源低频瑞利波的传播特征反映了深层的信息，高频分量的特征则反映了浅层信息。在工程中常需要对地下几十米内的土体进行分层，这就需要使用脉冲震源有足够宽的频带。

（2）选择匹配的检波器在理想情况下瑞利波勘探用检波器的频响特性应有从0HZ到数百甚至千赫的宽频特性，这在实际中是达不到的，可以结合使用不同固有频率的检波器，如4Hz、38Hz和100Hz（本次工作用4Hz检波器）。

（3）采集过程中最好不要进行滤波滤波会损失瑞利波携带的有用信息，同时，瑞利波勘探中，希望滤波处理不改变数据的相位特性，但现有的滤波处理程序都会产生一定的相移，从而对瑞利波频散曲线的计算产生不利影响。

（4）选择合适的观测系统参数观测系统参数包括时间采样率、采样长度、道间距、偏移距、记录道数等，应根据勘探目的层的深度、厚度或目标体的尺寸确定观测系统参数。一般说，展开排列长度应不小于最大勘探深度，道间距应不大于研究的最小地层的厚度[9]。

图2-6 野外数据采集

3.数据处理

3.1 处理方法和原理

面波数据处理按其算法一般分为时间域与频率域两大类。目前频率域的处理多进行f－K域（频率波数域）的变换，因为面波的各个模态，在时间和距离上往往是相互穿插叠合的。在f－K域中，可以清楚地区分开面波不同模态的波动能量，从而能够单一地提取出基阶模态的频散数据[10]。

运用二维傅立叶变换，可以将时间距离域的弹性波场数据，转换为频率波数谱数据，表示为二维坐标中的图形。一般其左上角为坐标原点，纵坐标为频率轴，沿纵坐标向下波动频率增高，也就是在时间上波动越快。横坐标为波数轴，沿横坐标向右波数增多，也就是在空间上波长越短。各个波动组份谱振幅的大小，用不同颜色的色标来表示,一般色度越亮，表示谱振幅越大。波动组份坐标点(f －K) 和原点联线的斜率(f/K)，体现了它的相速度。这条联线越陡，说明该波动组份的相速度越大，而越平缓则说明相速度越小[11]。

3.2 数据处理内容

面波数据资料预处理、生成面波频散曲线、频散曲线分层反演剪切波速度及确定层厚，利用面波频散曲线生成速度映像彩色剖面，并在此基础上绘制地质剖面图等。

3.3 处理软件要求

资料处理软件为SeisImager处理系统，具体要求如下：

1. 采集参数的检查与改正、采集文件的组合拼接、成批显示及记录中分辩坏道和处理等基本功能；

2. 识别和剔除干扰波功能；

3 .分辨识别与利用基阶面波成分的功能；

4. 正反演功能，在波速递增及近水平层状地层条件下应能准确反演地层剪切波速度和层厚；

5 .分频滤波和检查各分频段面波的发育及信噪比的功能，以利于测深分析；

6. 能调入多条频散曲线，以供研究不同测点或同一测点加固改良后地层波速的改变。

7. 对于多测点频散曲线的剖面成图，软件宜具有速度映像成图功能，以便直观分析地层速度结构。在有条件的情况下，软件应具有自动拾取映像速度等值线和图例填充等功能，使面波成果成图电脑化。

3.4处理过程的要求

1.面波频散曲线的提取宜在f－K域中进行，频散曲线应遵循收敛的原则。在面波频散曲线上若频散点点距过大，不收敛，变化的起点处一般可解释为地质界线。不收敛的频散曲线段不能用于地层速度的计算。

2.剪切波层速度和层厚的反演计算一般宜选择固定层厚的方式反演剪切波层速度。

3.反演过程宜遵循由浅及深逐层调试，使正、反演结果逼近，完成剪切波层速度和层厚的处理

3.5 面波数据处理流程

1.通过设置检波器的位置参数和最大相速度来得到基态面波

2.在WaveEq里面设置频率、反演层数和厚度、反演次数等参数从而得到反演结果。

3.反演结果保存

4.数据提取

5.利用上面得到的横波速度和深度以及测点的坐标数据在surfer里面进行网格，生成速度的映像彩色剖面。

6.利用surfer对上图进行数字化之后的数据和图形在AutoCAD里面画出样条曲线，并且对其进行填充，这样就得到了地质剖面图。

4.资料解释

本次工作共测量了15个点的面波数据，形成一个剖面。通过对这些数据进行处理得到速度映像彩色剖面图、地质剖面图及成果图。下面结合地质资料对这三个图进行分析：

图4-1 速度彩色剖面图

图4-2 地质剖面图

从图4-1和图4-2中可以得出，地层剖面连续性并不好，尤其是在表层。根据对面波的频散曲线的变化情况进行分析可以了解到地下见面的起伏情况。从最后的成果图可以得出第一层为低速层，波速300-400m/s厚度大约为5m，认为是第四系土层中间层的波速相对于第一层较大，解释为风化层。根据以往的地质资料可以知道，主要为亚粘土和粘土，下面为速度较大的砂土和砾质土。

在测线35-45m出现低速带，110-140m也出现了低速带。根据以往的地质资料，此地以前存在河流，故推断110-140地段为覆盖古河道；在25-45m出有一个用于灌溉的排水通道，在图上属于低速带，波速为100-200m/s，故认为是排水涵道，深度大约为10m。

图4-3 余山水库坝基面波探测

以下是我们测线起始移至第36米出的底层划分情况：

从我们对坝基的整.个探测（坝基应测275米，实测156米），结合以往地质资料解释可得到以下结论：

1.坝基中部人工填土下切较深，推测此范围为以前溪流河道；

2.而在浅表部分有几处土层含水量较多；

3.坝基左侧基岩性质较好，并伴有（强）风化层。

从而我们可以从成果图上可以找出在测线25-45m之间存在一个构造带，这些与以往的地质资料都吻合，所以对于我们这次毕业实习的工作值得肯定。