物探-瑞利面波勘探
瑞利波技术超前探测掘进工作面构造异常
瑞利波技术超前探测掘进工作面构造异常李胜;祁晓鑫;李军文【摘要】In the front of excavation face, there exist abnormal geological structures such as fault, karst cave, col-lapsed pillars and aquifer, which usually bring about hazards like “pervious to water” and “roof fall” etc. How to accurately and effectively detect the geological structure in the front of excavation face has became a problem ur-gently needed to solve during production in coal mine. TYR (D) Rayleigh wave detector was adopted in advanced detection in driving face 7603 of Wuyang mine. The collected data were processed and analyzed, the conclusion is basically consistent with the engineering verification, thus obtaining good application effect.%掘进工作面前方存在断层、溶洞、陷落柱、含水层等地质构造，常常导致透水、冒顶等灾害性事故。
采用YTR(D)瑞利波探测仪对山西潞安集团五阳煤矿7603掘进工作面进行超前探测，并对现场采集的数据进行处理和分析。
结果显示，2个测点共发现9处异常区，通过后期工程验证，有7处探测异常区与实际揭露的结果基本一致，探测与实际揭露异常区域位置误差均在4m以内。
1.7瑞雷波法
7.3.3.2 层速度与厚度解释 1．解释步骤 1）频散曲线的绘制
在以土体为勘探对象的工作中，以实测VR 为横坐标，以H = 0.8λR 为纵坐标绘制VR - 0.8λR曲线，这样绘制的频散曲线，纵坐标可近 似代表勘探深度
2）定性解释
分析频散曲线的形态和变化规律，初步确定可能的层数以及各 层厚度和速度可能的范围
7
瑞雷波法
瑞雷波法勘探实质上是根据瑞雷面波传播的 频散特性，利用人工震源激发产生多种频率成分 的瑞雷面波，寻找出波速随频率的变化关系，从 而最终确定出地表岩土的瑞雷波速度随场点坐标 的变化关系，以解决浅层工程地质和地基岩土的 地震工程等问题。
均匀半空间瑞利面波的传播特征
1. 瑞利面波的速度
与泊松比有关，约为横波速度的0.91-0.95倍；
7.1 勘探原理 瑞雷波沿地面表层传播，表层的厚度约为一个波长， 因此，同一波长的瑞雷波的传播特性反映了地质条件在水 平方向的变化情况，不同波长的瑞雷波的传播特性反映着 不同深度的地质情况。
V Ri x / t i V Ri
2f i x / i
（1.7.1）
已知在图中0.8~1.2m 间有一宽度为1cm 的裂隙，其中充填了砂土。 在裂隙处形成“U”字形
7.4.4 地下空洞和掩埋物探测
图1.7.15 是旧煤矿矿井的探测实例， 图中 （a）是工作布置图， （b）是实测的6个间 距的频散曲线
利用70Hz 和23Hz 的速度值分别确定管道的上下边界，利用50Hz 曲线 确定管道的水平位置。两处解释推断的管道位置如图1.7.16 所示，已 知该处管道埋深0.9m，直径约1m，底坐厚度不详，解释的管道顶部埋 深为0.8m，与实际情况误差0.1m。
（ V R f 曲 线 → （ λ =VR/f ） → VR R 曲 线 → (H= β × λ R) → VR—H 曲线）
瑞雷波法
在这种地层分层结构情况下，时距窗口的设臵和 基阶模态数据的提取都比较容易，并可以得到稳 定的结果。速度逐层增加的三层大地上的基阶模 态面波理论频散曲线如图所示。
（2）底层横波速度最高，中间某层为低速层 当大地中某一中间层为低速层时，面波 的能量分布不再集中于基阶模态，能量分布 于各阶模态中，并随频率变化。在这样的地 层结构上，时间空间域各道面波波形随距离 增大出现明显的高阶模态面波（高视速度） 干涉现象。而频率波数谱中会出现两个或多 个很强的高阶模态面波能量峰。离震源的距 离增大，长波长（反映更大深度）面波的能 量比重增大，时间 空间域中高阶面波和基阶 面波逐渐分离。
二、稳态面波法
稳态面波法的特点 稳态面波法资料处理简单直 观，观测结果准确，受其他类型 地震波的干扰较小。但对震源的 要求较高，需要能产生稳定的、 可调控频率的、激发时仅发射单 一频率的机械震源。
三、瞬态面波法
瞬态面波法勘探利用瞬态冲击力作 震源激发面波，地表在脉冲荷载作用下， 产生波动。在离震源稍远处，用传感器 记录面波的垂直分量。对记录的面波信 号作频谱分析和处理，计算并绘制 频散 曲线，根据频散曲线特征分析解决地质 问题。 瞬态面波法的数据采集方式与反射 波或折射波法相似，以SWS 型多功能瞬 态面波仪为例，数据采集系统如图所示。
分辨基阶或高阶面波。
3）同相轴的斜率改变。 引起面波的同相轴的斜率变 化的原因有多种，最主要的原因 有两种：
a）高阶面波存在。高阶面波在地震记录上的形态， 在远距离道上可以明显的分开，而在实际工作中， 无法采用很远的偏移距。
一般存在的高阶面波如图所 示，面波记录偏移距25米， 道间距1米。面波群在34米附 近分成两支，同相轴斜率明 显不同，其中箭头所指的面 波为基阶面波。这表明在时 间域中无法利用窗口完全分 离高阶面波。这种记录的面 波窗口设计应尽量取面波的 基阶部分，不可分离的高阶 干扰将在频率波数域中进一 步处理。
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］。
横波技术在工程物探中的应用
长率) , 可以导出相应的回折波时距曲线方程 :
t
=
2 V0β
sh
-
1
βx 2
(1)
式中 : V0 为地表波速 ,β为速度增长率 , x 为炮检距 , t 为回折波走时.
由式 (1) 可以看出 ,回折波时距曲线为反双曲正弦曲线. 由于回折波时距曲线某一点的视
速度 V 3 ( x) 就是射线回折点的速度 ,因此可以利用有限差分正演拟合的方法或利用下述公式
波速趋于同一数值. 在一般情况下 ,岩石的泊松比为 0. 25 左右 ,土的泊松比约为0. 45～0. 49 ,
因此对于土质地基 ,可以认为其瑞利波速度和横波速度近似相等 ,横波速度可以用瑞利波速度
来代替.
由于瑞利面波的质点自地表向下是以椭圆的形式振动的 ,并且随着深度的增加质点的振
动幅度迅速衰减 ,当在半个瑞利波长的深度时 ,瑞利波的大部分能量已经损失 ,也就是说 ,瑞利
速度换算得到横波速度. 另外 ,利用面波的频散 ,可以研究软弱地基的振动特性.
根据瑞利波仅在地表附近传播的特点 ,利用波动方程和相应的边界条件则可导出 P 波 、S
波和瑞利波速度与泊松比σ的关系 :
f ( VR) =
VR VS
6
-8
VR VS
4
+
24
-
16
V
2 S
V
2 P
VR VS
2
-
16
1-
V
2 S
埋藏较浅的地区 ,采用横波折射勘探可以提高分辨率 ,解决基岩面的埋深等问题. 也可结合横
波反射勘探 ,为反射勘探的资料解释提供速度参数.
1. 3 反射波
对于二维水平层状均匀介质 , 设界面深度为 h ,上部介质速度为 V , 可以导出相应的反射
面波讲稿
2 2 2 VS VR VS 83 2 V V 1 0 V 16 P S P
VS 1 2 又因为 VP 2 1
波型 项目
P（纵波） 7﹪
S（横波） R（面波） 26﹪ 67﹪
所占百分比
二、面波的分类： 按地表质点振动的形态分为LR和LQ两种。LR是P—SV波在非均匀波介 质表面全反射、干涉而形成，包括了P和SV成分； LQ是P—SH波在非均 匀波介质地层间或地表面全反射、干涉而形成，包括了P和SH成分。 由于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（它们都是体波），面波是一种地滚波。且R波的能量 主要集中在介质自由表面附近（即地表附近）。 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λR（R波 长）的圆柱体向外扩散。 因为LQ的传播过程中，质点的振动是在波的 传播方向的水平面内振动，若限定LQ的传播方向为X，地下方向为Z， 则Y方向为LQ的质点波动的振动方向，这是直角坐标系[X、Y、X]方向的 确定方法。此时，质点的位移在X、Z方向均为零，
§6.1 均匀半空间传播的瑞利波
在均匀半空间的介质中，当地表面存在一个竖向的振动源时，则在地 下介质中，一般就可能产生两种波：体波、面波。
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。
当σ有变化时，可以得到不同形式的方程。
瑞雷面波勘探
瑞雷面波勘探及软件应用摘要本文主要介绍SWS型多波列数字图象工程勘察与工程检测仪和其配套的SWS瞬态面波数据处理软件的使用方法，通过对其工作原理和瑞雷面波理论的介绍，说明多道面波采集系统在发展瞬态面波法方面的关键作用。
并且通过一个实例具体说明如何使用该仪器进行野外数据的采集及数据处理软件的使用。
关键词SWS瞬态面波数据处理软件；多道面波采集系统；瞬态面波法AbstractThis text introduce SWS type many wave arrange digital vision project reconnoitre wave operation method ,data processing of software the related to project detector and its SWS transient state mainly，Pass to its operation principle and theoretical introduction of auspicious Ray a wave，Prove many dishes of surface wave gather system wave key effect ,law of developing transient state。
And concrete to prove how about to use this software to go on datum gathering ,graph processing and analysing through one instance。
KeywordsWave data processing software SWS; Many dishes of surface wave gather the system; Wave law the transient state目录前言 (1)1．工作目的及原理 (2)1.1工作目的 (2)1.2瞬态瑞雷面波法的原理 (2)2. 野外工作方法 (4)2.1仪器介绍 (4)2.2数据采集 (4)2.3注意事项 (6)3瞬态面波数据处理软件 (8)3.1 软件简述 (8)3．1．1 数据处理概要 (8)3．1．2 SWS软件依据的原理 (8)3.2处理过程 (8)3．2．1 文件处理流程页面 (8)3．2．2 X-T域处理页面 (10)3．2．3 F-K 域处理页面 (10)3．2．4 Z-V 域处理页面 (11)3.2.5 辅助页面（清理X-T文件，对比SWS文件，共用图形工具） (14)4 应用实例 (15)致谢 (19)参考文献 (20)附图 (21)前言瑞雷面波是沿地表传播的一种弹性波。
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 ωϕ-= )()(t x ki R e z f ωψ-=ϕ 和ψ分别满足下列波动方程：22221tV P ∂∂=∇ϕϕ22221tV S ∂∂=∇ψψ将ϕ、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。
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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。
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。
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。
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、
§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
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
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
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 少为单频波（简谐波），但较复杂的波动总可以 认为是由许多单频波的叠加。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。
堤坝危险性预测、桩基入土深度探测等
RБайду номын сангаас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。
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
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。
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。