瞬態(tài)面波勘探的研究論文
1前言
面波勘探，也稱彈性波頻率測(cè)深，是國(guó)內(nèi)外近幾年發(fā)展起來的一種新的淺層地震勘探方法。面波分為瑞利波（R波）和拉夫波（L波），而R波在振動(dòng)波組中能量最強(qiáng)、振幅最大、頻率最低，容易識(shí)別也易于測(cè)量，所以面波勘探一般是指瑞利面波勘探。
人們根據(jù)激振震源的不同，又把面波勘探分為①穩(wěn)態(tài)法、②瞬態(tài)法、③無源法。它們的測(cè)試原理是相同的，只是產(chǎn)生面波的震源不同罷了。
1938年德國(guó)土力學(xué)協(xié)會(huì)首次嘗試用穩(wěn)態(tài)振動(dòng)來檢測(cè)巖土的各種彈性力學(xué)參數(shù)。1960年美國(guó)密西西比陸軍工程隊(duì)水陸試驗(yàn)所開始開發(fā)類似的技術(shù)方法，但由于當(dāng)時(shí)技術(shù)條件的限制，均未獲得成功。70年代初美國(guó)F·K·Chang等人利用瞬態(tài)激振產(chǎn)生的瑞利波來研究淺部地質(zhì)問題，并于1973年在第42屆國(guó)際地球物理勘探年會(huì)上發(fā)表了“RayleighWaveDispersionTechniqueforRapidSubsurfaceExploration”（瞬態(tài)面波在淺層勘探中的應(yīng)用）論文，報(bào)道了有關(guān)的研究成果。在穩(wěn)態(tài)方面，直到80年代初，日本的VIC株式會(huì)社經(jīng)過多年的研究試制，推出了GR－810佐藤式全自動(dòng)地下勘探機(jī)，才使該項(xiàng)物探技術(shù)在淺層工程勘察工作中得以應(yīng)用。通過幾年的實(shí)踐和初步研究，R波在巖土工程勘察中的應(yīng)用大致分為以下幾個(gè)方面：
�、挪槊鞴こ虆^(qū)地下介質(zhì)速度結(jié)構(gòu)并進(jìn)行地層劃分；
�、茖�(duì)巖土體的物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行原位測(cè)試；
�、枪I(yè)與民用建筑的地基基礎(chǔ)勘察；
�、鹊叵鹿艿兰奥癫匚锏奶綔y(cè)；
⑸地下空洞、巖溶、古墓及廢棄礦井的埋深、范圍等探測(cè)；
�、受浲恋鼗庸烫幚硇Чu(píng)價(jià)及飽和砂土層的液化判別；
⑺公路、機(jī)場(chǎng)跑道質(zhì)量的無損檢測(cè)；
�、探印⑺畮�(kù)大壩（堤）中軟弱夾層的探測(cè)和加固效果評(píng)價(jià)等；
⑼場(chǎng)地土類別劃分及滑坡調(diào)查等；
�、螖鄬蛹捌渌鼧�(gòu)造帶的測(cè)定與追蹤等。
2勘探原理
面波是一種特殊的地震波，它與地震勘探中常用的縱波（P波）和橫波（S波）不同，它是一種地滾波。彈性波理論分析表明，在層狀介質(zhì)中，拉夫波是由SH波與P波干涉而形成，而瑞利波是由SV波與P波干涉而形成，且R波的能量主要集中在介質(zhì)自由表面附近，其能量的衰減與r-1/2成正比，因此比體波（P、S波∝r-1）的衰減要慢得多。在傳播過程中，介質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡呈現(xiàn)一橢圓極化，長(zhǎng)軸垂直于地面，旋轉(zhuǎn)方向?yàn)槟鏁r(shí)針方向，傳播時(shí)以波前面約為一個(gè)高度為λR（R波長(zhǎng)）的圓柱體向外擴(kuò)散。
在各向均勻半無限空間彈性介質(zhì)表面上，當(dāng)一個(gè)圓形基礎(chǔ)上下運(yùn)動(dòng)時(shí)，由它產(chǎn)生的彈性波入射能量的分配率已由Miller（1955年）計(jì)算出來，即P波占7%、S波占26%、R波占67%，亦就是說，R波的能量占全部激振能量的2/3，因此利用R波作為勘探方法，其信噪比會(huì)大大提高。
綜合分析表明R波具有如下特點(diǎn)：
�、旁诘卣鸩ㄐ斡涗浿姓穹筒ńM周期最大，頻率最小，能量最強(qiáng)；
�、圃诓痪鶆蚪橘|(zhì)中R波相速度（VR）具有頻散特性，此點(diǎn)是面波勘探的理論基礎(chǔ)；
�、怯蒔波初至到R波初至之間的1/3處為S波組初至，且VR與VS具有很好的相關(guān)性，其相關(guān)式為：
VR=VS·（0.87+1.12μ）/（1+μ）；式中：μ為泊松比；
此關(guān)系奠定了R波在測(cè)定巖土體物理力學(xué)參數(shù)中的應(yīng)用；
�、萊波在多道接受中具有很好的直線性，即一致的波震同相軸；
⑸質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡為逆轉(zhuǎn)橢圓，且在垂直平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)；
�、蔙波是沿地表傳播的，且其能量主要集中在距地表一個(gè)波長(zhǎng)（λR）尺度范圍內(nèi)。
依據(jù)上述特性，通過測(cè)定不同頻率的面波速度VR，即可了解地下地質(zhì)構(gòu)造的有關(guān)性質(zhì)并計(jì)算相應(yīng)地層的動(dòng)力學(xué)特征參數(shù)，達(dá)到巖土工程勘察之目的。
3野外工作方法
應(yīng)用瞬態(tài)法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)一般采用多道檢波器接收，以利于面波的對(duì)比和分析。當(dāng)錘子或落重在地表產(chǎn)生一瞬態(tài)激振力時(shí)，就可以產(chǎn)生一個(gè)寬頻帶的R波，這些不同頻率的R波相互迭加，以脈沖信號(hào)的形式向外傳播。當(dāng)多道低頻檢波器接收到脈沖形振動(dòng)信號(hào)后，經(jīng)數(shù)據(jù)采集，頻譜分析后，把各個(gè)頻率的R波分離出來，并求得相應(yīng)的VR值，進(jìn)而繪制面波頻散曲線。
當(dāng)選取兩道檢波數(shù)據(jù)進(jìn)行反演處理時(shí)，應(yīng)使兩檢波器接收到的信號(hào)具有足夠的相位差，其間距△x應(yīng)滿足（λR/3）～λR，即在一個(gè)波長(zhǎng)內(nèi)采樣點(diǎn)數(shù)要小于在間距△x內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)的3倍，而大于在間距△x內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)的1倍，該采集濾波原則對(duì)于不同的勘探深度及儀器分辨率和場(chǎng)地地層特性可作適當(dāng)調(diào)整。
當(dāng)采用多道檢波數(shù)據(jù)進(jìn)行反演處理時(shí)，雖然不受道間距公式的約束，但野外數(shù)據(jù)采集時(shí)也應(yīng)考慮勘探深度和場(chǎng)地條件的影響。一般來說，當(dāng)探測(cè)較淺部的地層介質(zhì)特性時(shí)，易采用小的△x值并用小錘作震源以產(chǎn)生較強(qiáng)的高頻信號(hào)，即可獲得較好的結(jié)果；當(dāng)探測(cè)較深部的.地層介質(zhì)特性時(shí)，易采用較大的△x值，并用重錘沖擊地面，以產(chǎn)生較低頻率的信號(hào)，使其能反映地下更深處的介質(zhì)信息，達(dá)到巖土工程勘察之目的。
震源點(diǎn)的偏移距從理論上講越大越好，且易采用兩端對(duì)稱激發(fā)，有利于R波的對(duì)比、分辨和識(shí)別，但偏移距增大就要求震源能量加大和儀器性能的改善。一般來說，偏移距應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果選取。就目前的儀器設(shè)備條件和反演技術(shù)水平，選用偏移距20～40m即可獲得較好的測(cè)試結(jié)果。
由多道檢波數(shù)據(jù)反演處理后可得一條頻散曲線，一般把它作為接收段中點(diǎn)的解釋結(jié)果。實(shí)際上該曲線所反映的地層特性為接收段內(nèi)地層性質(zhì)的平均結(jié)果，故當(dāng)探測(cè)場(chǎng)地地下介質(zhì)水平方向變化較大時(shí)，只要能滿足勘探深度的要求，盡量使反演所用的接收段減小，以使解釋結(jié)果更具客觀實(shí)際。
4工程應(yīng)用
西部大開發(fā)十大項(xiàng)目之一的黃河沙坡頭水利樞紐位于黃河上游干流上，上距待建的大柳樹壩址12.1km，下距青銅峽水電站122km，行政隸屬寧夏回族自治區(qū)中衛(wèi)縣。主要建筑物由主壩和副壩兩部分組成，其中主壩擬選壩型為混凝土閘壩，最大壩高39.93m，壩長(zhǎng)358.5m；副壩布置在黃河左岸Ⅰ級(jí)階地，擬建壩型為土石壩，壩高5m左右，壩長(zhǎng)約1.5km。
測(cè)區(qū)地層巖性由上至下依次為：①覆蓋層由全新統(tǒng)風(fēng)積砂壤土、粉細(xì)紗和全新統(tǒng)沖洪積砂卵礫石組成；②下伏基巖由棕紅色、紫紅色砂質(zhì)粘土巖組成，局部夾有礫巖。
為探測(cè)覆蓋層厚度并進(jìn)行地層劃分，采用瞬態(tài)面波進(jìn)行勘探。實(shí)測(cè)使用美國(guó)R24工程地震儀和4Hz低頻檢波器。室內(nèi)數(shù)據(jù)處理使用SFKSWS軟件，其流程為：輸入面波記錄文件→顯示和檢查實(shí)測(cè)曲線數(shù)據(jù)→圈定面波數(shù)據(jù)窗口→在F—K域搜索確定基階面波頻譜峰脊并拾取頻散數(shù)據(jù)→按搜索確定的基階面波頻譜峰脊圈定出基階面波頻譜范圍→生成面波頻散曲線→地質(zhì)分層（人工或自動(dòng)）→繪制反演擬合曲線→打印輸出結(jié)果。
R波在非均勻介質(zhì)中傳播具有頻散特性，所以不同頻率（波長(zhǎng)）的R波具有不同的傳播速度。模型試驗(yàn)和實(shí)測(cè)結(jié)果表明，當(dāng)探測(cè)的巖土層介質(zhì)較為均一時(shí)，R波的相速度隨深度的加大而按線性增加，只有出現(xiàn)不同介質(zhì)的分界面時(shí)，頻散曲線會(huì)出現(xiàn)一個(gè)所謂“Z”字型變化，該變化特征是由于地表接收到的波從上一層漏能型波轉(zhuǎn)入下一層漏能型面波，且此轉(zhuǎn)折點(diǎn)與兩介質(zhì)間的界面埋深有密切的關(guān)系，由此可依據(jù)實(shí)測(cè)頻散曲線的“Z”字型變化點(diǎn)來劃分地下巖性變化的分界面。
圖1面波頻散曲線解釋成果與鉆探結(jié)果對(duì)比圖
圖2面波頻散曲線解釋成果與鉆探結(jié)果對(duì)比圖
圖1、圖2為實(shí)測(cè)面波反演解釋結(jié)果，其中各圖的右側(cè)為隨深度變化的面波頻散曲線，左側(cè)為鉆探揭露的地層柱狀圖，其層位的劃分具有良好的一致性，即表層風(fēng)積粉細(xì)砂—中部砂卵礫石層—下部基巖。同時(shí)由圖還可以得出：表層風(fēng)積砂的瑞利波速度為150～250m/s，沖洪積砂卵礫石的瑞利波速度為300～400m/s，而下伏基巖（棕紅色、紫紅色砂質(zhì)粘土巖、礫巖等）的瑞利波速度則為440～760m/s，說明瑞利波（剪切波）速度隨深度的增加而升高。
5存在問題
雖然面波探測(cè)技術(shù)在工程中的應(yīng)用已很廣泛，但實(shí)際工作中還存在以下問題：
�、抨P(guān)于實(shí)測(cè)面波頻散曲線的“Z”字型現(xiàn)象，從理論模型的解析中還不能精確地解釋此現(xiàn)象。因?yàn)槔碚摰念l散曲線，在介質(zhì)分界面處只出現(xiàn)折點(diǎn)，對(duì)此還需深入研究和數(shù)值模擬計(jì)算；
�、茖�(duì)于面波勘探深度的確定，目前國(guó)內(nèi)外大多采用半波長(zhǎng)作為R波的勘探深度，此關(guān)系是一經(jīng)驗(yàn)公式，但在實(shí)際工作中，應(yīng)根據(jù)場(chǎng)地地質(zhì)條件、探測(cè)對(duì)象以及孔旁測(cè)試對(duì)比結(jié)果等作適當(dāng)調(diào)整；
�、菧y(cè)試深度相對(duì)較淺，一般情況下可靠的測(cè)量深度為20～30m，最深不過50～60m。當(dāng)測(cè)試深度加大時(shí)，震源信號(hào)就必須具有足夠的低頻信號(hào)，目前尚難滿足此要求。由于低頻時(shí)的R波值很少，使得下部頻散曲線的點(diǎn)相對(duì)稀少，所以對(duì)解釋精度影響較大。就該問題筆者建議由原來的算術(shù)坐標(biāo)系改為波長(zhǎng)為對(duì)數(shù)的單對(duì)數(shù)坐標(biāo)系，可使低頻段頻散點(diǎn)稀少問題得以改觀。
�、雀鶕�(jù)不同的勘測(cè)目的和要求，對(duì)產(chǎn)生R波的震源需作必要的改進(jìn)和研究，以適應(yīng)勘察的需要。如用錘子作震源時(shí)其低頻值為10～20Hz左右，而用砂袋作震源時(shí)低頻值為3～10Hz左右。
面波勘探作為一種新的淺層地球物理勘探方法，具有簡(jiǎn)便、快速、經(jīng)濟(jì)、分辨率高、適用場(chǎng)地小、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，但對(duì)面波勘探理論的研究以及實(shí)際應(yīng)用等有待進(jìn)一步的深入和開拓，使之在生產(chǎn)實(shí)踐中不斷總結(jié)、完善和提高。
參考文獻(xiàn)
⑴楊成林等《瑞雷波勘探》北京：地質(zhì)出版社1993年
�、坪x等《巖土工程瑞利波勘探新進(jìn)展》《上海地質(zhì)》1996年No.2
�、莿⒖岛汀睹娌ㄌ綔y(cè)技術(shù)綜述》《電力勘測(cè)》1997年No.2
⑷BarbaraA.Luke,etal.《ApplicationofSASWMethodUnderwater》《JOURNALOFGEOTECHNICALandGEOENVIRONMENTALENGINEERING》1998No.6。
⑸VahidGanji,etal.《AutomatedInversionProcedureforSpectralAnalysisofSurfaceWaves》
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