1、弹性波成像方法弹性波成像方法面波勘探技术面波勘探技术（Rayleigh）同济大学海洋与地球科学学院同济大学海洋与地球科学学院 School of Ocean&Earth Sciences,Tongji University地表震源不仅激发纵波（P波）和横波（S波），同时，由于纵波与横波的相互干涉叠加，会产生波型的转换，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地表附近的波动。称为瑞利面波（面波）。在自由表面附近面波的形成可以用波动方程作严密的推导。略去公式推导部分。在均匀弹性半空间存在的这种沿自由表面传播的波，其速度略小于横波波速，振幅随着离开表面距离的增加而衰减，这就是面
2、波。P P波波面波面波拉夫波拉夫波S S波波瑞雷波勘探方法是近年来发展起来的浅层地震勘探新方法。由于瑞雷波速度同剪切波速度及岩、土力学参数有着密切的关系.一、面波的传播特征1.质点的振动由质点位移方程可知，为椭园方程，表明在自由表面附近沿波传播方向的垂直平面内，面波质点运动的轨迹是椭圆，椭圆的水平轴与垂直轴之比约2:3，且质点的垂直位移比水平位移相位超前PI/2.0.1932.面波穿透深度与波长的关系1)水平、垂直位移的振幅随泊松比增大而增大，说明介质的泊松比越大，转换为面波的能量越多；2)对于不同的介质，随着深度的增加，面波的水平和垂直位移振幅达到极值后迅速降低，其主要能量主要集中在1深度范
3、围内，由此认为面波的穿透深度约一个波长。3)当深度为波长的一半时，面波的能量较强，当深度与波长相近时，能量迅速衰减。因此，某一波长的面波速度主要与深度小于一个波长范围内的地层物性有关。是利用面波进行浅是利用面波进行浅层勘探定量解释的层勘探定量解释的前提依据前提依据3.面波与横波速度和泊松比的关系4.面波的衰减纵波、横波的波前面相对激发点呈球面扩散，面波的波前面呈圆柱面扩散，所以能量密度衰减较小。沿深度方向衰减快，仅存在于一个波长深度内沿水平方向的能量密度随传播距离按r-1衰减，比球面扩散的体波能量密度按r-2衰减的规律慢得多另外，研究证实，在弹性半空间表面上，通过园形基础加一个垂向振动力，能量
4、从震源向下辐射，约有2/3的能量转化为面波，而仅有1/3能量是由体波携带的。（面波勘探的有利条件）二、层状大地中面波的传播特征在层状介质条件下，可以寻求一个面波传播的解析解。（此处略去公式。）可以看出，面波速度的解与频率有关，即存在面波速度的解与频率有关，即存在面波的速度频散面波的速度频散。（谐波传播的速度随频率波长变化）：不同的面波波长对应于不同的频率，通过测量不同频率下介质的面波速度，即可了解不同深度介质的面波速度。fVRR/三、面波的基阶模态和高阶模态（振型）频散效应，面波在介质中传播的速度是频率的函数；如果同一速度存在几个不同频率的单频波，则称具有该相速度的面波存在多阶模式。多阶模式。
5、基阶基阶基阶基阶高阶高阶折射折射反射反射高阶高阶将不同模态面波分开分开的方法是在远距离处布置检波器排列，因为不同模态的波以不同的相速度传播，在远处的不同时间到达。问题：问题：高阶模态面波的存在也增大了基阶面波提取的误差，并且使问题复杂化。利用面波频散曲线详细研究地质结构时，由于高阶模态的干扰，使不确定性明显增高，所以在进行面波勘探时必须注意面波类型的区分。不同频率情况下，各阶模态的面波能量各不相同，在某些高频段，高阶模态的能量可能占据主导地位。目前的研究热点：用多模态的频散数据反演地层速度。多阶模态的成因与分布机理理论有待研究。四、面波频散曲线图示方式相比于其它高阶模态，基阶模态基阶模态面波对
6、应的频面波对应的频散曲线图中最散曲线图中最上面的那条上面的那条这是频散数据最这是频散数据最基本的图示方式基本的图示方式由于面波由地表向下的波动影响深度和它的半波长关系密切，该图可直观地反映面波的相速度随深度的变化，由此根据频散数据可以找出地层断面的特征。五、面波勘探方法核心问题核心问题：准确获取不同频率面波的相速度原理：原理：同一频率的面波的相速度在水平方向上的变化反映出地质条件的横向不均匀性；不同频率的面波的相速度的变化则反映了地下介质在深度方向上的不均匀性。优势：优势：相对于体波而言，能量较强，速度低，易分辨，在揭示浅表地层结构具有一定的优越性。分为稳态与瞬态面波法。稳态面波法：在地面使用
7、稳态震源以一固定频率激了垂向简谐振动，面波以单频单频方式传播，在地面用检波器接收面波，根据相位差相位差或时间差法时间差法计算这一频率的面波的速度。改变震源频率，重复测量与计算，即可获得不同频率的面波速度，从而获得频散曲线。时间差法：检测同一个相位在到达两个检波器的时间差)/(sin0RvxtADztxvc/相位差法：在同一时刻，检测两个检波器处的相位差cccvxvxxtvxt/)()/(/2/xfxvc简单直观，观测结果准确，受干扰较小对震源要求较高，稳定、可调、仅激发单一频率瞬态面波法：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，用检波器记录面波的垂直分量垂
8、直分量。对面波信号作频谱分析和处理，获取频散曲线。只要知道两点间的距离x和每一频率的相位差，就可以求出每一频率的相速度VR面波采集参数：偏移距偏移距：最佳接收地段，选取面波与反射波已分离的接收地段。在基、高阶能分离的情况下，选取基阶面波明显的地段。2.检波器检波器：目前国内外生产的检波器类型较多，面波测试时，可从固有频率为4.5、8、10、15、28等检波器中选择使用，瞬态面波一般使用固有频率较低的检波器 检波器接收到的基本是瑞雷波的垂直分量。瞬态冲击激发的面波可以看作许多单频谐振的叠加，因而记录到的波形也是谐波叠加的结果，呈脉冲型的面波。为了获得对应于不同深度的波速，要求震源产生的频率范围要
9、宽，测试浅层时用小锤或较轻的铁块锤击地面获得高频信号，并采用小的道间距接收。测试深度大时则相反。地震波主频f与落重法的重块质量M和重块底面半径r的关系为:)1(42100Mrf 瞬态法由于采用一次激发多道接收，可将不同间距的相速度波长数据组合，得到波速与波长关系的瑞雷波频散曲线。与稳态法相比可大大提高工作效率。六、面波数据采集1.Fixed spread(Short line)2.Fixed Spread of Moving Style relying only on Takeout Cables(for Long Line)3.End-on-spread(for Long Line)appl
10、ying CDP switch4.End-on-spread(Long Line)by using the Land streamerSWS-3型瑞利面波测试仪多道瞬态面波法与稳态面波法的比较 多道瞬态面波法 稳态面波法震源：采用锤击、落重和炸药作激发，为宽频震源；采用稳态激震器，每次激发单一频率；接收：采用多道检波器等距里直线布置、宽频接收，采用两点、或逐次扩大点距的两点接收；处理：采用SWS多道瞬态面波处理技术，采用两道相关的稳态面波法处理技术功能：能识别面波中的基阶、高阶波、干扰波 无法识别面波中的多种波形和区别利用效果：具有正反演计算功能，成果准确、重复性好 无正反演计算功能，成果重复
11、性差 可提取多点频散曲线绘制等速物性剖面 无此功能效果效益：测试速度快，仪器轻便，适应性强 测试速度相对较慢，仪器笨重 采集工作中使用锤击、落重或炸药的激发作为震源。具体选用何种震源形式视工作目的和环境条件决定。一般情况下：锤击（20磅左右大锤)震源的勘探深度可以达到2030米；落重震源的勘探深度可以达到3050米；炸药震源的勘探深度可以达到50150米。锤击震源多道瞬态面波记录见下图：右图记录道数为72道。由图可以看到直达波、折射波、反射波、面波所在时间空间域中的位置。面波具有：在近震源处发育、波幅大（面波能量大）、面波传播速度低等特征。据此设计合理的观测系统采集面波，通过处理系统在FK域提
12、取频散信息，进而获得在速度波长域中的频散曲线，达到勘察与检测的目的。面波折射波反射波震源面波记录FK域面波频散等值线图瞬态面波资料处理时间域空间域提取面波对面波信号作二维傅里叶变换建立频率波数域振幅谱等值线提取面波频散数据计算半波长并绘制频散曲线提取面波面波群仅由1-2个周期的波组成由于频散及含有多阶模态的特征，面波群的相位数随着距离的增加逐渐增加。此时，不仅要分离记录中的折射、反射波等，还要注意用窗口取全部面波信号同相轴斜率改变：高阶面波存在，局部地质体或岩性突变面存在明显的镜像波出现问题：问题：在覆盖层很薄，基岩起伏较大，横向严重不均匀等地质条件下，很难得到规则的面波，不宜用面波进行勘探。
13、傅里叶变换六、瞬态瑞雷波资料的解释与应用 瑞雷波速度资料包含着地下介质的结构与特性信息，在对岩、土体地质特性的研究和工程与环境的检测与监测中得到广泛应用。频点很密(频率值的变化步长很小)的速度曲线，其含义虽然与层速度不同，但比较各频点速度值的展布规律，可以看到速度曲线突变处的深度往往对应于介质的界面深度。理论和实践都表明，曲线上之字型(锯齿状)异常反映地下介质的分界面。(一一)频散曲线的解释及层速度的计算频散曲线的解释及层速度的计算 如果把面波的平均速度曲线转换成层速度与深度H的关系，解释结果将更为直观。如果速度曲线上读取的n-1层面波平均速度及相应的界面深度分别为VRn-1和Hn-1;第n层
14、的平均速度及相应的界面深度为VRn 和Hn,并且平均速度是随深度递增的，则n-1层至n层之间的面波层速度VRi,n 的计算公式为111,nnnnRnnRnRiHHHvHvv 如果平均速度随深度增加而降低时，则用公式1,1,1,nRnnRnnnnRivHvHHHv 瞬态面波法取得的工作成果。左图为随深度变化的面波速度曲线，右图为面波频散曲线与地层对比图。由于界面两侧介质的速度参数差异较大，与速度变化曲线的对应情况很好(二二)应用应用 是用SWS多功能面波仪，采用落重震源探查露天煤矿开挖平台地下老窖的工作成果。(a)为测点下平均视速度曲线;(b)为测量排列中第一道检波点与第二道检波点之间地层的相速
15、度曲线;(c)图为测量排列中第二道检波点与第三道检波点之间的相速度曲线;(d)图是测量排列中第三道与第四道检波点之间的相速度曲线;(e)图为测量排列中第四道与第五道检波点之间的相速度曲线。由以上速度曲线特征可以确定，老窖位于排列中第二道与第三道检波点之间的下方。矿方据此布置钻孔验证，在钻孔的 27-29m深度处探到老窖，与第三条速度曲线的A点和B点反映的顶底板深度相近。上海地铁四线修复工程面波成果简介1、外业测试方法弹性介质表面在受到竖向激振时，瑞雷波能量占到2/3，并且瑞雷波的衰减比其他波要小。采用多道(12道或24道)采集系统，可以在时间域中很好的识别面波成分，根据弹性波在半无限空间的传播
16、规律，设计出最佳面波接受窗口。本次面波勘察采用1m道间距，12-24道采集，偏移距为6m，接收传感器使用4Hz垂直地震检波器。震源采用落重方式，由于本次工程时间比较紧迫，物探工作与钻探工作同时展开，钻探工作产生的机械振动干扰较严重，同时工区位于繁忙交通地段，背景干扰也较多，因此，我们采用100kg的大铁球提升1m左右自由落重锤击地面激发面波，以增加面波能量，降低干扰幅。度。2信号处理、频散曲线的建立与反演 面波频散曲线是对地层速度结构分层的基础。若对每个面波测试点的频散曲线进行分层和层速度计算，确定各层的厚度，计算各层的横波传播速度，并对获得结果进行反演拟合处理，即可达到定量解释的效果；同时对
17、同一条测线上的相邻点在垂直方向上相同的层速度连接起来，用一系列颜色代表逐渐递增的速度，就可得到层速度彩色剖面图 上图为面波测点的频散曲线图，下图为根据频散数据绘制的地层层速度彩色图。紫蓝绿色为基岩和风化基岩，黄色、红色为黄土和回填土。彩色图中部75米处为原地形冲沟被黄土回填。经大量工程实践证明：等速彩色成果，具有能形象地直视地下地质体的功能。采集地点：兰州经济开发区，由西北市政设计院提供。图图3.2：元磨高速公路：元磨高速公路5合同段滑坡（合同段滑坡（2台阶）台阶）图图3.3：元磨高速公路：元磨高速公路5合同段滑坡（合同段滑坡（K245+850K245+920）图图3.4：元磨高速公路：元磨高
18、速公路5合同段滑坡（合同段滑坡（K245+850K245+920）多道瞬态面波在云南元磨高速公路边坡勘察中的应用实例多道瞬态面波在云南元磨高速公路边坡勘察中的应用实例上图为元磨高速公路7合同段边坡实景照片及测线布置图（红线为布置的测线）工作目的：评价边坡稳定性和为边坡锚固处置设计提供地质资料 工作步骤：垂直测线（沿水平台阶）布置面波检测排列；获得逐点面波频散曲线并绘制等速度剖面；根据岩土介质类别与速度关系，绘制地质剖面。图中：红色为全风化、黄色为强风化、绿兰色为弱风化、紫色为微风化含水软弱层含水软弱层在国家新颁布的岩土工程勘察规范规定：在国家新颁布的岩土工程勘察规范规定：在正文第在正文第10章
19、第章第10节节“波速测试波速测试”中规定：中规定：10.10.1 波速测试适用于测定各类岩土体的压缩波速测试适用于测定各类岩土体的压缩 波、剪切波或瑞利波的波速，可根据任波、剪切波或瑞利波的波速，可根据任 务要求，采用单孔法、跨孔法务要求，采用单孔法、跨孔法 或面波或面波法。法。在条文第在条文第10章章 说明中规定：说明中规定：10.10.4 面波的传统测试方法为稳态法，近年来面波的传统测试方法为稳态法，近年来，瞬态多道面波法获得很大发展，并已在瞬态多道面波法获得很大发展，并已在 工程中大量应用，技术已经成熟，故列工程中大量应用，技术已经成熟，故列 入本规范。入本规范。在条文第在条文第9章章 “勘探与取样勘探与取样”说明中规定说明中规定瑞利波法的适用范围：瑞利波法的适用范围：1.测定基岩埋深，划分松散沉积层序和基岩测定基岩埋深，划分松散沉积层序和基岩 风化带；风化带；2.探测隐伏断层、破碎带；探测隐伏断层、破碎带；3.探测地下洞穴；探测地下洞穴；4.探测地下隐埋物体；探测地下隐埋物体；5.探测地下管线探测地下管线
