1、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 wavefield research and its application 学生姓名： 专 业：勘查技术与工程 班 级： 指导教师： 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
2、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 shallowgeophysical exploration methods it is a simple quick economy high resolutionachievements intuitiv
3、e applicable site has the advantages of small find application inmany fields and have achieved good application effect. Rayleighs is a kind of lowerfrequency energy strong secondary wave and mainly the boundary surface along themedium the energy with the spread of interface distance attenuation incr
4、eases rapidly.Rayleigh wave reflection wave with all contain the same refraction wave ofunderground medium geological information. This article from Rayleighs conceptprinciple and method frequency dispersion characteristics and inversion study andthe actual material application etc with multi-channe
5、l detectors measurements tounderstand surface wave exploration in the application of shallow surface survey.keywords: Rayleigh wave，frequency disperse curve wave equation transient stateRayleigh wave prospecting. 目 录绪 论. 11.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 42.工作方法与技术 4 2.1 面波勘探的基本原理及特点. 5
6、 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 103.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.124.资料解释. 155.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
7、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
8、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，
9、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
10、 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
11、。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，
12、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- Kr 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
13、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
14、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
15、.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
16、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
17、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
18、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 -1波r ） 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） 即 计算出来， 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
19、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； 由 （3） 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：VRVS（ 0.871.12）/（
20、1）； 式中： 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（R）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
21、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
22、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 5用奠定基础 。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 2-32.2 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?降兰觳 萁 蟹囱荽 硎保
23、?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（R/3）R，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
24、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 2040m 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 7反演所用的接收段减小，以使解释结果更具客观实际 。2.3 测线布置 工区位于抚州市温泉乡余山水库西南
25、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： 表 1 主要的仪器设备 1 SWS-3 地震仪 2 4HZ 的检波器（24 个） 3 12 道的大缆 2 条 4 18 磅的大锤和铁板（各两个） 5 连接线 2 条 6 测绳一根2.仪器所设置的参数见表 2： 记录道数 每道采集数 采样时间间隔 偏移距 道间距 24 1024 0.250ms 1
26、0m 1m 表 2 选用的参数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
27、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 .
