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1、瑞利面波法,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在地表附近的波动，称为瑞利面波。,一、基础知识,介质的泊松比越大，转换为面波的能量越多；对于不同的介质，随深度增大，面波的水平和垂直位移振幅达到极大值后迅速降低，其主要能量均集中在小于一个波长的深度范围内，由此认为面波的穿透深度约为一个波长。,实测面波地震记录的 频率波数图，并标出某一频率所对应的高阶面波和基阶面波的相速度。不同模态面波的能量大小和地层的速度结构有关。将不同模态面波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
2、相速度传播，在远处的不同时间到达。,图是地面激发，在10480米范围内接收的具有不同模态面波的记录。记录中A 所指的部分为折射波或反射波；B所指的部分为高阶面波；C 所指的部分为基阶面波。,然而，在层状大地上，面波的频散曲线中包含可以区分的多个模态，各模态面波特征表现在以下三方面： 各模态面波的相速度随频率的变化规律； 各模态面波所传播弹性能量随频率的变化规律； 各模态面波沿地表传播的规律。这些变化规律，与地层的速度结构有密切关系，是值得研究和探索的。,面波沿地表由震源向外传播，其波阵面是圆柱面。面波勘探的核心问题是准确地获得不同频率面波的相速度，同一频率的相速度 在水平方向上的变化反映出地质
3、条件的横向不均匀性，不同频率的面波速度相速度的变化则反映出介质在深度方向上的不均匀性。由于面波相对于体波而言，其能量较强，速度较低，频率较低，容易分辨，因此在揭示地下地层结构的物探方法中具有一定的优越性。在面波勘探中由于震源、接收方式和资料处理方法不同分为稳态面波法和瞬态面波法。,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
4、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。,（一）、瞬态面波法的观测系统面波采集一般采用常规地震勘探中的共炮点排列，在要求的勘探深度较小的情况下（小于50米） ，可采用锤击震源，落重或炸药震源，野外工作方法方便简单。共炮点排列一般选择1224个地震道，用低频检波器接收面波的垂直分量，记录点设在整个排列的中点，由此排列获得的频散曲线实际上是整个排列下方、一定深度范围内介质面波速度的综合反映。在场地条件允许的情况下，尽量采用多个检波器采集数据
5、。,为了保证激振的频率成分能够满足需要的勘探的深度范围，要适当的设计偏移距、道间距及仪器的各种采集参数。这些采集参数，应根据野外现场试验工作选择，即在分析干扰波调查剖面的基础上，选取面波采集参数。,（1） 偏移距的选择采集数据的道间距和道数确定后，选择偏移距实际就是选择面波的最佳接收地段。根据试验剖面，应选取面波和反射波已经分离的接收地段。在基、高阶可能分离的情况下，选取基阶面波明显的接收地段。,（2） 排列长度的选择瞬态面波排列的长度主要考虑探测工作要求达到的深度，一般要求排列的长度达到1/2波长。探测深度较大时，检波排列与探测深度相当；反之，采用小排列。,（3）道间距的选择道间距应小于最小
6、勘探深度所需波长的二分之一。 （4）检波器的选择一般土层中传播的面波频率较低，可采用4赫兹或10赫兹 的低频检波器；在要求精度较高的浅地层探测中，可采用频率为38赫兹的检波器。,（5）记录长度的选择要使所有的面波记录道上有完整的面波波形，即有足够的记录长度。,（二）、面波的激发瞬态面波法的震源多用锤击或落重，敲击置于地面的垫板。为了获得对应于不同深度的波速，要求震源能产生各种频率成分的波。测试浅地层时应激发高频率波，用小锤或较轻的大锤锤击地面的垫板获得高频信号并采用小道间距；测试深度大时则相反。,（三）、瞬态面波法资料处理瞬态面波资料处理的主要步骤为： 时间域空间域提取面波； 对面波信号进行二
7、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1/2波长并绘制频散曲线,（1）时间空间域提取面波 在如图所示的共炮点记录中，包含各种波的信息，但只有面波是有效波，利用干扰波与面波的视速度差异，用窗口提取面波，消除干扰波，如图中虚线所围的范围。,在面波窗口中，还有一些与面波重叠在一起的干扰波，无法用窗口消除。但窗口中所有的信号都被认为是面波进行处理。因此瞬态面波法中，窗口中的波对频散曲线有较大的影响。,面波记录的一般情况可分为： 1）同相轴清晰，相位少。由于地质条件的差异，面波的波形千差万别，较规则的、易于识别的面波记录如图所示，面波群仅由1个或2个周期的波组成。其同相轴
8、可以延长至原点，面波窗口也容易划分。如虚线所围的范围。,2）同相轴清晰，相位多。由于面波的频散及含有多阶模态的特征，在面波记录中面波群的相位数随距离增大逐渐增加，如图所示的面波记录相位从3个增加至5个或6个。在这样的情况下，不但要注意用窗口分离记录中的折射波、反射波、声波、转换波，还要注意用窗口取全部面波信号（从原点开始，扫帚状分散）。,在时间空间域的面波窗口如图中虚线框所示。从图中还可看出这些面波与其他类型的波在时间空间域中干涉叠加的现象。在这样的记录上，无法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
9、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。,B）地下介质中有局部地质体或岩性突变面存在。在遇到岩性差异特别大的直立界面（如在直立边坡）时，在界面上将产生波的反射。,如图619所示，在波形图中存在明显的面波的镜像波,如果直立界面在面波排列中，镜像波很快出现，面波的传播路径受直立界
10、面的影响，无法利用全部的记录进行分析解释。在地下介质为非水平层分布时，地质条件的变化，改变了面波的传播路径，使瞬态面波记录复杂化。如沿测线方向有垂直岩性接触面存在，面波窗口只能选在没有受接触面干扰的范围内。这时应改变接收排列方向，可能得到更好的面波记录。,使用时间空间窗口提取面波时，应注意识别和分析有效面波信号特征、特别是基阶面波特征。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。,在图621中面波的能量团只有一个，面波以基阶成分为主。而有高阶面波存在时，频率波数域信号的特征发生变化。,从面波的基本理论可知，层状大地上的面波可分为不同视速度和不
11、同能量分布的基阶面波和高阶面波，在时间 空间域中，不能完全分离高阶面波。各阶面波的能量分布与频率有关，在频率波数域中，不同阶的面波显示出各自的能量团（参见图69）。因此在频率波数域中可进一步分离高阶面波。,图623为时间空间域的记录，在波形图中并没有表现出明显的基阶或高阶面波，但在频率波数域（图624）中可以看到，面波的能量团不止一个，除基阶面波外，还有一组高阶面波，两者有各自独立的能量中心。,图分别为两组面波的频散曲线。对比图可知，不同模态的面波速度差异明显，高阶面波和基阶面波的频散规律相差较大，如果用高阶面波进行资料解释，可能得出错误的结论。,（四）、频散曲线的解释,频散曲线反映了面波排列
12、范围内面波相波速随深度的变化，因此，对于不同类型的频散曲线进行分析解释，可推断其对应的层状大地模型。,1、地层结构类型及其频散曲线特征在利用面波描述地层结构的变化时，可以将地层归纳为3种类型，在不同类型的地层上激发的面波频散曲线，具有不同的特征。,（1）横波速度逐层增高当由表层向底层横波速度逐层增高的情况下，面波的大部分能量分布在基阶模态中，在时间空间域各道面波波形随距离增大而平缓衰减，不见明显的高阶模态面波（高视速度）干涉现象。在频率波数谱中，主要能量都集中于基阶面波。随离震源的距离增大，面波能量中长波长（反映更大深度）的比重也增大。,在这种地层分层结构情况下，时距窗口的设置和基阶模态数据的
13、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。,在这种地层分层结构条件下，必须更多地考虑到减少高阶面波能量对提取基阶频散数据的影响，一般采用以下两种方法
14、：在时间空间域采用更适应于突出基阶模态面波的时距窗口。在采集时使用更多的记录道，提高频率波数谱的分辨能力。,中间层为低速层的三层大地上的基阶模态面波理论频散曲线，如图所示。在实际工作中，只有低速层的厚度足够大时，才能获得类似图所示的频散曲线。,一般有低速层存在时，特别是有低速薄层存在时，高阶模态面波在某些频率范围内的能量高于基阶模态面波，根据面波的最高能量提取的频散曲线不可能是纯粹的基阶面波。图为在地层深度1520米之间，存在软弱夹层时的频散曲线，夹层厚度约1米。在频散曲线出现“之”字形异常的深度上大致对应软弱夹层的深度位置。,有“之”字形异常存在时，无法应用基阶模态面波的理论解释频散曲线。但
15、这一特征也反映出地下有低速薄层存在。可以应用频散曲线的 “之”字形异常寻找低速薄层或软弱滑坡面。,（3）表层为横波高速层，下部低速地层当表层为横波高速层时，面波的能量分布也不再集中于基阶模态，能量分布于各阶模态中，能量的分布随频率变化。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。而频率波数谱中的能量分布于所有各阶模态面波中。在频率波数谱图上很难提取基阶模态面波。,图为用跨模态拾取极大值方法得到的频散数据曲线。在长波长的范围内，主要是基阶模态面波的相速度，基本反映了高速覆盖层下土层的波速特征。在短波长范围内的相速度点，来自各个高阶面波。,对于高
16、速覆盖型的地层，应该利用多模态的面波频散数据来研究地层断面。按图630拾取的跨模态面波频散数据，可以定性地反映地层波速断面，而定量的分层波速参数，还需要采用多模态频散数据的反演方法才能得到。目前的多道面波反演方法不适于解释这种地层构造问题。,(4)非水平地层面波波速的频散现象，反映了与其波长相应的深度范围内的地层弹性分布。地层的弹性参数分布越不均匀，面波频散的表现也越复杂。对于横向不均匀的地层，面波的频散数据更为复杂，并不容易定量解释，但在一些特定的地层条件下，如有局部地质体（空洞）存在，频散曲线出现可以识别的特殊频散特征，从而定性划分出地层的横向变化。,在存在空洞或软土层等的情况下，高阶面波
17、能量增强，但又不能完全与基阶面波分离，从而频散曲线为高、基阶面波混合的形态。频散曲线上呈现出多次重复、曲线回折、深部无面波信号等现象。如图可见测点未进入空洞上方范围时，频散曲线形态相当于水平地层情况，测点进入空洞上方范围后，频散曲线形态有明显异常。,频散曲线定量解释,频散曲线类型图，做法是：按相应的工作比例尺在图纸上标明各测点的位置，绘出该点的频散曲线，纵坐标为二分之一波长，这样并不是意味着半波长就是深度。这种频散数据显示方式，可以由频散数据预先估计地层波速断面的轮廓，并且在反演后和地层参数直观的对比，如图所示。频散曲线的形态取决于地下介质层厚度和层速度，频散曲线形态的横向变化可以反映地下岩土层的变化特点。,
