第七讲(瑞雷波)

瑞雷波勘探的基本原理及其在工程与环境物探中的应用中国矿业大学瑞雷波勘探是近年发展起来的浅层地震勘探新方法。传统的地震勘探方法以激发、测量纵波为主，面波则属于干扰波。事实上，面波传播的运动学、动力学特征同样包含着地下介质特性的丰富信息。在地层介质中，震源处的振动（扰动）以地震波的形式传播并引起介质质点在其平衡位置附近运动。按照介质质点运动的特点和波的传播规律，地震波可分为两类：即体波和面波。纵波（P波，压缩波）和横波（S波，剪切波）统称为体波，它们在地球介质内独立传播，遇到界面时会发生反射和透射。当介质中存在分界面时，在一定的条件下体波（P波或S波，或二者兼有）会形成相长干涉并叠加产生出一类频率较低、能量较强的次生波。这类地震波与界面有关，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，因而被称为面波。在岩土工程中，分界面常指岩土介质各层之间的界面，地表面是一层较为特殊的分界面，其上的介质为空气（密度很小的流体），有时又把它称为自由表面，把自由表面上形成的面波称作表面波面波主要有两种类型：瑞雷面波和拉夫面波。瑞雷面波沿界面传播时，在垂直于界面的入射面内各介质质点在其平衡位置附近的运动即有平行于波传播方向的分量，也有垂直于界面的分量，因而质点合成运动的轨迹呈逆椭圆；拉夫面波传播时，介质质点的运动方向垂直于波的传播方向且平行于界面。目前在岩土工程测试中以应用瑞雷面波勘探为主。从以上各类波在介质中传播的速度来看，在离震源较远的观测点处应该接收到一地震波列，其到达的先后次序是P波，S波，拉夫面波和瑞雷面波。弹性波的类型一、瑞雷波与瑞雷波勘探二、瑞雷波勘探的基本原理三、瑞雷波勘探的资料采集四、瑞雷波勘探的资料处理与解释五、在工程与环境物探中的应用主要内容一、瑞雷波与瑞雷波勘探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(x，z)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。激发的地震体波在地下空间传播；当沿地表这个特殊的自由表面传播时，由于P波和SV波的干涉，将产生一种只在地表层存在的特殊但又常见的波，叫做“瑞利面波”或“地滚波，Ground-roll”，通常就叫“面波”。在一般地震勘探中将面波都看作干扰波。它以圆柱状的波前从震源出发向外传播。面波质点振动既具有垂直分量也具有水平分量；质点振动的轨迹在地表为一向后旋转的椭圆状，见下图；能量随离开表面向下迅速衰减，面波扰动层厚度大概在一个波长左右，其实，它主要集中在近地表厚约λ/2的薄层内。面波传播的速度与其扰动层的岩石物性有关。一、瑞雷波与瑞雷波勘探如果当地表存在低速盖层或者是层状介质时，这时，面波将具有明显的“频散”特征，即组成面波的不同频率谐波分量的传播速度不同；且具“正”频散（基谐波）特征，随着频率的增加相速度值降低。于是，随着距离增大，不同频率谐波分量逐渐散开，波列拉长，在多道单炮记录上出现“扫帚”状。在此情况下，值得注意的是不同频率的谐波，有不同的波长，沿地表传播的扰动层厚度也不同。频率越低，速度越低，波长越大，扰动层厚度越大，它反映的深度越深。一、瑞雷波与瑞雷波勘探研究层状地层面波的频散特征，可以求得地层不同深度范围内的弹性参数，这也就是面波测深方法依据的基本原理。利用人工激发的瑞雷波可以解决如下几方面的具体浅层地质问题。(1)地层划分：通过对瑞雷波频散曲线进行定性及定量解释，得到各地层的厚度及弹性波的传播速度。(2)地基加固处理效果评价：通过实测地基加固前后的波速差异得到处理后的地基较处理前的物理力学性质的改善程度。(3)岩土的物理力学参数原位测试：通过对实测资料的反演解释，可以得到岩、土层的S波速度、P波速度及密度等参数。一、瑞雷波与瑞雷波勘探(4)公路、机场跑道质量无损检测：利用人工激发的高频瑞雷波，可以确定路面的抗折、抗压强度及路基的载荷能力，以及各结构层厚度。该方法用于机场跑道及高等公路的另一项意义是实现质量随年代变化的连续监控。(5)地下空洞及掩埋物的探测：当瑞雷波的勘探深度与地下空洞及掩埋物的深度相当时，频散曲线会出现异常跳跃，据此可以确定其埋深及范围，这是瑞雷波勘探的独特优点之一。(6)饱和砂土层的液化判别：根据一定场地内的饱和砂土层的埋深、地下水位的深浅等地质条件，可以计算出饱和砂土层的液化临界波速值。一、瑞雷波与瑞雷波勘探(7)地类型划分：通过面积性的瑞雷波探测，再结合微动观测，可以更可靠地划分场地类型，或更大范围的地震区划。(8)其他方面的应用：滑坡调查、堤坝危险性预测、基岩的完整性评价和桩基入土深度探测等。和已有的浅层折射波法和反射波法相比，瑞雷波的独特之处是它不受地层速度差异的影响，折射波法和反射波法对于波阻抗差异较小的地质体界面反映较弱，不易分辨，尤其是折射波法要求下伏层速度大于上覆层速度，否则为其勘探中的盲层，瑞雷波法则不存在这类问题。但瑞雷波法的勘探深度受方法本身的限制，明显不如前两者，而纵横向分辨率又高于前两者。一、瑞雷波与瑞雷波勘探二、瑞雷波勘探的基本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。在地面上沿波的传播方向，以一定的道间距△x设置N+1个检波器，就可以检测到瑞雷波在N△x长度范围内的波场，设瑞雷波的频率为fi，相邻检波器记录的瑞雷波的时间差为△t或相位差为△Φ，则相邻道△x长度内瑞雷波的传播速度为：iRitxV/iiRixfV/2或2Tt二、瑞雷波勘探的基本原理在满足空间采样定理的条件下，测量范围N△x内平均波速为：NiiRtxNV1NiiiRxNfV1/2或在同一测点测量出一系列频率fi的VRi值，就可以得到一条VR—f曲线，即所谓的频散曲线或转换为VR-λR曲线，λR为波长:λR=VR/f二、瑞雷波勘探的基本原理VR—f曲线或VR-λR曲线的变化规律与地下介质条件存在着内在联系，通过对频散曲线进行反演解释，可得到地下某一深度范围内的地质构造情况和不同深度的瑞雷波传播速度VR值，另一方面，VR值的大小与介质的物理特性有关，据此可以对岩土的物理性质作出评价。瑞雷波法根据其激发的震源的不同，可分为稳态法和瞬态法两种。二、瑞雷波勘探的基本原理2.1稳态激振法稳态法的基本原理如图1所示。振动器可以激发出2～9900Hz的控频瑞雷波，频率精度随选用的频率的数量级而异，最高可精确到0.001Hz，这种频率高精确的稳定振动是探测准确的重要保证，故名稳态振动法。二、瑞雷波勘探的基本原理2.1稳态激振法瑞雷波勘探原理的核心是利用了层状介质中瑞雷波的频散特性，即不同的频率成分具有不同的相速度。稳态法中，频率是由仪器中信号发生器来控制的；速度是由仪器中的运算器根据检波器1、检波器2两道检波器的实际距离参数和通过互相关方法计算出的两道检波器的时差计算得出的，再由公式得出相应的勘探深度。2.1稳态激振法用稳态法实际勘测时，是一个频点一个频点地分频测试，多从高频做起，随着频率的逐渐降低，波长随之增加，探测的有效深度也相应增加，至终止频率，达到最大的勘探深度。对于实测的地下空间，弹性性质随深度逐渐变化，亦就随着不同频率而变化，不同的波长就能探测出不同深度上地层弹性性质的变化，从而在地面用稳态振动法探明地下弹性性质的资料。二、瑞雷波勘探的基本原理二、瑞雷波勘探的基本原理稳态法的主要优点是可以降至2～3Hz的较低频率，从而达到较大的勘探深度；并且可以从各频点资料的过程中，总结出一套地层地质解释的经验；缺点是仪器大，施工慢，效率低。2.1稳态激振法二、瑞雷波勘探的基本原理2.2瞬态激振法针对稳态法施工效率低的缺点，瞬态激振法用锤击方式取代了激振器，一次击发出各种频率成分，同时检波器也接收到富含各种频率成分的信号。剩下的工作，即稳态法中靠仪器硬件逐个频点的变更及相应的运算工作，在瞬态法中，主要靠软件来完成。瞬态法的优点是仪器轻便，施工快速，且能解决仪器的防爆问题，资料也利于进行一步的各种处理。目前主要问题的如何激发出频率较低的信号，进一步增大它的勘探深度。二、瑞雷波勘探的基本原理无论是稳态法还是瞬态法，方法中核心的部分，都是利用了瑞雷波在层状介质中传播时的频散特性，通过实测的频散曲线来进行地质解释。所不同的，除了施工方式(激振方式、接收方式)外，主要是资料分析过程和运算方式的区别，前者是通过两道信号的互相关来求取时间差并计算平均速度的，后则通过傅里叶变换及一系列的谱分析，直接求取相位差得到平均速度值。三、瑞雷波勘探的资料采集3.1稳态激振法野外工作布置图三、瑞雷波勘探的资料采集3.1稳态激振法三、瑞雷波勘探的资料采集3.1稳态激振法激发方式可以是单边、双边或中点激发，并保持一定的偏移距。激发频率一般采用降频扫描方式。其频率范围和间隔的选择应根据勘探深度、精度和分辨率的要求确定。一般而言，勘探深度越大，扫描频率越低；精度要求越高，频点间隔越密。三、瑞雷波勘探的资料采集3.1稳态激振法3.2瞬态激振法三、瑞雷波勘探的资料采集该方法采用锤击或炸药震源激发瑞雷波，在地面按一定方式用垂直速度检波器接收，并根据波场的频散特性，求取VR速度分布场。瞬态法现场工作布置如图所示，图中M点为测试点，两检波器距离为△x，为了使得两检波器接收的信号有足够的相位差，除满足采样定理外，△x还应满足下式：RRx3232则两信号的相位差Δφ满足：可见，随着勘探深度的增大，即λR增大，△x的距离也相应的增大。3.2瞬态激振法三、瑞雷波勘探的资料采集3.2瞬态激振法三、瑞雷波勘探的资料采集接收：接收排列的布置见图。有关方式方法以及要求等与稳态法基本一致。需要注意的是当面波被干扰时，应在同一激发点重复接收3～5次，把重复接收的信号叠加，取其平均值，以加强有效信号，压制干扰信号。对于可能出现的反射波、折射波和直达波等规则干扰波可采用滤波等方式压制。在测点的一侧激振和接收完成后，可把震源移至测点的另一侧，再重复激振接收3～5次。把两侧的测量结果平均，作为该点的最终结果。与稳态法同样，也可采用单边激发多道接收的方式进行观测，实际记录见图3.2瞬态激振法三、瑞雷波勘探的资料采集4.1稳态法四、瑞雷波勘探资料的处理与解释稳态法勘探中，由于面波记录时常被随机噪声干扰，从而影响波至时间的拾取，因此，对原始记录一般要作适当的滤波或圆滑处理。处理方法参见反射波法勘探。4.1稳态法四、瑞雷波勘探资料的处理与解释4.1稳态法四、瑞雷波勘探资料的处理与解释4.1稳态法四、瑞雷波勘探资料的处理与解释4.1稳态法四、瑞雷波勘探资料的处理与解释4.1稳态法四、瑞雷波勘探资料的处理与解释4.1稳态法四、瑞雷波勘探资料的处理与解释4.1稳态法四、瑞雷波勘探资料的处理与解释前期处理由于瞬态法勘探中波场的复杂性，即除了有效的不同频率成分的瑞雷波外，还包含规则干扰(如直达波、折射波和浅层反射波等)和不规则干扰。因此，前期波场分离(滤波处理)是非常必要的。它将直接影响到解释的精度。常采用的方法主要有初至波切除、一维和二维滤波等。此外为计算速度VR—f关系曲线，还需对记录进行频谱分析或相关谱分析等处理。常见处理流程见图。4.2瞬态法四、瑞雷波勘探资料的处理与解释4.2瞬态法四、瑞雷波勘探资料的处理与解释4.2瞬态法四、瑞雷波勘探资料的处理与解释4.2瞬态法四、瑞雷波勘探资料的处理与解释4.2瞬态法四、瑞雷波勘探资料的处理与解释4.3综合解释四、瑞雷波勘探资料的处理与解释4.3综合解释四、瑞雷波勘探资料的处理与解释五、应用实例4.1岩巷超前探测焦作冯营矿西副巷灰岩巷道，地质推断掘进前方有断层，具体位置不清。钻探因岩层硬度大，进尺慢、费用高，改用瞬态瑞雷波法探测(图4)。曲线显示在8.16m、19.2m和36m有构造存在。掘进结果证明，8m和20m处为松散破碎带，36m处是一条断层。4应用实例4