地理地質(zhì)論文：瞬態(tài)面波勘探及應(yīng)用

1、地理地質(zhì)論文：瞬態(tài)面波勘探及應(yīng)用    摘要：面波勘探是近年發(fā)展起來(lái)的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、成果直觀、適用場(chǎng)地小等優(yōu)點(diǎn)，已在許多領(lǐng)域得到應(yīng)用，并取得了良好的應(yīng)用效果。文章介紹了面波勘探技術(shù)的發(fā)展概況、探測(cè)原理、主要特點(diǎn)及其野外測(cè)試方法，對(duì)其應(yīng)用范圍及目前存在的問(wèn)題作了說(shuō)明，并給出一個(gè)應(yīng)用實(shí)例。     關(guān)鍵詞：瑞利面波 地震勘探 瞬態(tài)法 頻散曲線(xiàn)          1 前言 &

2、#160;  面波勘探，也稱(chēng)彈性波頻率測(cè)深，是國(guó)內(nèi)外近幾年發(fā)展起來(lái)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，又把面波勘探分為穩(wěn)態(tài)法、瞬態(tài)法、無(wú)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(lái)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(kāi)始開(kāi)發(fā)類(lèi)似的技術(shù)

3、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(lái)研究淺部地質(zhì)問(wèn)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“Rayleigh Wave Dispersion Technique for Rapid Subsurface Exploration”（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(guò)多年的研究試制，推出了GR810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(guò)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

4、大致分為以下幾個(gè)方面：     查明工程區(qū)地下介質(zhì)速度結(jié)構(gòu)并進(jìn)行地層劃分；     對(duì)巖土體的物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行原位測(cè)試；     工業(yè)與民用建筑的地基基礎(chǔ)勘察；     地下管道及埋藏物的探測(cè)；     地下空洞、巖溶、古墓及廢棄礦井的埋深、范圍等探測(cè)；     軟土地基加固處理效果評(píng)價(jià)及飽和砂土層的液化判別；    

5、 公路、機(jī)場(chǎng)跑道質(zhì)量的無(wú)損檢測(cè)；     江河、水庫(kù)大壩（堤）中軟弱夾層的探測(cè)和加固效果評(píng)價(jià)等；     場(chǎng)地土類(lèi)別劃分及滑坡調(diào)查等；     斷層及其它構(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，

6、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(guò)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?lè)较?，傳播時(shí)以波前面約為一個(gè)高度為R（R波長(zhǎng)）的圓柱體向外擴(kuò)散。    在各向均勻半無(wú)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(lái)，即 P波占7%、S波占26%、R波占67%，亦就是說(shuō)，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。  

7、  綜合分析表明R波具有如下特點(diǎn)：     在地震波形記錄中振幅和波組周期最大，頻率最小，能量最強(qiáng)；     在不均勻介質(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)；     由P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+1.12）/（1+）；    式中：為泊松比； 

8、0;  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；     R波在多道接受中具有很好的直線(xiàn)性，即一致的波震同相軸；    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)；     R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)（R）尺度范圍內(nèi)。    依據(jù)上述特性，通過(guò)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。  &

9、#160; 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(lái)，并求得相應(yīng)的VR值，進(jìn)而繪制面波頻散曲線(xiàn)。    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(mǎn)足（R/3）R，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)

10、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(lái)說(shuō)，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

11、理論上講越大越好，且易采用兩端對(duì)稱(chēng)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(lái)說(shuō)，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2040m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(xiàn)，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(xiàn)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(mǎn)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

12、大開(kāi)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(shù)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：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；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，

13、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(xiàn)數(shù)據(jù)圈定面波數(shù)據(jù)窗口在FK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(xiàn)地質(zhì)分層（人工或自動(dòng)）繪制反演擬合曲線(xiàn)打印輸出結(jié)果。                       &

14、#160;     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(xiàn)性增加，只有出現(xiàn)不同介質(zhì)的分界面時(shí)，頻散曲線(xiàn)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(xiàn)的“Z”字型變化點(diǎn)來(lái)劃分地下巖性變化的分界面。        圖1 

15、; 面波頻散曲線(xiàn)解釋成果與鉆探結(jié)果對(duì)比圖                                 圖2  面波頻散曲線(xiàn)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

16、面波頻散曲線(xiàn)，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150250m/s，沖洪積砂卵礫石的瑞利波速度為300400m/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440760m/s，說(shuō)明瑞利波（剪切波）速度隨深度的增加而升高。    5 存在問(wèn)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(wèn)題：     關(guān)于實(shí)測(cè)面波頻散曲線(xiàn)的“

17、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(xiàn)，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；     對(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；     測(cè)試深度相對(duì)較淺，一般情況下可靠的測(cè)量深度為2030m，最深不過(guò)5060m。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(mǎn)足此要求。由于低頻時(shí)的R波值很少，使得下部頻散曲線(xiàn)的點(diǎn)相對(duì)稀少

18、，所以對(duì)解釋精度影響較大。就該問(wèn)題筆者建議由原來(lái)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(wèn)題得以改觀。     根據(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1020Hz左右，而用砂袋作震源時(shí)低頻值為310Hz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(kāi)拓，使之在生產(chǎn)實(shí)踐中不斷總結(jié)、完善和提高。 

19、;   參考文獻(xiàn)     楊成林等 瑞雷波勘探北京：地質(zhì)出版社 1993年     胡鈞等 巖土工程瑞利波勘探新進(jìn)展上海地質(zhì)1996年 No.2     劉康和 面波探測(cè)技術(shù)綜述電力勘測(cè)1997年 No.2     Barbara A. Luke, et al.Application of SASW Method UnderwaterJOURNAL OF GEOTECHNICAL and GEOENVIRO

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21、   Abstract Surface wave exploration is a new method on geophysical prospecting for radip subsurface exploration. It is of the advantage with easy to operate, high-speed testing,less expense,fine resolving power,audio-visual drawing of result and suitable to a small site for surveying,etc. This technique ha