在实际探测中，浅层反射地震数据通常会记录到反射波、初至波及面波等信息，初至波与面波往往被作为干扰波去掉。实际上初至波与面波同反射波一样包含有地层速度结构和界面构造特征信息，并具有震相明确、识别可靠等显著优势^[1-2]，如果能利用存在于单炮记录中的初至波与面波信息求取浅层地层岩性参数，将有助于提高勘探效率并降低勘探成本。

目前，利用瑞利面波的频散特性研究近地表结构的方法在工程勘察界已趋于完善，可以有效地解决常规反射地震勘探方法无法解决的近地表地质问题，如速度倒转、低速层、薄层等^[3-4]。与工程地质瑞利面波勘探相比，浅层反射地震探测中接收到的面波具有激发能量大、接收道数多、抗干扰能力强等特点。把工程勘探的瞬态面波法引入到反射地震勘探浅层地质结构调查中，利用反射地震勘探生产记录中的面波，建立高密度的表层结构剖面，是目前研究的热点。

初至走时层析成像是指利用初至波双程旅行时和射线路径反演地层纵波速度的成像技术。该方法利用地震记录中的初至波双程旅行时反演速度模型，考虑地层在各个方向的变化，综合运用各种类型地震初至波信息，不需要对反射或折射界面作任何地质假设，能用于反演有高速夹层和层尖灭等特殊现象的速度结构，也可以反演地震地层不是特别明显的速度结构^[5]，对浅部介质速度结构和分布有灵敏而精确的反映。因此，利用浅层反射地震勘探数据进行初至波走时层析成像的技术非常适合求取浅部的速度结构信息；在反射地震勘探中，利用单炮记录中视为干扰波的面波和初至波求取浅部地层的速度结构，可以把干扰波有效转化为速度结构信息，应用前景良好。

1 基本原理及方法 1.1 多道面波分析法

层状介质中，在自由表面传播的瑞利面波具有频散现象，第四纪覆盖层中瑞利面波传播的相速度约为同介质内横波速度的0.95倍，这是应用瑞利面波探测浅层地质结构的理论基础。

多道面波分析法(mulit-channel analysis of surface waves，MASW)^[6]是指，在地面上施加瞬时冲击力，不同频率的瑞利波以脉冲的形式在地层中传播，由以一定道间距均匀排列的检波器接收，然后利用面波处理软件将时间域面波信息转化为频率域信息。不同频率的面波具有不同的速度，根据面波频率与速度的关系得到频散曲线，反演频散曲线可以得到近地表面波速度结构，再利用同一介质中面波相速度与横波速度的相关性求出所测地层的横波速度，而横波波速真实反映地层的属性，如疏密、软硬程度等。

1.2 初至波走时层析成像

初至波走时层析成像是指利用初至波双程旅行时和射线路径反演地层纵波速度的成像技术。地震初至波是指震源激发的地震波在地层中传播后，最先被检波器接收到的地震波。不同类型的地层中，初至波包含的地震波类型不同。地层为均匀介质时，初至波主要为直达波；为连续介质时，初至波主要是回折波；在层状介质中可能主要是折射波^[7]。初至波走时层析成像融合了直达波、回折波与折射波，并且层析方法对介质横向变化有很强的适应性，使得初至波层析成像方法适用于任意表层模型^[8]。另外，初至走时具有较高的信噪比和精度，反演过程不需要对地表高差和低速带速度进行任何假设与限制，得到的速度结构是各个不同深度的速度值，符合近地表实际速度非严格成层的情况。因此，初至波走时层析成像技术非常适用于近地表速度的精细分析。

2 浅层反射地震资料背景

研究区地表高程变化不大，测线所在位置第四系地层厚度较大。分析已有地质与物探资料认为，该区第四系地层厚度约为800~1 000 m^[9]。研究区潜水面相对较浅，地下潜水位埋深为2~3 m，有利于地震波的激发和接收^[9]。浅层反射地震观测参数见表 1。

浅层反射地震勘探单炮数据中不但存在有效的反射波，面波和初至波也非常发育(图 1)。从图 1可以看出，浅层反射地震勘探中，面波与初至波均表现出明确震相，另外，面波还表现出能量强、分布范围较大、各阶均有发育等特点。面波频率普遍较低，约为5~30 Hz，视速度约为100~500 m/s，反射波频率分布在40~100 Hz；面波对反射波信息造成干扰，在面波分布带内，面波特征清晰，而反射波信息几乎湮没。面波与反射波速度、频率及分布范围的差异，有利于面波信息的识别与提取。

3 处理结果

图 2为反射地震测线叠加时间与深度的剖面，剖面清楚揭示了地下地层分布的特点。可以看出，在近地表 50 m内存在多个地层界面反射波，最浅的一组地层反射波T₀₁所对应的深度约为20 m，但其反射波组不连续，地层分界面不明显。剖面上解释了3条断层F_p1、F_p2及F_p3，其中上断点最浅的为F_p2，剖面显示该断层为西倾正断层，西盘下降，东盘上升，上断点埋深约12~15 m，上断点在地面的垂直投影位于桩号386 m处。

为了验证断层的位置及上断点埋深，在桩号358~456 m之间布设一条全长98 m的跨断层钻孔联合地质剖面(图 3)。剖面显示，断层F_p2上断点在地面的投影点位于测线桩号382~385 m之间，上断点埋深约为6.26~12.3 m，断距为1~3 m，在近地表 30 m以内地层主要划分为4层，岩性为中砂、细砂、粉砂及砂粘土互层。

3.1 横波速度结构

对浅层反射地震测线单炮记录中的面波进行多道面波分析，其单炮记录的频散谱及频散曲线见图 4。为了验证用反射地震单炮记录面波分析得到的横波速度结构，截取跨F_p2断层区域的横波速度结构(图 5)。横波速度结构表明，在深度30 m以内存在5个明显的横波速度分界面，分别为160 m/s、180 m/s、190 m/s、208 m/s及288 m/s分界面。

由于所用检波器固有频率较高、有一定孔深等因素，使得浅层反射地震单炮记录中面波频率信息不够丰富，反演得到的速度结构中横波速度为160 m/s的界面成为本次反演的最浅界面，21 m以下横波速度为288 m/s的界面成为本次反演的最深界面。横波速度为180 m/s、190 m/s及208 m/s的界面，与跨断层钻孔联合地质剖面(图 3)中深度为10 m左右的层3中部与层3下部分界面、深度为13 m左右的层3与层2分界面及深度为15 m左右的层2与层1分界面深度一致，起伏状态吻合。

由图 5可知，横波速度为190 m/s的界面与横波速度为208 m/s的界面在桩号388~393 m下方的横向速度发生一致变化，推测该处存在断层，其上断点埋深为7~10 m，位于桩号388~393 m之间。

3.2 纵波速度结构

对浅层反射地震测线进行初至波走时层析成像，其初至波层析成像射线分布及纵波速度结构剖面见图 6。从图 6(a)可以看出，浅层反射地震勘探数据由于排列长度较短，能反演的深度有限，在距离为180~600 m之间及深度为0~15 m之间的射线分布密集，该范围内初至波层析反演结果可靠。从图 6(b)可以看出，在距离为387~396 m之间，纵波速度在横向上发生剧烈变化，推测该处存在断层，上断点位置为5 m左右，折射层析纵波速度剖面反映的断层位置及上断点埋深与图 2和3结果基本一致。

3.3 纵横波速度比

地震波在地下岩层中的传播速度受岩石的岩性、弹性常数、密度、构造历史、地质年代、埋藏深度、孔隙度及孔隙中流体的性质、温度、压力等因素综合影响，其中地震波传播速度的主要影响因素为地层岩性、孔隙度及孔隙中流体的性质。因此，地震波速度信息确实与岩性有密切联系，但其影响因素较多，且各个影响因素之间关系复杂，直接根据波速信息判断岩性存在一定难度。

由于地震横波响应在某些方面独立于地震纵波响应，综合应用纵波和横波信息可减少岩性解释中的多解性。用纵横波速度比表示的弹性常数关系式分别为：

$ \gamma = \frac{{{v_p}}}{{{v_s}}} = \sqrt {\frac{{2\left( {1 - \upsilon } \right)}}{{1 - 2\upsilon }}} $

(1)

$ K = v_s^2\rho \left( {\frac{1}{{{\gamma ^2}}} - \frac{4}{3}} \right) $

(2)

$ G = v_p^2\rho \frac{1}{{{\gamma ^2}}} $

(3)

$ E = v_s^2\rho \frac{{4 - 3{\gamma ^2}}}{{1 - {\gamma ^2}}} $

(4)

$ \upsilon = \frac{{0.5v_p^2 - v_s^2}}{{v_p^2 - v_s^2}} $

(5)

式中，K为体变模量，G为切变模量，E为杨氏模量，υ为泊松比。式(1)~(5)表明，利用纵横波速度比可计算出反映岩石特性的弹性常数，这是借助于地震纵横波速度比划分岩性的基本原理。

本文对浅层反射地震测线进行多道面波分析，得到浅部横波速度文件，对浅层反射地震测线进行初至波走时层析成像，得到浅部纵波速度文件，利用2个速度文件可以求得纵横波速度比及泊松比，结果见图 7。综合分析可知，利用该数据得到的泊松比数值，在深度为3~15 m之间较为可靠。

前人研究结果表明，第四系覆盖层近地表岩土体地层松散，岩石孔隙度大，其纵横波速度比一般在2~10倍之间^[10]，明显高于深层岩石中纵横波速度比。

由于浅部地层纵波速度受岩土体含水率的影响非常大，在潜水面以下含水饱和的情况下，含水率越大，纵波速度越大；横波速度主要与岩性有关，与含水率关系不大。因此，在含水饱和地层中，当地层压力相同时，纵横波速度比可以作为岩性识别的依据。

研究区第四系厚度一般为800~1 000 m，最大厚度为1 200~1 400 m。由图 3的钻孔联合地质剖面可知，该区浅部地层岩性主要为细砂、中砂、粗砂、砂粘土及粘砂土，孔隙度大小为砂粘土及粘砂土>细砂>中砂>粗砂。研究区潜水位埋深普遍为2~3 m，该区近地表 3 m以下均为饱和土层，含水率与孔隙度成正比，含水率大小为砂粘土及粘砂土>细砂>中砂>粗砂，含水率越大，纵波速度越大，因此纵波速度大小为砂粘土及粘砂土>细砂>中砂>粗砂；而横波速度主要与岩性相关。因此，在近地表 15 m以内含水量高、固结程度差、固结压力相差不大的情况下，纵横波速度比与岩性有较好的对应关系。图 7(a)显示，深度为3~5 m、距离为402~456 m处的高纵横波速度比对应图 3中钻孔5-3~钻孔5-1浅部3~5 m含水率高的细沙层；下部7~10 m相对较低的纵横波速度比对应图 3中钻孔5-3~钻孔5-1浅部7~10 m含水率相对较低的粗砂和中砂层；深度为12 m左右的高纵横波速度比对应图 3中钻孔5-2下方10 m以下中砂层中的细砂夹层；距离为358~384 m、深度为7~10 m的低纵横波速度比对应钻孔5-9下方7~10 m粗砂层；下方10~14 m相对较高的纵横波速度比对应钻孔5-9下方10~14 m的细砂及中砂层。同时，随着深度的增加，地层压力增大，孔隙中的含水量有所减少，使地层骨架密度增大，地层结构更加密实。因此，随着埋深的增加，横波速度增加较快，且增加量超过了纵波速度的增加量，当埋深增大到一定程度后，纵横波速度比值逐渐减小。综上所述，纵横波速度比分层与钻孔联合地质剖面有较好的对应关系。

3.4 泊松比

泊松比是常用的岩石弹性常数，近地表土体的泊松比主要应用于工程地基评价、地震地质灾害防治、边坡稳定性计算等岩土工程领域。计算近地表土体泊松比的方法有2类，即静力法和动力法。静力法计算土体泊松比与应变关系，动力法只计算土体弹性泊松比。

对于达到完全饱和状态的土体，利用静力法可以计算出2种泊松比，即排水泊松比(又称有效泊松比)和不排水泊松比(又称总泊松比)；利用动力法计算的泊松比相当于不排水泊松比，即总泊松比^[11]。

研究表明，总泊松比值大于有效泊松比，影响泊松比的主要因素是骨架成分、孔隙介质成分及岩石所处的温度和压力环境。通常，岩石外在压力越大，孔隙越少，岩石越致密，其泊松比越小，故未固结的浅层含水饱和沉积岩往往具有较高的泊松比(0.4以上)。浅层反射地震测线所处区域潜水位埋深为2~3 m，因此本文得到的近地表 3 m以下泊松比值均为饱和土的总泊松比。

由图 7(b)可知，浅层地震测线泊松比与埋深之间呈现3段式变化特征，与豫东平原及天津地区浅部地层泊松比随深度增加的变化特征一致^[12]。在潜水面以上(0~3 m)，随着深度的增加，土体饱和程度逐渐增大，总泊松比逐渐增大，直到近地表土体刚达到完全饱和状态时，泊松比达到最大值0.495；在近地表 3~15 m饱和土层中，土体固结程度差，固结压力相差不大，泊松比相对稳定，主要分布在0.492~0.494之间。同时，该区域泊松比能够很好地反映岩性信息，且反映的信息与纵横波速度比反映的岩性信息相似。在15 m以下，随着深度的逐渐增加，地层压力逐渐增大，土层结构更加密实，总泊松比值也从0.49左右逐渐减小，开始接近成岩程度较低的沉积岩层特征。

4 结语

本文充分利用反射地震勘探的面波与初至波信息，采用多道面波分析法与初至波走时层析成像技术进行综合分析，得到纵、横波速度结构及纵横波速度比与泊松比信息。这种综合勘探方法在一定程度上弥补了反射资料的缺失，提供了更多参数对解释结果进行约束，对确定浅部断层的准确位置及特征起到非常重要的作用。

1) 利用多道面波分析方法反演浅层反射地震勘探数据中的面波，处理方法简便、技术成熟，反演得到的浅层横波速度结构显示的断层位置及上断点埋深与浅层反射地震剖面及钻孔联合地质剖面结论基本吻合，能够有效弥补近地表地层结构信息。但由于所用检波器固有频率较高等因素，低频面波资料缺乏，探测深度有限。

2) 利用浅层反射地震资料研究初至波走时层析成像技术，反演结果与钻孔数据能够很好地吻合，有效弥补了近地表地层结构信息。但由于受最大偏移距较小、初至波拾取误差及初始模型等因素制约，浅层反射地震资料进行初至波走时层析成像的有效探测深度有限。

3) 利用多道面波分析方法得到浅部横波速度结构，利用初至波走时层析成像得到纵波速度结构，进而得到纵横波速度比及泊松比数据。浅部第四系覆盖区纵横波速度比一般在2~10倍之间，在饱和土层压力相同的情况下，纵横波速度比与岩性有较好的对应关系，可以作为岩性识别的依据。

4) 本文所用测线处潜水面较浅，所得泊松比值基本为饱和土的总泊松比。泊松比结构与埋深之间呈现3段式变化特征：在潜水面以上(0~3 m)，随着深度的增加，总泊松比逐渐增大，直到近地表土体达到饱和状态时，泊松比达到最大值0.495；在近地表 3~15 m饱和土层中，土体固结程度差，固结压力相差不大，泊松比相对稳定，主要分布在0.492~0.494之间，泊松比与岩性有较好的对应关系；在15 m以下，随着深度的逐渐增加，总泊松比值也从0.49左右开始减小，逐渐接近成岩程度较低的沉积岩层特征。

多道面波分析方法(MASW)通过提取测线上各个炮集的频散曲线，对相速度进行反演，获取各个炮集排列平均横波速度随深度变化的曲线。将一系列横波速度随深度变化的曲线置于各个排列的中点，得到横波速度剖面^[13]。其勘探精度取决于频散曲线的提取和反演方法，给出的频散曲线是沿测线的平均结果，因此，该方法得到的横波速度剖面为炮集排列的平均结果。横向分辨率有限，不能准确反映出道间的介质变化，同时受面波高频信息缺失等影响，造成能反演到的最浅深度受限。初至波走时层析成像是利用实际双程旅行时与速度模型射线追踪计算的双程旅行时的残差，通过修改得到新的速度模型，并重复迭代，直至残差满足给定精度，近似认为最后得到的模型为实际的速度分布。该方法的勘探精度受初至波拾取精度、初始模型及模型平滑参数的影响较大，由于缺乏先验信息，所用初始模型为梯度模型，且进行了一定的平滑，其纵向分辨率及横向分辨率均受限。

由于多道面波分析方法能反演到的最浅深度有限，纵横波速度比及泊松比的计算结果在深度3 m以内存在较大误差。另外，由于多道面波分析方法的平均效应及初至波走时层析成像的初始模型和平滑参数的影响，纵横波速度比及泊松比计算结果的纵向分辨率及横向分辨率较低。