地球物理学进展  2016, Vol. 31 Issue (5): 2124-2127   PDF    
引用本文
李启成, 闫晓丹, 孙颖川, 等 . 2016. 利用瑞利面波进行岩性分层. 地球物理学进展, 2016, 31(5): 2124-2127, doi: 10.6038/pg20160532  
LI Qi-cheng, YAN Xiao-dan, SUN Ying-chuan, et al . 2016. Measurement of superstratum wave velocity with reflection wave on dip section. Progress in Geophysics (in Chinese), 31(5): 2124-2127, doi: 10.6038/pg20160532   
利用瑞利面波进行岩性分层
李启成, 闫晓丹, 孙颖川, 张晶     
辽宁工程技术大学地质系, 阜新 123000
收稿日期: 2015-12-19; 修回日期: 2016-05-01.
基金项目: 辽宁省教育厅项目（LJYL040）断层滑动速度的研究资助.
作者简介: 李启成, 男, 1963年生, 辽宁人, 副教授, 博士, 主要从事地球物理学研究.(E-mail:731732866@QQ.com)
摘要: 物探中的面波一般认为是干扰波.从理论上研究了瑞利面波在地表介质中的分布和传播特征的基础上，认为可以利用瑞利面波对表层岩土介质进行分层.通过工程实践证明，瑞利面波在浅部的地基勘察中是一种有效的方法，在地表岩土分层等方面有比其他方法更好的效果.另外，由于瑞利面波波速和横波波速的数值上的接近，使得在一定条件下可以代替跨孔横波测量，该方法是一种值得进一步研究和推广的方法.
关键词： 瑞利面波     波速     岩性     分层    
Measurement of superstratum wave velocity with reflection wave on dip section
LI Qi-cheng , YAN Xiao-dan , SUN Ying-chuan , ZHANG Jing     
Department of Geology Liaoning Technical University Liaoning, Fuxin 123000, China
Abstract: Surface wave of geophysical prospecting is thought as Interference wave. On the basis of studying on Reyleigh surface wave distribution on the surface of earth and Propagation characteristics, it is feasible to use Reyleigh surface wave to layer surface of earth. It can be proved by engineering practice Reyleigh surface wave is effective method in shallow foundation investigation, this method is more feasible than other methods in layering earth surface. Because the wave velocity of Reyleigh surface wave is very close to that of transverse wave in the numerical value. It is can Instead of cross hole wave measurement under certain conditions, so, this method is worth to study further.
Key words: Reyleigh surface wave     wave velocity     lithology     layer    
0 引言

自1887年英国学者瑞利从理论上证明了瑞利面波的存在以来，人们曾经对面波的形成和传播特征作过许多研究，但长期以来，一直认为它是地震勘探中的一种干扰波，没有利用的价值(Bensen et al., 2007).

近年来国外有人研究了瑞利面波在表层介质中的分布和传播特征，并利用它来对表层岩土介质进行分层，取得了较好的效果(Bhattacharya, 1983).如日本的佐藤研制的全自动地震仪就是为从事瑞利面波勘探而专门设计的仪器，但由于该仪器价格昂贵、且应用范围较窄，于是有人提出使用目前常用的浅层地震仪来进行瑞利面波的勘探工作，以便该方法的广泛推广应用.

1 瑞利面波的传播原理

根据面波传播理论，在自由界面以下均匀各向同性的弹性介质中，瑞利面波震动的水平分量Dx和垂直分量Dz的实部表达式为

(1)
(2)

公式中KR、Kp和Ks分别为瑞利波、纵波和横波的圆频率；x和z分别为传播距离和深度；衰减系数a和b分别于波数有关，a2=KR2-KP2，b2=KR2-Ks2；B是和能量有关的常数.

1.1 瑞利面波的质点位移特征

从公式(1)和(2)可以看出，瑞利面波的质点位移不仅与其频率、传播距离、传播深度有关，而且与介质的性质密切相关.当介质为理想的泊松固体时，且在Z=0的情况下，公式可以写为(朱良保和熊安丽, 2007; 房立华等, 2013)：

(3)
(4)

公式(3)和(4)中C是一个与能量和波数有关的常数.

把公式(3)和(4)中的两式平方后相加，可以得到：

(5)

方程该为一椭圆方程，说明在自由表面附近，瑞利波质点的位移轨迹是XZ平面内的逆时针椭圆，其水平轴和竖直轴的比值为2:3.

1.2 瑞利面波的穿透深度

根据瑞利面波穿透深度做如下讨论，根据其质点位移的规律，对几种不同泊松比的介质，计算其水平位移Dx和垂直位移Dz随深度的变化，结果如图 1所示.图中纵坐标为深度和波长的比值，横坐标为相对振幅.

图 1 瑞利面波水平位移随深度的变化 Figure 1 Change of Reyleigh surface wave horizontal displacement with depth

从图 1中可以看出，瑞利面波的能量主要集中在 < 0.5的区域，当>1之后，水平分量Dx和垂直分量Dz都迅速衰减，因此可以认为瑞利面波穿透深度约为一个波长，而主要能量集中在大约为半波长的范围内，这一特性为利用瑞利面波进行表面分层和勘探提供了依据.

研究表明随深度的增加，瑞利波的水平位移Dx和垂直位移Dz呈指数规律迅速衰减，由于在水平方向，波前呈圆筒状向四周扩散，其能量密度随传播距离成反比规律变化，因此他比体波按距离平方反比的球面扩散衰减慢得多，可以传播得较远.在各向均匀各向同性介质的自由表面，瑞利波是没有频散的，但是对于不均匀的介质，例如当表面有松散的覆盖层时，由于松散物质的非弹性作用而产生明显的“频散效应”(房立华等, 2009; 郑现等, 2012).

2 利用瑞利面波对地表进行岩性分层

利用瑞利面波进行岩性分层的工作方法主要有两方面，一是激发和采集瑞利面波的信号，另一方面是从采集的资料中，经过处理得出各种频率面波相对应的速度和波长，并绘制其离散分布曲线，进而通过反演得出有关地表岩土的分层地质信息(李白基等, 1977; 余大新等, 2014).

根据瑞利面波的不同的激发和采集方式，可以分为瞬态方法和稳态方法两大类.

2.1 瞬态法

现场数据采集系统的排列如图 2所示，选定测点之后，将检波器1和2分别置于测点O两侧的对称位置上.脉冲式锤击震源设在两个检波器的延长线上，与近检波器的距离X一般和两个检波器之间的距离相等，当完成一次激发后，将震源移至另一侧的对称位置进行激发.检波距离通常以观测点为中心成倍数递增，随着检波距离和偏移距离的增大，探测深度也随之增大，因此要求震源的能量液相应增大，以保证产生足够的能量和较低频率的地震波莱增大瑞利面波的穿透深度.

图 2 瑞利面波法工作排列示意图 Figure 2 Sketch map of Reyleigh surface wave working method

完成数据的采集后，要对数据进行处理和解释.这部分的工作包括，对面波的识别和提取；做频谱分析；对各道分别做功率谱和相位谱；做相关分析和计算相位差，并求出各频段的面波波速和波长；绘制频散曲线，对其进行反演解释等工作.

2.2 稳态法

稳态工作中使用一套具有稳定振动频率的系列震源，用改变震源的频率来调节探测深度.因此在激发方式、仪器设备和资料处理等如图 3所示(何正勤等, 2009; 李永华等, 2009).本研究中，我们使用日本的GR-820瑞丽波测量系统.

图 3 GR-820面波测量系统 Figure 3 Measurement system of Reyleigh surface wave
3 利用瑞利面波对地表进行岩性分层实例

图 4表示了2011年辽宁省朝阳市某段高速公路用瞬态法划分地表介质的实例.根据采集的瑞利面波信息做相关功率谱，求出相干的频段和相应的相位差曲线，然后计算出频率对应的波长和波速，并以半波长(即深度)作为纵坐标，以瑞利波速作为横坐标做曲线.根据曲线可以看出，地表介质的分层结果与实际情况基本符合.

图 4 波速-深度分布曲线及解释结果 Figure 4 Distribution curve and interpretation Result of wave-depth

图 5是稳态法测量结果，该图表示了2011年辽宁省朝阳市某段高速公路用稳态法划分地表介质的实例.在路基勘探中通过改变震源的激发频率探测不同深度地基的瑞利面波的波速，并以对应的波长的一半作为探测深度，根据速度随深度的变化规律，较好地划分出路基的碎石层，砂砾层和粘土层的界面.

图 5 用瑞利波速进行岩性分层结果 Figure 5 Result of layered lithology with Reyleigh surface wave
4 结论 4.1

理论和瑞利面波测量结果表明，面波的波速大约等于横波波速的92%，并且随着介质的泊松比的增大，两者趋于接近.说明可以用瑞利面波代替横波进行岩性分层，完全可以代替横波的跨孔测量，可以大幅度地提高工作效益.

4.2

由面波的勘探实例可以看出，瑞利面波在浅部的地基勘察中是一种很有效的方法，在表层岩土分层等方面有比其他方法更好的效果.另外，由于瑞利面波波速和横波波速的数值上的接近，使得在一定条件下可以代替跨孔横波测量.它具有工作简便、快速等特点，可以大大提高工作效益，是一种值得进一步研究和推广的方法.

致谢 感谢审稿专家的直接帮助.
参考文献
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