面波的频散特征和地层分层

四、面波频散特征和地层结构
面波沿地表传播波速的频散现象，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。

对于横向均匀的分层地层，面波表现出可以区分和识别的频散特征，从而划分出不同的地层弹性分层类型。

面波频散数据的图示方式
面波的频散规律可以表示为频率(F)和相速度(Vc)二维座标图形中的一系列数据点，也可以由频率和相速度换算出该频率的波长(L=Vc/F)，将频散数据表示在以半波长(L/2)和相速度(Vc)为座标轴的二维图形中。

下面用同一地层模型正演的频散数据，显示在两种数据座标图形中供比较。

左图是此组面波频散数
据在频率(F)/相速度
(Vc)座标中的图形。

横
座标是频率轴，纵座
标是相速度轴。

各个模
态的正演频散数据表示
为绿色曲线，由基阶
向高阶绿色调逐阶变
亮。

这是频散数据最基本的图示方式，可以表现出相速度随频率变化的趋势。

左图是同一组面波频散数据在半波长
(L/2)/相速度(Vc)座标中的图形。

横座标是相速度轴，纵座标是半波长
轴。

基阶频散数据表示为其中的兰色
点，各个模态的正演频散数据表示
为绿色曲线，由基阶向高阶绿色调逐
阶变亮。

如果需要显示此组频散数据代表的地
层参数，就可以把横座标作为剪切波
速 (Vs)轴，纵坐标当作深度(Z)轴，
用同样的比例尺作出地层剪切波速断面作对比。

由于面波由地表向下的波动影响深度和它的半波长关系密切，利用这种对比显示，往往可以找出地层断面在频散数据中反映出的特征。

当然如此对比绝不是意味着半波长就是深度，或者相速度就等于剪切波速。

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。

此外，如果将频散数据换算成相应的频率和波数(K = F/Vc)，还可以在频率波数谱图中，标出各个模态频散数据在能量谱中的座标位置，比较各模态在不同频段的相对能量。

按面波频散特征划分地层结构类型
面波的频散现象反映了地层沿深度弹性波速的差异。

在横向稳定的弹性分层地层上，面波的频散包含可以区分的多个模态，表现出各自的特征，反映在以下三个方面：
1.各模态面波的相速度随频率的变化规律。

2.各模态面波所传播弹性能量的相对比重。

3.各模态面波的振幅沿地表传播的变化规律。

这些特征的具体表现完全取决于当地地层分层的弹性参数。

按照频散模态特征的不同，可以划分出三种地层分层结构类型：
A.波速由表层向底层逐层增高。

B.底层波速最高，中部含低速层。

C.高波速表层复盖下部低速地层。

在这些类型的地层上激发的面波，具有不同的模态特征，分别用实例说明如下。

A.波速由表层向底层逐层增高
将这种地层上取得的面波地震记录，在频率波数域提取基阶频散数据，经过反演得到地层断面，再由此地层参数正演出多阶频散数据。

此外，还采用相邻道作互相关求振幅相位谱的方法，经相位校正，得出主频率区段各相邻道间(相当于不同传播距离)的相速度数据。

显示在下面的各个图中：
左图为此面波地震记录的处理反演结
果。

图中的红色折线为用基阶频散
数据(蓝色点)反演得到的地层断面，
具有逐层增高的剪切波速(Vs)。

绿色
的多条曲线为按此地层波速断面正
演得到的各个模态的面波频散数据，
由基阶向高阶绿色调逐阶增亮。

左图为此面波地震记录的频率波数谱图。

其上还以白色的粗线显示正演的基阶频散曲线，灰色的粗线显出三组正演的高阶频散曲线。

可以看出，基阶频散曲线通过谱图中最强而连续的能量峰脊，而高阶频散曲线经过的谱区显示的谱能量均很弱。

面波传播的能量基本包含在基阶模态中是这种地层的特点。

左图为此面波地震记录的时间距离域波形
图。

其上显著的几条不同视速度波形同相
轴逐渐展开，看不出明显的互相干涉消长现
象。

左图为此面波地震记录
用邻道互相关相位法求
得的一组频散数据曲线
图。

不同色调显示距震
源不同距离的各相邻道
间的频散数据曲线。

为
减少曲线间的重合，将
相速度(Vc)刻度轴的零
点逐个右移，以相应的
色调显示在图框的上边，曲线代表的面波传播距离(X)区间数值显示在其右。

这些曲线总体上都反映了基阶频散曲线的基本形态。

距震源远的曲线趋向于反映更大波长(对应更大深度)的数据。

这些曲线都包含了比基阶频散曲线更多的曲折，说明两道间互相关相位法敏感地反映了高阶面波的微弱能量。

B.底层波速最高，中部含低速层
将这种地层上取得的面波地震记录，也作了如同上述A型地层记录同样的处理。

同时，还将频率波数谱上圈出的基阶能量峰，单另作二维反变换成时间距离域的数据，组成另一个只含基阶面波的地震记录。

对它也用相邻道互相关相位谱法，得出主频率区段各相邻道间的相速度数据，以供和全模态的面波数据对比。

左图为此面波地震记
录的处理反演结果。

图中的红色折线为用
基阶频散数据(蓝色
点)反演得到的地层断
面，具有高波速的底
层和低波速的中间
层。

绿色的多条曲线
为按此地层波速断面
正演得到的各个模态的面波频散数据，由基阶向高阶绿色调逐阶增亮。

左图为此面波地震记录的频率
波数谱图。

其上还以白色的粗
线显示正演的基阶频散曲
线，灰色的粗线显出三组正演
的高阶频散曲线。

可以看出，基阶频散曲线通过
谱图中强弱起伏但基本连续的
能量峰脊，而高阶频散曲线
经过的谱区显示的谱能量并不都很弱，局部甚至有很强的能量峰。

面波传播的能量在某个频率段，明显的出现在高阶模态中是这种地层的特点。

低速夹层中在一定频率段形成高速波导，是产生强高阶模态面波的原因。

左图为原始面波地震记录的时间距
离域波形图。

其上显著分布着两组
不同视速度的同相轴。

上部视速度
较高也较强的一组应该是高阶的面
波，其下部低速也较弱的波形应属
于基阶面波的表现，两者之间出现
明显的干涉消长现象。

左图为原始面波地震记录经过频率
波数变换，圈出的基阶能量峰作反
变换，得到仅含基阶面波的新记录
的波形图。

和原始记录的波形图比
较，此图上仅剩下方的一组较低视
速度的同相轴。

左图为原始面波地震记录用邻道互相关相位法求得的一组频散数据曲线图。

不同色调显示距震源不同距离的各相邻道间的频散数据曲线。

为减少曲线间的重合，将相速度(Vc)刻度轴的零点逐个右移，以相应的色调显示在图框的上边，曲线代表的面波传播距离(X)区间数值显示在其右。

图中几乎每个距离的频散曲线的相速度，都出现剧烈的起伏跳跃。

从这些曲线中，看不出频散数据随传播距离变化的趋势，也很难找出它们和地层波速断面之间的关联。

估计是由于每道地震记录数据都叠加有多个模态面波的振动，两道互相关相位法在相位校正中容易出现多解的困惑，即使综合处理不同距离的多个两道数据，估计也难于取得稳定的结果。

左图为仅含基阶面波的
新记录用邻道互相关相
位法求得的一组频散数
据曲线图。

和原始记录作同样处理
得到的前图相比，可以
明显的看出频散数据随
传播距离变化的趋势。

和A型地层的实例结果
一样，随传播距离的增加，频散曲线也有反映更大的波长(对应于更大的深度)的趋势，但是不象A型地层实例那样简单线性。

C.高波速表层复盖下部低速地层
采用的实例为厚层混凝土覆盖地基上作的小道距(0.5m)高采样率
(0.03125ms) 地震记录。

在频率波数谱中不仅拾取了基阶面波的频散数据，而且沿其平缓的峰脊向高频段的延伸，不分模态地拾取了相速度数据。

同时也用相邻道互相关相位谱方法，求出沿面波传播距离增大的一组相速度数据，显示在下面的图中：
左图为此实例的地震记录波形图。

可以看到长周期面波的波形同相轴，在近激发点的道数据上，还显出叠加上的高频振动，向远道很快衰减。

左图为频率波数谱的上端部分。

其最上端应
是基阶面波的能量峰，向下陆续出现几个可
分辨的高阶面波能量峰，再向下就是一条平
缓的连续能量峰，一直延伸出显示的图框，
直至高频段(约2000Hz)。

白色的点线显示拾
取的相速度数据反映在频率波数谱中的位
置，也表示出拾取时选择的路径。

左图为用上述跨模态拾取方法得到的频散数据曲线。

其下方长波长的数据点，应属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。

其上向短波长方向急剧增大的相速度点，则统属于各个高阶面波的来源，应该是高速覆盖层的弹性波动响应。

可以看出，对于高速覆盖型的地层，应该利用多模态的面波频散数据来研究地层断面。

按上面图示拾取的跨面波模态频散数据，只是轮廓地反映了地层波速断面，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。

左图为此实例的地震记
录用邻道互相关相位法
求得的一组频散数据曲
线图。

不同色调显示距
震源不同距离的各相邻
道间的频散数据曲线。

为减少曲线间的重合，
将相速度(Vc)刻度轴的
零点逐个右移，以相应
的色调显示在图框的上边，曲线代表的面波传播距离(X)区间数值显示在其右。

图中的这组曲线明确的反映出，随离激发点距离的增大频散数据反映各个模态情况的变化。

只有在小距离的频散曲线上，才能反映地层顶部存在高速的覆盖层。

不同地层结构的面波频散特征和测深方法
由以上三个代表不同地层弹性分层结构的面波数据实例，可以归结出它们频散特征的差别。

目前所用的多道面波测深方法(在频率波数域拾取基阶频散数据，再用传输矩阵法作分层反演)对不同地层类型的适用性也是有差别的。

A.波速由表层向底层逐层增高。

▪在时间距离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。

▪频率波数谱的主要能量都集中在基阶面波的峰形中。

▪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。

目前的多道面波测深方法完全可以适应这种地层分层结构类型，时
距窗口的设置和基阶模态数据的提取都比较容易得到稳定的结果。

B.底层波速最高，中部含低速层。

▪在时间距离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。

▪频率波数谱的主要能量并不都集中在基阶面波的峰形中，在一些频率波数区域会出现很强的高阶模态面波能量峰。

▪随离震源的距离增大，长波长(反映更大深度)面波的能量比重增大，但同时高阶面波的干涉影响也增强。

目前的多道面波测深方法可以适应这种地层分层结构类型，但必须
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，包
括：
4.在时间距离域采用更适应于突出基阶模态面波的时距窗口。

5.在采集时使用更多的记录道，提高频率波数谱的分辨能力。

对于此种地层结构，如果采集的通道太少，频率波数谱的分辨率太低，或者企图用时距窗口切除高阶面波的影响，往往在提取基阶频散数据时不容易得到稳定的结果。

C.高波速表层复盖下部低速地层。

▪在时间距离域各道面波低视速度长周期的波形上叠加着随距离增大而衰减的短周期波形。

▪频率波数谱的基阶面波峰形仅出现在小波数(大波长)的区域，往大波数(短波长)范围出现密集到连续不可分的高阶模
态能量峰。

▪随离震源的距离增大，反映高波速盖层的高阶频散面波急剧衰减。

目前的多道面波测深方法不完全能适应这种地层分层结构类型，也就是：
3.基阶模态面波的频散数据只能反映覆盖层以下的地层波速。

4.反映高波速盖层参数的数据应该取自高阶模态的频散数据。

对于这种高速层覆盖的地层结构，只有综合利用基阶和高阶模态的频散数据，才能全面地反映地层分层断面的波速参数，而定量的分层反演还需要运用其他的多模态反演方法。