(完整版)面波频散特征和地层结构

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。