2.瞬态瑞雷波勘探方法-严寿民

第十六卷 第二期 物 探 与 化 探 Vol.16, No.2 1992年4月 GEOPHYSICAL & GEOCHEMICAL EXPLORATION Apr., 1992

瞬态瑞雷波勘探方法

严寿民

（中国科学院地球物理研究所）

摘 要

瞬态瑞雷波勘探方法是一种新的地震方法。它可以快速和经济地测定岩土层的瑞雷波速度。由瑞雷波速度可换算成横波速度。本文简要叙述了它的原理和野外试验方法。并以实例说明了此方法的有效性。最后对这一方法的优点作了讨论。

瑞雷波勘探方法是国外最近几年发展起来的新的浅层地震勘探方法，与以往的地震勘探方法差别在于：它应用的不是纵波和横波，而是以前视为干扰的面波。众所周知，面波具有频散的特性，即其传播的相速度随频率的改变而改变。这个频散特性可以反映地下构造的一些特性。

60年代初，美国密西西比陆军工程队水路试验所开始研究这种方法，但由于当时技术条件的限制，而未能成功。一直到80年代，日本的VIC 株式会社推出GR-810佐藤地下全自动勘探机后，才使这个勘探技术在浅层物探中得以应用。通过几年的实践和初步研究表明，此方法是一种较为简便和行之有效的探测手段，有着很广阔的发展前途。但由于GR-810采用的所谓稳态瑞雷波勘探方法，带有一套稳态的激震设备，因而其价格昂贵，设备显得很笨重，使这种技术的应用和推广受到一定的限制。

针对这个问题，我们用瞬态瑞雷波来代替稳态法，并在实践中获得成功。所用的仪器是日本CF-350通道FFT 信号分析仪、一个锤子和二个低频检波器，以代替GR-810全自动勘探机。由于去掉了笨重的稳态振动系统，因而设备是非常轻便的，并先后在野外做了试验，取得了较好的成效。

瞬态瑞雷波法的原理

瞬态瑞雷波法是用锤击使地面产生一个包含所需频率范围的瞬态激励。离震源一定距离处有一观测点A ，记录到的瑞雷波是f 1(t)，根据付立叶变换，其频谱为

⎰

∞∞--=dt e t f F t i 11)()(ωω （1） 在波的前进方向上与A 点相距为△的观测点B 同样也记录到时间信号f 2(t)，其频谱是

⎰

∞∞--=dt e t f F t i 22)()(ωω （2） 假若波从A 点传播到B 点，它们之间的变化纯粹是频散引起的，由应有下列的关系式

)()()(12ωω

ωωR V i e F F ∆-= （3）

)(ωR V 是圆频率为ω的瑞雷波的相速度。（3）或亦可写成

φωωi e F F -=)()(12 （4）

其中φ是)(2ωF 和)(1ωF 之间的相位差。比较（3）式和（4）式，可以看出

φ=φπωωω/2)( )(/ ∆⋅=∆⋅f V V R R 即 （5）

根据上式只要知道A 、B 两测点间的距离△和每一频率的相位差φ，就可以求出每一频率的相速度)(ωR V ，从而可以得到勘探地点的频散曲线。

为此，我们需要对A 、B 两观测点的记录作相干函数和互功率谱的分析。作相干函数的目的是对记录信号的各个频率成份的质量做出估计，并判断噪声干扰对有效信号的影响程度。根据野外现场的实际情况，我们可以确定一个系数（在0-1.0之间）。当相干函数大于这个系数，我们就认为这个频率成份有效。反之，我们就认为这个频率成份无效。作互谱的目的是利用互谱的相位特性来求出这两个观测点在各个不同频率时的相位差，再利用公式（5），求出瑞雷波的速度V R 。

当我们已知频率为f 的瑞雷波速度V R 后，它相应的波长λR 为： λR = V R /f

根据弹性波理论，瑞雷波的能量主要集中在介质的自由表面附近，其深度差不多在一个波长深度范围内。由半波长理论可知，所测量的瑞雷波平均速度V R 可以认为是1/2波长深度处介质的平均弹性性质，即勘探深度H 是

H= λR /2 = V R /2f （6）

由（6）式可知，频率越高，波长λR 越短，勘探深度越小，反之，频率越低，波长λR 越长，勘探深度越大。因此两个观测点之间的距离Δ也要随着波长的改变而改变。对于勘探深度较深的低频而言，Δ要变大，才能测到较为正确的相位。对于勘探较浅的高频来说，Δ要变小。根据实际经验，Δ取1/3λR ~2λR 间较为合适。即在一个波长内采样点数要小于在间距Δ间的采样点数的三倍，和大于在Δ间的采样点数的0.5倍。这个滤波准则对于不同的仪器分辩率和场地的实际情况要作适当的调整。

仪器设备和野外工作方法

日本CF-350双通道FFT 信号分析仪是具有较高的性能/价格比的仪器。仪器本身具有512Kbytes 大容量的内存和3.5英寸的软盘驱动器。在现场能将数据及时存储在软盘上，亦可以作实时处理，并具有高精度的16bit 的A/D 转换和频率范围较宽的特点。仪器本身带有CPU ，并备有菜单式的几十种软件处理功能。它还配有GP-IB 接口，可和高精度的CX-335六笔绘图仪相连，并将屏幕图形高速的硬拷贝到纸上。

野外测试的方法如图1所示。在希望要测量点的两边放置二个低频检波器。在离第一个检波器

相同距离处有一个锤击震源。两个低频检波器分

别与信号分析仪相连。开始测量时，用锤子敲击

地面并产生一个瞬态的垂直脉冲信号，此信号包

含有各种步同的频率成份。检波器接收到信号后，

在信号分析仪的屏幕上显示出来，经过多次叠加

平均后，可存入内存。刚开始检波器的间隔Δ可

为0.5m ，这时探测的深度较浅，测出的瑞雷波的

速度是反映靠近地表附近的物质特性。随后，间

距可扩大为1m 、2m 、4m ……等。这个间距的扩

大程度视探测深度的大小而定。当间距增大后，接收器接收的低频信号成份不断增加，因而能反映地下更深处的物质信息。这种排列叫做共接收点9Common Receivers Midpoint ）的几何排列。对于小