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
的间距，用小锤子敲击地面较好，这样可以得到高频信号。

对于大的间距，用质量大的重锤敲击地面，这样可产生较低频率。

CF-350信号分析仪可以同时得到时间域和频率域的图形，并在现场可做实时处理。

当测量的数据认为有效后，可以存入软盘驱动器，以备作室内分析处理用。

利用信号分析仪的功能键，可以对输入的两个信号作互相干函数的互功率谱的分析。

一个典型的互相干函数和互谱相位图表示在图2中。

当互相干函数大于0.8时，此时的频率成份我们认为有效，并求出其相应的相位差φ，代入公式（5）可求出
相应的瑞雷波速度V R ，以此类推，可
以得到各种不同频率的V R ，从而可以
得到实测的瑞雷波频散曲线。

我们可将测量到的瑞雷波速度转
化为横波速度。

因为实践证明横波速
度与岩土的力学性质相关最密切。

只
要知道了横波速度，可根据它与各种
介质的力学参数的关系式，来计算各
种动力参数，如剪切模量、泊松比等。

这些岩土动力参数对于工程设计单位都是重要的参数。

根据统计资料表明，V R 和V S 之间的关系可用下式来表示
s R V V ν
ν++=
112.187.0 （7） 式中ν是泊松比。

对于一般的土而言，泊松比ν是0.45~0.49，而对于岩石泊松比是0.25左右。

因此可以粗略地说，对于土可S 波速度和瑞雷波速度看作大体相同。

对于岩石，S 波速度可粗略为瑞雷波速度的1.1倍。

更精确的计算地下各层的速度参数的方法可以用哈斯克尔—汤姆逊（Haskell-Thomson ）矩阵的反演方法。

实 例 研 究
（一）探测地下的分层结构
四川某水电厂最近发现，引水渠道的一段明渠和某隧道的进口处发生局部坍塌，隧洞内的裂缝张开度已达10mm 以上。

希望帮助查明是在施工初期由于炸药爆炸引起的？还是由于渠道下面存在滑坡层面而引起的？如果在渠道下面存在滑坡面，就要考虑将渠道重新改线，这将造成极大的浪费。

如果不存在滑坡层，只要将原有渠道作加固处理，经费上可大大节约。

这里地形险要，山高坡陡，开展物探工作的难度是较大的。

我们用瑞雷波法在这里做了勘探。

数据的处理和分析是在IBM-286微机上进行的。

图3和图4为接收到的典型地震波形和检波器相隔8m时所得到的互谱相位图。

表2列出了测量点的结果。

图5是用表2结果所画的瑞雷波速度V R随深度变化的曲线。

从这个结果可看出，浅部地层的速度较高，大于300m/s。

原因是这里有不少滚石和碎石。

在深度5m左右可以看到有一个界面，其速度是580m/s。

推断为地下的基岩界面。

往下一直到地下15m左右没有发现中间有明显的低速层和岩石节理面，这各浅层地震勘探资料是一致的。

浅层地震勘探也发现在地下5m左右有一基岩界面。

因而可以推断
在渠道下面没有明显的滑坡层面，对渠道只需
采用加固措施即可。

图3 分别为两个检波器的原始记录图4 信号的互谱相位图
（二）地基处理效果评价
某单位要在原一片沼泽地上盖大批家属宿舍楼。

这片沼泽地虽经填土和压实，承载力还是达不
到设计要求。

为此采用了挤密碎石桩法，以提高浅层土质的承载力。

但处理后效果如何，想用瑞雷波法做出评价。

V-H曲线。

从图上可以看出在地基处理后，瑞雷波图6表示瑞雷波法对地基处理前后实测的R
速度提高了约25m/s。

通过和标准贯入次数的对比后，认为处理的地基较处理前承载力提高了4~5t。

结论
瞬态瑞雷波勘探方法虽然最近刚开始应用于浅层工程物探，它的理论研究工作还有待于进一步的提高，我们的实践还有待进一步的深入，但它的一些明显优点已经显示出来。

比起稳态瑞雷波法，它的野外设备大大减轻，工作效率更加提高，应用范围更加广泛。

和常规的物探方法相比，它有以下一些优点：
V和横波速度Vs相差无几，因而可用它来得到各种岩土的动力参数。

这
1. 瑞雷波的平均速度R
对工程设计是非常有用的。

而且V R比纵波的速度要小，因而有着更高的分辩率。

2. 在被勘探的地层中，可以有速度倒转现象，即在高速层中可以夹低速层。

这在地震勘探的折射法中就不能勘探。

因而用这种方法可以勘探滑坡、混凝土公路面下面的岩土结构等。

3. 测量时所需的场地范围可以很小，并有着较强的抗干扰能力，即使周围有汽车或其它干扰，对仪器测量无多大影响，因而可以在市中心繁华地区或狭窄的小地区来探测。

4. 每一点的测量时间一般仅为几十分钟，在现场就能作实时处理，因而效率很高。

参考文献
[1] 佐藤长范：用GR-810激振系统进行地基勘察，日本VIC株式会社，1986。