高频面波方法

高频面波方法

摘要：自20世纪80年代起通过多道地震记录系统获取高频（≥2 Hz)瑞雷面波数据以求取近地表地球物理中剪切（S）波速度的方法开始被使用。这篇综述文章讨论的是最近15年来堪萨斯地质调查所与中国地质大学的科研团队在高频面波技术中取得的主要成果。面波的多道分析方法（MASW）是一种非入侵式的确定近地表剪切波速度的声波勘探方法。MASW 与直接测井方法的结果只有不到15%的差异。研究表明进行面波的高阶模式和基阶模式的同步反演能够提高模型分辨率和勘探深度。另外一个重要的地震参数，品质因子（Q），也能利用MASW方法通过反演瑞雷面波的衰减系数得到。一个反演模型可以通过阻尼最小二乘法求得，反演模型解范围内的最佳阻尼因子由模型分辨率矩阵和模型协方差矩阵加权求和的迹构成的目标函数所确定。目前的科技进展包括近地表介质中高频瑞雷面波建模，其为时间-偏移域中的浅层地震和瑞雷面波反演打下了基础。以任意检波器排列方式获取数据做频率-速度域的频散能量高分辨率成像的技术为3维面波勘探打开了窗口。成功的面波模式分离为获取高水平分辨率剪切波速度剖面提供了有价值的技术手段。

关键词：瑞雷面波，频散，高阶模式，模式分离，地震建模，模型验证

前言

面波具有导波和频散的性质。瑞雷面波是沿着自由表面传播的面波，例如大地-空气或者大地-水的交界面，并且往往以相对低的速度，低的频率，以及高振幅为特征。瑞雷面波是纵波和Sv波干涉行成的。在均匀介质中基阶模式瑞雷面波质点运动轨迹是从左到右沿着自由表面按照椭圆轨道逆时针方向运动。随着深度的增加，到了足够深度时质点运动轨迹变成了顺时针方向并且仍然是椭圆轨道。质点的运动轨迹被约束到了与波传播方向一致的垂直面上。由于固体的均匀半空间的原因，瑞雷面波不是频散的并且当泊松比等于0.25时以几乎0.9194Vs（剪切波速度）的速度传播，这里的Vs（剪切波速度）是半空间的横波速度（sheriff and Geldart，1983）。然而，由于在固体均匀半空间上覆盖了一层速度较低的层，当瑞雷面波的波长为该层厚度的1到30倍范围内是，瑞雷面波会发生频散现象（Stokoe et al。，1994）。在给定模型中更长的波长穿透更深的深度，一般具有更大的相速度，并且对深层的弹性性质更敏感（Babuska and Cara，1991）。相反地，相对短的波长对浅层的物理性质更敏感。因此，在一个特定阶数的面波中，出现了一个特定的相速度对应一个特定的波长的面波频散现象。

剪切波速度能够通过反演面波（瑞雷面波或者拉夫面波）的频散相速度得到（e.g., Dorman and Ewing, 1962)。近地表剪切波速度也能通过反演高频瑞雷面波得到。一些地震方法利用瑞雷面波的频散获取近地表介质的剪切波速度。Stokoe和Nazarian（1983）以及Nazarian et al.(1983)提出了一种面波勘探方法，面波的谱分析（SASW），其通过分析瑞雷面波的频散曲线生成近地表的剪切波速度剖面。Matthews et al.(1996)用详细的图表总结了SASW方法和连续面波法（CSW）（Tokimatsu et al.,1991; Abbiss, 1981)。在最近的15年，堪萨斯大学的堪萨斯地质调查所（KGS）开发了一种叫做面波多道分析（MASW）的方法，这种方法能追溯到Song et al.(1989)的研究成果中。这种方法包括高频（≥2 Hz)宽频瑞雷面波的采集，瑞雷面波中频散曲线的提取，获取近地表剪切波速度剖面的频散曲线反演。随着地球物理团队在地质和地球物理问题上的应用，MASW方法引起了越来越多的关注，因为这种方法具有非侵入性，非危险性，低成本，以及相对高的精度。它成为了近地表地质，环境，工程应用中获取剪切波速度的主要方法。

在地下水，工程，环境研究，以及石油勘探中，近地表介质的弹性性质与其对地震波传播的影响是重要的研究目标。剪切波速度是建筑工程中的关键参数。作为一个案例，Imai 和Tonouchi（1982）研究了路堤，以及冲击层，洪积层，和第三纪岩层中的纵波速度和剪切波速度，证明了在这些沉积层中剪切波速度与N值的一致性。（打桩的锤击数；Clayton et

al.,1995;Clayton,1993)，在土力学与地基工程中岩石硬度的指标值。剪切波速度也是评估近地表土质动力学特性的一个重要参数（Yilmaz et al., 2006)。例如，统一建筑规定（UBC）和

欧洲建筑规定8（EC8）使用v s30，表层30米土质的平均剪切波速度，作为对地震工程设计目的进行土质类型划分的依据（Sabetta和Bommer，2002；Secoe和Pinto，2002；Dobry et al., 2000)。在石油勘探中，近地表层充当了一个滤波器使深层的反射情况变得模糊。为了消除模糊效应，准确求取近地表速度信息是至关重要的。然而，确定近地表速度是一个很困难的工作，尤其在剪切波反射/绕射勘探中。Xia et al. (2002b,1999)讨论了这个问题，MASW方法是一种确定近地表层剪切波速度的可供选择的成功方法。

堪萨斯地质调查所的研究人员将MASW方法用于解决众多的地质，环境，和工程问题，同时也分析高阶模式面波在面波反演和探测深度中的作用，反演瑞雷面波的衰减系数估计近地表品质因子（Q）的可行性，以及数据分辨率矩阵和模型分辨率矩阵在面波数据选择中的应用等。在过去的五年中，中国地质大学地球物理与空间信息学院的研究人员与堪萨斯地质调查所的研究人员紧密合作发展了正演建模，频率-速度域高分辨率图像生成，模式分离，和提高面波反演的水平分辨率的技术。在这篇综述中，我们的讨论将主要围绕基本原理和这两个团队采用的MASW方法的最新进展。

近地表地震参数

瑞雷面波沿着或者在地表附近传播，并且通常以相对低的速度，低频率，和高振幅为特征。面波的主要特征是频散，其意味着面波的速度随着频率而改变并且主要受剪切波速度的影响。Song et al.(1989)提出了一种利用多道分析方法使用高频面波确定近地表剪切波速度的方法。在20世纪90年代早期，堪萨斯地质调查所启动了一个使用MASW方法确定近地表剪切波速度的系统研究项目。MASW方法最大的优势是易于识别面波（基阶和高阶模式波），消除体波能量，确定面波的相速度，以及获得准确的剪切波速度。近地表介质的地震参数是

纵波和剪切波速度，纵波品质因子Q p，以及剪切波品质因子Q s。在接下来的章节，我们将讨论MASW方法从一个炮集求取剪切波速度剖面（剪切波速度与深度）的主要步骤（图.1）以及展示一种利用瑞雷面波的振幅确定Q s的方法。

图1.一张MASW方法的图表（Xia et al.,2004a)。第一次采集的多道野外原始数据，包括加强了的瑞雷面波信号。在野外数据的频率-速度域中提取瑞雷面波的相速度。最终，相速度被反演生成剪切波速度剖面（剪切波速度与深度）。