瞬態(tài)面波勘探原理及存在問(wèn)題研究

劉金華　白華軍

【摘 要】面波勘探是國(guó)內(nèi)外近幾年發(fā)展起來(lái)的一種新的淺層地震勘探方法。本文試對(duì)其應(yīng)用范圍、勘探原理以及存在的問(wèn)題逐一考察。

【關(guān)鍵詞】面波勘探 地震波

面波勘探，也稱(chēng)彈性波頻率測(cè)深，是國(guó)內(nèi)外近幾年發(fā)展起來(lái)的一種新的淺層地震勘探方法。面波分為瑞利波（R波）和拉夫波（L波），而R波在振動(dòng)波組中能量最強(qiáng)、振幅最大、頻率最低，容易識(shí)別也易于測(cè)量，所以面波勘探一般是指瑞利面波勘探。通過(guò)幾年的實(shí)踐和初步研究，R波在巖土工程勘察中的應(yīng)用大致分為以下幾個(gè)方面：

⑴查明工程區(qū)地下介質(zhì)速度結(jié)構(gòu)并進(jìn)行地層劃分；

⑵對(duì)巖土體的物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行原位測(cè)試；

⑶工業(yè)與民用建筑的地基基礎(chǔ)勘察；

⑸地下空洞、巖溶、古墓及廢棄礦井的埋深、范圍等探測(cè)；

⑹軟土地基加固處理效果評(píng)價(jià)及飽和砂土層的液化判別；

⑺公路、機(jī)場(chǎng)跑道質(zhì)量的無(wú)損檢測(cè)；

⑻江河、水庫(kù)大壩（堤）中軟弱夾層的探測(cè)和加固效果評(píng)價(jià)等；

⑼場(chǎng)地土類(lèi)別劃分及滑坡調(diào)查等；

⑽斷層及其它構(gòu)造帶的測(cè)定與追蹤等。

一、勘探原理

面波是一種特殊的地震波，它與地震勘探中常用的縱波（P波）和橫波（S波）不同，它是一種地滾波。彈性波理論分析表明，在層狀介質(zhì)中，拉夫波是由SH波與P波干涉而形成，而瑞利波是由SV波與P波干涉而形成，且R波的能量主要集中在介質(zhì)自由表面附近，其能量的衰減與r^-1/2成正比，因此比體波（P、S波∝r^-1）的衰減要慢得多。

綜合分析表明R波具有如下特點(diǎn)：

⑴在地震波形記錄中振幅和波組周期最大，頻率最小，能量最強(qiáng)。

⑵在不均勻介質(zhì)中R波相速度（V_R）具有頻散特性，此點(diǎn)是面波勘探的理論基礎(chǔ)。

⑶由P波初至到R波初至之間的1/3處為S波組初至，且V_R與V_S具有很好的相關(guān)性。

⑷ R波在多道接受中具有很好的直線性，即一致的波震同相軸。

⑸質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡為逆轉(zhuǎn)橢圓，且在垂直平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)。

⑹ R波是沿地表傳播的，且其能量主要集中在距地表一個(gè)波長(zhǎng)（λ_R）尺度范圍內(nèi)。

依據(jù)上述特性，通過(guò)測(cè)定不同頻率的面波速度V_R，即可了解地下地質(zhì)構(gòu)造的有關(guān)性質(zhì)并計(jì)算相應(yīng)地層的動(dòng)力學(xué)特征參數(shù)，達(dá)到巖土工程勘察之目的。

二、存在問(wèn)題

雖然面波探測(cè)技術(shù)在工程中的應(yīng)用已很廣泛，但實(shí)際工作中還存在以下問(wèn)題：

1.關(guān)于實(shí)測(cè)面波頻散曲線的“Z”字型現(xiàn)象，從理論模型的解析中還不能精確地解釋此現(xiàn)象。因?yàn)槔碚摰念l散曲線，在介質(zhì)分界面處只出現(xiàn)折點(diǎn)，對(duì)此還需深入研究和數(shù)值模擬計(jì)算。

2.對(duì)于面波勘探深度的確定，目前國(guó)內(nèi)外大多采用半波長(zhǎng)作為R波的勘探深度，但在實(shí)際工作中，應(yīng)根據(jù)場(chǎng)地地質(zhì)條件、探測(cè)對(duì)象以及孔旁測(cè)試對(duì)比結(jié)果等作適當(dāng)調(diào)整。

3.測(cè)試深度相對(duì)較淺，一般情況下可靠的測(cè)量深度為20～30m，最深不過(guò)50～60m。當(dāng)測(cè)試深度加大時(shí)，震源信號(hào)就必須具有足夠的低頻信號(hào)，目前尚難滿足此要求。就該問(wèn)題筆者建議由原來(lái)的算術(shù)坐標(biāo)系改為波長(zhǎng)為對(duì)數(shù)的單對(duì)數(shù)坐標(biāo)系，可使低頻段頻散點(diǎn)稀少問(wèn)題得以改觀。

⑷根據(jù)不同的勘測(cè)目的和要求，對(duì)產(chǎn)生R波的震源需作必要的改進(jìn)和研究，以適應(yīng)勘察的需要。如用錘子作震源時(shí)其低頻值為10～20Hz左右，而用砂袋作震源時(shí)低頻值為3～10Hz左右。

面波勘探作為一種新的淺層地球物理勘探方法，具有簡(jiǎn)便、快速、經(jīng)濟(jì)、分辨率高、適用場(chǎng)地小、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，但對(duì)面波勘探理論的研究以及實(shí)際應(yīng)用等有待進(jìn)一步的深入和開(kāi)拓，使之在生產(chǎn)實(shí)踐中不斷總結(jié)、完善和提高。