瞬態瑞雷面波法在地質勘查中的應用

朱智清，劉 超，張 賽

（1.機械工業勘察設計研究院有限公司，陜西 西安 710043；2.安徽省交通勘察設計院有限公司，安徽 合肥 230011）

近年來，我國經濟高速發展，各種類型的建筑物逐年增長。受自然環境等因素的影響，地質勘查中常常會遇到各種復雜的巖層界面，傳統的勘察方法為鉆探，該方法結果直觀準確，但大面積采用鉆探方法不僅耗時而且成本高，難以滿足礦山建設需要[1，2]。

瞬態瑞雷面波勘探是近些年發展起來的一種地球物理勘探方法，具有操作簡單成本低，勘探精度高等優點，在地質勘察領域中發揮著越來越重要的作用。20世紀50年代人們開始利用瑞雷波在層狀介質中傳播的頻散特性來研究地球內部結構，60年代，Hoykallem等人第一次利用瑞雷面波方法勘察道路的斷面情況，90年代美國堪薩斯州地質調查提出的基于震動源的瞬態面波多道采集和分析方法，大大提高了瑞雷波勘探效率，使其從地震學領域擴展到了地質勘查及其它材料的無損測試應用領域，推動了瑞雷波勘探的迅速發展[3-5]。

本文以瞬態瑞雷面波勘探方法為基礎，結合數值模擬，對瑞雷面波的信號特征、頻散曲線特征及頻散曲線解釋進行細致闡述。

1 瑞雷面波勘探數值模擬

數值模擬是科學研究中常用的方法。對于地震波的數值模擬本質上是解一定邊界條件下的彈性波波動方程，常用方法為有限差分法和有限元法[6-7]。

本文利用有限差分法模擬層狀地層中的瑞雷面波信號。數值模型主要針對地質勘察實際中地層分層情況，共設計了三種水平層狀介質類型。沿模型剖面布置一條測線，共24道檢波器接收。其中，震源到第一個檢波器的距離（偏移距）為2m，各個相鄰檢波器之間的距離（道間距）為2m。采樣間隔為0.5ms，采樣長度為600ms，子波主頻為30Hz。圖1為正演模型和觀測系統示意圖，表1為各彈性介質的參數。

圖1 正演模型及觀測系統

表1 模型參數

2 面波數據處理技術

2.1 面波信號提取

圖2(a)為數值模擬產生的地震記錄。地震記錄中存在直達波、折射波和瑞雷面波。在瞬態面波法數據處理過程中，面波信號的提取是關鍵。

圖2 單炮記錄

面波信號的提取往往采用三種方法：①頻率濾波。頻率濾波的范圍根據探測深度確定。當探測深度較深時，面波中的低頻信號為有效信號，因此可以濾除信號中的高頻成分保留低頻成分；當探測深度較淺時，面波中的高頻信號為有效信號，因此可以濾除信號中的低頻成分保留高頻成分；當探測深度中等時，一般不采用濾波處理。②增益處理。面波信號相對于其它干擾波能量強，利用這個特點，對地震信號進行增益處理，有效的突出面波能量，壓制干擾波能量。③切除處理。當地震記錄中的面波信號同相軸清晰，能量強，易于識別時，可直接對信號進行切除處理，只保留面波信號的部分。

對于模擬信號，瑞雷面波同相軸清晰，能量強，易于識別，因此采用直接切除的方式，只保留面波成分。切除結果如圖2(b)所示。

2.2 頻散曲線提取

面波頻散曲線的提取方法有二維傅里葉變換法、相移法、拉動變換法等[9]。本文利用二維傅里葉變換法提取面波信號的頻散曲線。

首先，對數值模擬的面波信號進行二維傅里葉變換，得到頻率-波數域信號，如圖3(a)所示。其中，縱坐標為頻率，橫坐標為波數，藍色到紅色表示能量由小到大。根據波數和頻率的關系k=f/v，可以計算出面波的相速度。換算出波長r=v/f，乘以深度系數0.5，即可得到此深度的面波速度。依次求出每一個頻率的面波相速度和深度，即可得到如圖3(b)所示的頻散曲線。

圖3 頻散曲線提取

2.3 頻散曲線解釋

面波的頻散曲線是面波勘探的重要依據，能直觀顯示面波排列范圍內地下介質的波速沿深度方向的變化規律。可以通過繪制面波速度斷面等值線圖來直觀反映測線斷面面波速度的變化[9]。

具體做法是：以測點位置為橫坐標，深度為縱坐標，繪制出橫波速度的等值線圖。

圖4為數值模擬數據的橫波速度等值線圖，可以看出在-5m和-15m處速度存在較大的變化，為巖層分界面，與數值模型基本吻合。0～5m的橫波速度為100m/s～150m/s，數值模型的速度為150m/s；-5m～15m的橫波速度為300m/s～450m/s，數值模型的速度為300m/s；-15m～30m的橫波速度為700m/s～800m/s，數值模型的速度為525m/s，可以看出，面波數據處理的速度與原模型存在一定差異。

圖4 橫波速度等值線圖

3 結論

本文采用有限差分法對層狀地層的瑞雷波信號進行了數值，通過二維傅里葉變換提取了瑞雷面波的頻散曲線，根據頻散曲線特征繪制了面波速度等值線圖。得到以下結論：

（1）有限差分法是一種精度高，且計算速度快的數值模擬方法，能有效的模擬出瑞雷波的信號特征；

（2）從數值模擬的面波數據處理中可以看出，面波勘探可以較為精確的反映出地層的厚度與速度，在地層分層的勘察方面有著廣闊的應用前景；

（3）利用面波頻散曲線，通過定量解釋，可以得到各地層厚度及面波速度，但面波法求取的速度與實際速度在數值上存在一定差異，實際勘察中應與鉆探數據相結合，做出最準確的判斷。