瞬態(tài)瑞雷面波法在地質(zhì)勘查中的應用

朱智清，劉 超，張 賽

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

近年來，我國經(jīng)濟高速發(fā)展，各種類型的建筑物逐年增長。受自然環(huán)境等因素的影響，地質(zhì)勘查中常常會遇到各種復雜的巖層界面，傳統(tǒng)的勘察方法為鉆探，該方法結(jié)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(shè)需要[1，2]。

瞬態(tài)瑞雷面波勘探是近些年發(fā)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(yōu)點，在地質(zhì)勘察領(lǐng)域中發(fā)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(zhì)中傳播的頻散特性來研究地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)，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(zhì)調(diào)查提出的基于震動源的瞬態(tài)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(lǐng)域擴展到了地質(zhì)勘查及其它材料的無損測試應用領(lǐng)域，推動了瑞雷波勘探的迅速發(fā)展[3-5]。

本文以瞬態(tài)瑞雷面波勘探方法為基礎(chǔ)，結(jié)合數(shù)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(shù)值模擬

數(shù)值模擬是科學研究中常用的方法。對于地震波的數(shù)值模擬本質(zhì)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(shù)值模型主要針對地質(zhì)勘察實際中地層分層情況，共設(shè)計了三種水平層狀介質(zhì)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(tǒng)示意圖，表1為各彈性介質(zhì)的參數(shù)。

圖1 正演模型及觀測系統(tǒng)

表1 模型參數(shù)

2 面波數(shù)據(jù)處理技術(shù)

2.1 面波信號提取

圖2(a)為數(shù)值模擬產(chǎn)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(tài)面波法數(shù)據(jù)處理過程中，面波信號的提取是關(guān)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(jù)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?shù)卣鹩涗浿械拿娌ㄐ盘柾噍S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(jié)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(shù)值模擬的面波信號進行二維傅里葉變換，得到頻率-波數(shù)域信號，如圖3(a)所示。其中，縱坐標為頻率，橫坐標為波數(shù)，藍色到紅色表示能量由小到大。根據(jù)波數(shù)和頻率的關(guān)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(shù)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(jù)，能直觀顯示面波排列范圍內(nèi)地下介質(zhì)的波速沿深度方向的變化規(guī)律?？梢酝ㄟ^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(shù)值模擬數(shù)據(jù)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(shù)值模型基本吻合。0～5m的橫波速度為100m/s～150m/s，數(shù)值模型的速度為150m/s；-5m～15m的橫波速度為300m/s～450m/s，數(shù)值模型的速度為300m/s；-15m～30m的橫波速度為700m/s～800m/s，數(shù)值模型的速度為525m/s，可以看出，面波數(shù)據(jù)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(jié)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(shù)值，通過二維傅里葉變換提取了瑞雷面波的頻散曲線，根據(jù)頻散曲線特征繪制了面波速度等值線圖。得到以下結(jié)論：

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

（2）從數(shù)值模擬的面波數(shù)據(jù)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(shù)值上存在一定差異，實際勘察中應與鉆探數(shù)據(jù)相結(jié)合，做出最準確的判斷。