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概述

本文重點介紹瑞雷面波的勘探方法及應用領域。文中首先介紹了面波勘探的基本流程、幾種常見的面波勘探方法，以及在不同領域的應用，最后介紹了美國Seismic Source公司的Sigma4+地震儀，該產品在面波勘探領域具有良好的普適性。

隨著工程建設場地復雜程度以及施工難度的提高，巖土工程的施工與設計對地下層位的厚度、橫波速度、巖石物理學參數(shù)提出了更高的精度要求。

面波勘探技術具有探測精度高、土層劃分較精細、干擾小、成本低等特點，近幾十年發(fā)展迅速，并廣泛應用于淺地表勘查。

面波勘探的主要技術方法

   面波勘探的研究始于上世紀60年代。經過幾十年的發(fā)展，面波勘探技術和處理方法已經相當成熟。主動源面波勘探由穩(wěn)態(tài)發(fā)展到瞬態(tài)，再由瞬態(tài)的表面波譜方法發(fā)展到多道瞬態(tài)面波勘探方法，勘探精度及勘探效率也在逐漸提高，應用的領域也越來越廣泛。

   與主動源不同，被動源方法在工程應用方面起步較晚，但發(fā)展速度較快，方法也越來越成熟，包括空間自相關法、頻率波數(shù)法、HV譜比法等。

主動源面波勘探方法

01 穩(wěn)態(tài)面波法

穩(wěn)態(tài)面波的應用相對較早，它主要是通過激振器發(fā)出某一頻率的正弦波，然后使接收點的距離等于激發(fā)頻率對應的波長，此時示波器將顯示相同相位的波形。將檢波器移動到n倍波長時，n個測點連成的時距曲線的斜率就是對應頻率的面波速度。通過激發(fā)不同頻率的信號，然后將這一系列頻散點連接起來即為頻散曲線 。在得到頻散曲線后，根據(jù)瑞雷波與剪切波的速度關系，以及面波反演中的半波長法，就可以得到二維橫波速度剖面。該方法由于采用的是經驗法得到的橫波速度結構，因此存在一定的誤差。由于穩(wěn)態(tài)面波法設備笨重，在地形復雜地區(qū)很難操作，給施工帶來一定的麻煩，后來這種方法的應用逐漸減少。

02 表面波譜分析方法(SASW)

表面波譜分析法通過震源激發(fā)地震波信號以后，將會產生一較寬頻帶的信號，然后利用兩個檢波器進行接收，并根據(jù)兩個檢波器的距離以及單一頻率的相位差，可求得此頻率的相速度，進而得到頻散曲線。SASW方法可以同時檢測多層介質中各層的厚度及速度，測量速度快，精度相對較高。但由于工區(qū)噪聲、信號衰減、以及空間假頻和近場效應的影響，一般測得的數(shù)據(jù)頻帶范圍廣。為了提高頻帶的分辨率，實際數(shù)據(jù)采集過程中，要調整近源檢波器與源的距離，使其和道間距相等 。表面波譜法相對于穩(wěn)態(tài)法而言，施工簡便，更能適應地形的復雜多變，但是由于一直沿用2個垂直分量檢波器接收，道數(shù)較少，在干擾波復雜的地區(qū)很難達到較好的勘探效果。

03 頻率波數(shù)法(F-K)

頻率波數(shù)法是通過二維傅里葉變換將頻率空間域的信號轉化成頻率波數(shù)域，然后得到一個炮集記錄的能量分布情況，再根據(jù)振幅能量最大的特點提取頻散曲線 。但傳統(tǒng)的頻率波數(shù)法存在一定的缺陷，對高階的能量分比率較差，進入21世紀以后，在傳統(tǒng)方法的基礎上對其進行了改進優(yōu)化：將傳統(tǒng)的頻率–波數(shù)域波數(shù)形式改造成頻率–速度域形式，然后引入多重信號分類算法將空間譜相關矩陣分解為信號子空間和噪聲子空間兩個部分，最后利用噪聲子空間部分生成最終的面波頻散圖像，大大提高了精度。經過改進后的頻率波束法，可以提高高階面波的分辨率，但是由于對于檢波器的要求比較高，采集過程中檢波器沿著測線等間距分布，中間不能有空道，否則就會影響其成像精度。

04 τ-p法

τ-p法是一種離散化的線性拉東變換。它將時間和空間域的地震數(shù)據(jù)按照不同的截距時間 τ 和斜率p作切割線，然后傾斜疊加投影到 τ-p 域，接著進行一維傅里葉變換，將 τ-p 域結果映射到 f-p 域，再根據(jù)速度與慢度的關系，將 f-p 域的結果映射到f-v域，就可以看到面波能量的頻散現(xiàn)象，并根據(jù)能量團最大的特點提取頻散曲線 。

τ-p法對面波高階的分辨率較高，并且經過改進之后，對于提取瞬態(tài)瑞雷波頻散曲線具有失真小、可靠性高、壓制假頻和端點效應好等優(yōu)點。

05 相移法

該方法可以說是頻率波數(shù)法的改進，它的不同在于未變換到波數(shù)域而直接利用了空間相位信息來計算相速度。具體做法是把變換到頻率域后的面波記錄表示成振幅與相位的乘積，然后將振幅項進行歸一化處理，此時會形成單炮的頻散能量圖，依據(jù)能譜提取頻散曲線。相移法對基階面波頻散曲線的提取效果較好，并且經過伍敦仕改進之后的互相關相移法，提高了常規(guī)相移法在面波頻散成像方面的品質，更加能適應對基階面波的分辨。

06 傾斜疊加法

傾斜疊加法只和偏移距有關，與檢波器的排列方式無關，該方法利用頻率掃描函數(shù)與炮集記錄進行卷積將頻率分解，把時間變?yōu)轭l率，接著用傾斜疊加的方式得到每個速度的疊加能量值，使瑞雷波頻散曲線的精度得到較大幅度的提高。傾斜疊加法為三維面波勘探的理論打下了基礎，未來更加能夠適應三維面波勘探任務。

被動源面波勘探方法

01 空間自相關法(SPAC)

空間自相關法關鍵在于計算自相關系數(shù)，然后根據(jù)系數(shù)計算相速度，目前主要分為時域計算和頻域計算兩種方式。時域計算首先是將連續(xù)記錄的數(shù)據(jù)進行截取，分成若干的道集記錄；然后對每一道數(shù)據(jù)進行窄帶濾波，計算不同頻率時圓心與圓周上各點的空間自相關系數(shù)，并且進行方位平均；最后使用不同觀測半徑的自相關系數(shù)計算相速度。頻率域的計算過程是去掉了窄帶濾波這個過程，只進行一次傅里葉變換就可以在時域里進行計算，大大提高了計算效率。SPAC方法只需較少的接收點就能反映較寬的頻率范圍，特別是對低頻段的信息分辨率較高，但很難分辨高階面波。

02 頻率波數(shù)法(F-K)

F-K法相對于傳統(tǒng)SPAC法，臺陣布設比較靈活，十字型、L型、圓形等都可以。傳統(tǒng)的頻率波數(shù)法是利用中心頻率不同的窄帶濾波器，提取相似性較好的各數(shù)據(jù)段中不同頻率的F-K功率譜，根據(jù)功率譜上最大的峰值坐標，計算得到不同頻率的相速度值。由于被動源波場一般都比較復雜，F(xiàn)-K頻譜上經常會出現(xiàn)多個峰值，使得分辨率降低，給提取頻散曲線帶來一定的困難。后來在此基礎上對傳統(tǒng)的方法進行了改進，主要是將各個方向上的F-K頻散譜疊加，然后在疊加后的頻散譜上提取頻散曲線。具體的做法是將連續(xù)記錄的數(shù)據(jù)截取成記錄長度一樣的道集記錄，然后經過二維波場變換生成頻散譜，再將所有方向上的頻散譜疊加合成新的頻散譜。F-K法能分辨高階面波，但采集過程中需要較多的接收點，而且當信號源來自各個方向時，分辨率會顯著降低。

03 HV譜比法(HVSR)

HVSR法主要是在自相關分析的基礎上，計算同一觀測點水平分量和垂直分量的譜比，并依據(jù)譜比估算地下橫波速度特征，同時可以根據(jù)譜比峰值對應的頻率推測地層地下構造，是一有效的半定量的地震場地評價方法。HV譜比法相對于其他方法，采集相對方便，能適應各種的地形，但是不能完全定量的反演地下橫波速度結構，目前國內外的應用還比較少，大多用在區(qū)域地質構造調查中。

面波勘探的基本流程

面波勘探主要是應用其頻散特性，即在均勻水平層狀介質中，其速度會隨著頻率變化，頻率越低，傳播的速度就會受到越深的地層介質的影響。其基本流程包括三方面(如圖1)：通過野外觀測獲得不同頻率的面波數(shù)據(jù)；再利用一定的處理方法提取頻散曲線；最后經過反演方法獲得二維橫波速度結構，從而得到不同深度的介質屬性。

01 面波數(shù)據(jù)采集

原始數(shù)據(jù)采集時要根據(jù)勘探深度及目的來設定，主動源面波勘探主要以線型為主(如圖2)，道間距要小于最小勘探深度；偏移距一般根據(jù)地層波速來設定；最大源檢距采集到的面波要保證能被記錄到；激振方式(錘擊、炸藥)要根據(jù)勘探深度和薄層厚度來確定。而被動源數(shù)據(jù)采集一般要布設臺陣(如圖3)，臺間距的1~5倍為有效探測深度（此處不同文獻描述各不相同，僅做參考）。同時，臺陣有方向選擇性，對于平行于排列方向的波的分辨力好，因此目前圓形臺陣與三角形臺陣在實際應用中比較常見。

02 頻散曲線提取

頻散曲線的提取是面波勘探關鍵的一步，其精度的高低將直接影響后面的反演。目前主動源面波頻散曲線提取的方法比較多，但每一種方法有自己的優(yōu)缺點，比如τ-p法對高階模態(tài)的提取效果較好，而相移法對基階模態(tài)的提取效果較好，實際應用中兩者可以優(yōu)勢互補。F-K法對高階面波敏感程度更高。傾斜疊加法可為三維面波勘探提供方法技術支持。高分辨率線性拉東變換可以降低噪聲模型的數(shù)據(jù)限制，提高能量譜的分辨率。被動源面波中SPAC法應用的較多，這主要是因為它對低頻段信息分辨率高，而且頻率范圍寬；F-K法能夠區(qū)分高階面波，但要求的接收點較多，而且當信號源來自各個方向時，分辨率會顯著降低。HV譜比法采集相對方便，能適應各種的地形，但不能完全定量的反演地下橫波速度結構。

03 橫波速度反演

最早面波反演用的是半波長經驗法，這種方法算出的結果一般誤差較大，后來發(fā)展為通過建立正演模型不斷進行擬合，調整與實際頻散曲線的誤差，得出反演結果的方式。隨著近些年最優(yōu)化理論的發(fā)展，目前反演方法主要分為最小二程法和全局搜索算法，前者對初始模型要求比較高，后者較低，但收斂速度會變慢 。實際應用時應根據(jù)工區(qū)的地質情況和勘探目的，合理的選擇反演方法。

03 Sigma 4+ 地震儀

Sigma系列地震儀是Seismic Source公司出品的性能優(yōu)越的無線連續(xù)記錄地震系統(tǒng)，該系列最新型號Sigma4+可在無需任何數(shù)字傳輸電纜的情況下，可很好地實現(xiàn)傳統(tǒng)設備所有功能，包括震源控制系統(tǒng)、靈活的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、GPS時間同步系統(tǒng)、遠程控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)記錄質量檢查系統(tǒng)、以及地震數(shù)據(jù)收集功能。

———Sigma 4+地震儀———

Sigma4+地震儀包括3通道和4通道兩種型號，可選外接任意主頻檢波器或內置2Hz主頻檢波器，多臺設備可組合擴展至數(shù)百個通道，該設備輕便小巧，堅固，通過連接不同主頻檢波器，可兼容所有的面波勘測方法，其無線設備特性可不受地形約束展開陣列，靈活開展測量。

應用領域

油氣勘測

誘發(fā)地震監(jiān)測

地質巖土工程

振動/聲學監(jiān)測

地震監(jiān)測

解決方案

油氣勘測用戶：反射波法

誘發(fā)地震監(jiān)測用戶：長期/短期監(jiān)測、地面測量-井中監(jiān)測、地面測量-注入監(jiān)測（水力壓裂、廢液注入/處理）

地面測量：礦井挖掘監(jiān)測

工程地震用戶：反射波法、折射波法、MASW、RiMi、SPAC、HVSR

振動/聲學監(jiān)測用戶：有人值守/無人值守監(jiān)測、速度/加速度監(jiān)測、強震動監(jiān)測

地震監(jiān)測用戶：寬頻帶地震儀

Sigma 4+已經幾乎被用于所有類型的記錄工作：結合多種震源，從簡單的2D測線到復雜的3D成像應用。Sigma可以較好地應用于三分量測量、單點接收、地質技術、被動源勘探、微震、以及監(jiān)測。Sigma可以在多種震源下單獨應用或與有線設備聯(lián)合部署使用。

本文主要參考文獻：

[1]  夏江海, 高玲利, 潘雨迪, 等. 高頻面波方法的若干新進展[J]. 地球物理學報, 2015, 58(8): 2591-2605.  

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[3]  楊成林. 瑞雷面波勘探原理及其應用[J]. 物探與化探, 1989, 13(6): 465-468.  

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