瞬態面波勘探原理及存在問題研究

劉金華　白華軍

【摘 要】面波勘探是國內外近幾年發展起來的一種新的淺層地震勘探方法。本文試對其應用范圍、勘探原理以及存在的問題逐一考察。

【關鍵詞】面波勘探 地震波

面波勘探，也稱彈性波頻率測深，是國內外近幾年發展起來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波在振動波組中能量最強、振幅最大、頻率最低，容易識別也易于測量，所以面波勘探一般是指瑞利面波勘探。通過幾年的實踐和初步研究，R波在巖土工程勘察中的應用大致分為以下幾個方面：

⑴查明工程區地下介質速度結構并進行地層劃分；

⑵對巖土體的物理力學參數進行原位測試；

⑶工業與民用建筑的地基基礎勘察；

⑸地下空洞、巖溶、古墓及廢棄礦井的埋深、范圍等探測；

⑹軟土地基加固處理效果評價及飽和砂土層的液化判別；

⑺公路、機場跑道質量的無損檢測；

⑻江河、水庫大壩（堤）中軟弱夾層的探測和加固效果評價等；

⑼場地土類別劃分及滑坡調查等；

⑽斷層及其它構造帶的測定與追蹤等。

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：

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。

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

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質點運動軌跡為逆轉橢圓，且在垂直平面內運動。

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

依據上述特性，通過測定不同頻率的面波速度V_R，即可了解地下地質構造的有關性質并計算相應地層的動力學特征參數，達到巖土工程勘察之目的。

二、存在問題

雖然面波探測技術在工程中的應用已很廣泛，但實際工作中還存在以下問題：

1.關于實測面波頻散曲線的“Z”字型現象，從理論模型的解析中還不能精確地解釋此現象。因為理論的頻散曲線，在介質分界面處只出現折點，對此還需深入研究和數值模擬計算。

2.對于面波勘探深度的確定，目前國內外大多采用半波長作為R波的勘探深度，但在實際工作中，應根據場地地質條件、探測對象以及孔旁測試對比結果等作適當調整。

3.測試深度相對較淺，一般情況下可靠的測量深度為20～30m，最深不過50～60m。當測試深度加大時，震源信號就必須具有足夠的低頻信號，目前尚難滿足此要求。就該問題筆者建議由原來的算術坐標系改為波長為對數的單對數坐標系，可使低頻段頻散點稀少問題得以改觀。

⑷根據不同的勘測目的和要求，對產生R波的震源需作必要的改進和研究，以適應勘察的需要。如用錘子作震源時其低頻值為10～20Hz左右，而用砂袋作震源時低頻值為3～10Hz左右。

面波勘探作為一種新的淺層地球物理勘探方法，具有簡便、快速、經濟、分辨率高、適用場地小、應用范圍廣等優點，但對面波勘探理論的研究以及實際應用等有待進一步的深入和開拓，使之在生產實踐中不斷總結、完善和提高。