多道瞬態(tài)瑞雷面波勘察對(duì)比試驗(yàn)分析

吳華平

（1.廣東省地震局，廣州 510070；2.中國(guó)地震局地震監(jiān)測(cè)與減災(zāi)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510070；3.廣東省地震預(yù)警與重大工程安全診斷重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510070）

多道瞬態(tài)瑞雷面波勘察對(duì)比試驗(yàn)分析

吳華平1，2，3

（1.廣東省地震局，廣州 510070；2.中國(guó)地震局地震監(jiān)測(cè)與減災(zāi)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510070；3.廣東省地震預(yù)警與重大工程安全診斷重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510070）

闡述了瞬態(tài)瑞雷面波勘察的原理和方法，通過(guò)對(duì)比勘探，分析24道檢波數(shù)據(jù)與12道檢波數(shù)據(jù)解譯頻散特征；試驗(yàn)證明前者勘探深度深，分辨率高，該結(jié)論對(duì)瑞雷面波在工程中的應(yīng)用有一定指導(dǎo)作用。

對(duì)比勘探；頻散特征； 分辨率

0 前言

多道瞬態(tài)瑞雷面波法是一種巖土測(cè)試勘察技術(shù)，因其在非均勻介質(zhì)中的頻散特性和傳播速度與巖土物理力學(xué)性質(zhì)的相關(guān)性，可以解決很多實(shí)際工程地質(zhì)問(wèn)題，并且得到了廣泛的應(yīng)用[1]。隨著科技的進(jìn)步，儀器性能不斷提高，NZXP專業(yè)型24道高精度高分辨率淺層儀問(wèn)世，4.5 Hz2.5 Hz1 Hz等低頻檢波器推出，使面波勘探方法精度和深度有較高提升。

試驗(yàn)場(chǎng)地位于東莞寮步境內(nèi)，線路所處的地貌單元屬平原地貌區(qū)，線路穿過(guò)區(qū)域?yàn)檩^平整的農(nóng)田、雜草地，場(chǎng)地地面高程相差不大[2]，增加檢波道數(shù)，測(cè)線中檢波器所處的場(chǎng)地環(huán)境仍然近似相同，仍然滿足地震勘探的基本理論假設(shè)前提。此次試驗(yàn)分別進(jìn)行了24道檢波數(shù)據(jù)與12道檢波數(shù)據(jù)解釋，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析對(duì)比，前者勘察效果更佳，試驗(yàn)結(jié)果適用性較好。

1 瞬態(tài)瑞雷面波勘探原理、工作方法及資料處理流程

1.1 勘探原理

瞬態(tài)瑞雷面波是指在彈性分界面處由于波的干涉而產(chǎn)生，并且沿界面?zhèn)鞑?，波?dòng)現(xiàn)象集中在界面附近的一種彈性波，它具有以下主要特性[2-6]：

（1）在不均勻介質(zhì)中，瞬態(tài)瑞雷面波的傳播速度VR是頻率f的函數(shù)，其波速隨頻率變化而變化，即瑞雷面波在非均勻介質(zhì)中具有頻散特性，在均勻介質(zhì)條件下瑞雷面波傳播沒(méi)有頻散性；這就是瑞雷面波的頻散特性。在均勻介質(zhì)中無(wú)頻散性和不均勻介質(zhì)中有頻散特性是瑞雷面波勘察的理論基礎(chǔ)[2-3]。

（2）在多層介質(zhì)中，瞬態(tài)瑞雷面波具有明顯的頻散特性。瞬態(tài)瑞雷面波沿地面表層傳播，理論上，影響表層的深度約為一個(gè)波長(zhǎng)。同一波長(zhǎng)（頻率）瞬態(tài)瑞雷面波的傳播特性反映了場(chǎng)地地質(zhì)條件在水平方向的變化情況，不同波長(zhǎng)（頻率）的瞬態(tài)瑞雷面波的傳播特性反應(yīng)了場(chǎng)地地質(zhì)條件在豎直方向的變化情況[4]。

（3）瞬態(tài)瑞雷面波的能量大部分集中在一個(gè)波長(zhǎng)的深度范圍內(nèi)，據(jù)此認(rèn)為瞬態(tài)瑞雷面波的勘察深度約為一個(gè)波長(zhǎng)[5]。

（4）瞬態(tài)瑞雷面波波速近似等于橫波波速，并具有相關(guān)性。瞬態(tài)瑞雷波速和橫波波速的關(guān)系為[1-5]：

式（1）中，當(dāng)V取0.25～0.5范圍時(shí)，Vr/VS則取從0.92～0.95范圍。據(jù)此我們可將瞬態(tài)瑞雷波波速換算成橫波波速。

瑞雷面波數(shù)據(jù)的野外采集，是在地面上沿波的傳播方向，以一定的道間距Δx設(shè)置N+1個(gè)檢波器，就可以檢測(cè)到瞬態(tài)瑞雷面波在NΔx長(zhǎng)度范圍內(nèi)的傳播過(guò)程[8]，如圖1。

圖1 瞬態(tài)瑞雷波測(cè)試原理圖Fig.1 The principle diagram of transient rayleigh wave

設(shè)瞬態(tài)瑞雷面波的頻率為f，相鄰檢波器記錄的瞬態(tài)瑞雷面波的時(shí)間差為Δt（或相位差為Δφ），則相鄰道Δx長(zhǎng)度內(nèi)瑞雷波的傳播速度為[2，7]：

測(cè)量范圍NΔx內(nèi)平均波速為：

在同一地段測(cè)量出一系列頻率對(duì)應(yīng)的Vr值，就可以得到一條Vr～f曲線，即所謂的頻散曲線，頻散曲線的變化規(guī)律與地下地質(zhì)條件存在著內(nèi)在聯(lián)系，通過(guò)對(duì)頻散曲線進(jìn)行反演解釋，可得到地下某一深度范圍內(nèi)的瑞雷波傳播速度Vr值，Vr值的大小與介質(zhì)的物理特性有關(guān)，據(jù)此可對(duì)巖土的物理性質(zhì)做出評(píng)價(jià)[1]。

1.2 工作方法

本次瞬態(tài)瑞雷面波勘察野外數(shù)據(jù)采集采用美國(guó)Geometrics公司生產(chǎn)的Strata Visor NZ XP地震儀，震源采用28磅錘擊震源，為獲取更豐富的低頻信號(hào)來(lái)增加瞬態(tài)瑞雷面波的勘察精度，此次勘察采取了如下措施[2]：

（1）采用多次信號(hào)疊加增強(qiáng)瞬態(tài)瑞雷面波[2]。

（2）采取鐵板加沙袋墊的方式進(jìn)行錘擊激發(fā)方式。

（3）采用主頻為2.5 Hz的低頻檢波器進(jìn)行接收。

主要的野外采集參數(shù)：24/12道檢波，偏移距12 m，道間距2 m，采樣間隔0.5 ms，采樣長(zhǎng)度1 024 ms。

1.3 資料處理流程

瞬態(tài)瑞雷面波法是通過(guò)人工震源單邊激發(fā)，產(chǎn)生一定頻率范圍的瞬態(tài)瑞雷面波，然后通過(guò)振幅譜與相位譜的分析，把記錄中不同頻率的數(shù)據(jù)分離出來(lái)，分別對(duì)各頻率諧波進(jìn)行互相關(guān)運(yùn)算，計(jì)算出它們的傳播速度，進(jìn)而得到一條關(guān)于Vr～f頻散曲線，再根據(jù)Vr～f曲線的結(jié)果進(jìn)行擬合反演計(jì)算，求取場(chǎng)地可勘察巖土層的深度和橫波速度，根據(jù)各巖土層的深度與速度繪制出地層波速影像圖[5-7]。整個(gè)處理流程圖如圖2。

圖2 瞬態(tài)瑞雷面波處理流程圖Fig.2 The data interpretation flow chart of transient rayleigh surface wave

2 24道檢波數(shù)據(jù)與12道檢波原始數(shù)據(jù)及頻散曲線計(jì)算結(jié)果分析

在一定距離范圍內(nèi)，水平向地層變化可以忽略不記的同一場(chǎng)地，采用相同偏移距、道間距、采樣間隔，同源激發(fā)下，24道檢波數(shù)據(jù)與12道檢波數(shù)據(jù)原始記錄分別如下圖3、圖4所示。由于儀器第一道損壞而記錄不到數(shù)據(jù)，但對(duì)瞬態(tài)瑞雷面波勘探影響不大，也不會(huì)改變勘察實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。

從波形數(shù)據(jù)中可看到瞬態(tài)瑞雷面波與干擾信號(hào)（折射波、反射波、直達(dá)波等）分離效果比較明顯，較易辨認(rèn)[2]，24道檢波原始數(shù)據(jù)較12道檢波原始數(shù)據(jù)中記錄的數(shù)據(jù)量大且低頻段信號(hào)豐富。圖4、6分別是12道檢波原始數(shù)據(jù)較12道檢波原始數(shù)據(jù)頻散曲線計(jì)算結(jié)果。24道檢波數(shù)據(jù)與12道檢波數(shù)據(jù)頻散曲線及對(duì)照示意圖分別如下圖5、6、7所示。

圖4 12道檢波原始數(shù)據(jù)Fig.4 The original records of the 12-channel detection data

圖5 24道檢波數(shù)據(jù)頻散曲線Fig.5 The dispersion curve of the 24-channel detection data

圖6 12道檢波數(shù)據(jù)頻散曲線圖Fig.6 The dispersion curve of the 12-channel detection data

圖7 24與12道檢波頻散曲線對(duì)比Fig.7 Comparison of dispersion curve of the 24-channel and 12-channel detection data

從二者頻散曲線對(duì)比中可見：

（1）24道檢波頻散曲線在15 m之前有三處拐點(diǎn)出現(xiàn)，能較好的進(jìn)行分層；12道檢波頻散曲線在7 m前有2處拐點(diǎn)出現(xiàn)，能進(jìn)行較好分層。

（2）7 m之下，12道檢波頻散曲線頻散點(diǎn)距明顯增大，拐點(diǎn)不明顯，說(shuō)明其分辨率在此深度之下明顯下降；24道檢波頻散點(diǎn)距在15 m之上相對(duì)較小，拐點(diǎn)明顯，分辨率較好；證明24道檢波數(shù)據(jù)探測(cè)深度大，分辨率高。如圖8為瞬態(tài)瑞雷面波解釋剖面及鉆探驗(yàn)證結(jié)果。

圖8 瞬態(tài)瑞雷面波解釋剖面及鉆探驗(yàn)證結(jié)果Fig.8 Interpretation section of transient rayleigh wave and verification results of drilling

結(jié)合所收集到相關(guān)地質(zhì)資料，對(duì)瞬態(tài)瑞雷面波資料分析計(jì)算，得出本次勘察場(chǎng)地沿線第四系覆蓋層中各地層劃分結(jié)果[2]，特別是對(duì)測(cè)線中20 m左右以內(nèi)的覆蓋土層（主要為淤泥、淤泥質(zhì)土、粉土、粘土等）的深度和分布范圍等進(jìn)行了較精確的圈定，經(jīng)鉆探資料驗(yàn)證，24道檢波瞬態(tài)瑞雷面波勘察可勘測(cè)范圍內(nèi)土層的分辨精度良好。

（1）瞬態(tài)瑞雷面波頻散曲線拐點(diǎn)與其勘察深度范圍內(nèi)覆蓋土層的分界面基本一致。

（2）在覆蓋土層段瞬態(tài)瑞雷面波波速Vr=90～120 m/s，有比較清晰低速異常現(xiàn)象。

（3）硬塑狀砂質(zhì)粘性土及風(fēng)化層的波速分別為Vr=230～280 m/s、Vr＞280 m/s，顯著高于覆蓋土層。

（4）深度在20 m以下，頻散曲線的頻散點(diǎn)顯著稀疏，拐點(diǎn)變的不明顯，可以說(shuō)明在此勘察場(chǎng)區(qū)地質(zhì)條件下，瞬態(tài)瑞雷面波的分辨精度在20 m深度以下已明顯下降。盡管如此，也很好完成了該場(chǎng)地瑞雷面波勘探任務(wù)。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)本次試驗(yàn)，有如下體會(huì)和認(rèn)識(shí)。

（1）在勘探場(chǎng)地水平向地層變化較小的情況下，24道檢波勘探效果比12道檢波勘探效果好，它提高了探測(cè)深度，增加探測(cè)分辨率。雖然通過(guò)增加最小偏移距、道間距可以提高探測(cè)深度，但分辨率降低了，可信度下降，探測(cè)效果變 “粗”。

（2）瞬態(tài)瑞雷面波勘探的有效深度不僅與能量有關(guān)，還與頻率有關(guān)。在實(shí)際工作中，我們可以通過(guò)增加激發(fā)信號(hào)的低頻成份（增加激發(fā)墊板尺寸或激發(fā)板加墊橡膠墊、沙袋等），使用低頻檢波器，有利于提高分辨率，降低誤差。

（3）實(shí)際工作中可以在工程場(chǎng)地適當(dāng)?shù)妮o以工程鉆探進(jìn)行巖層揭露，作為瞬態(tài)瑞雷面波勘察解釋分層的參考，提高地震綜合解釋精度。

[1]王振東.淺層地震勘探應(yīng)用技術(shù)[M].北京：地質(zhì)出版杜出版，1994.

[2]楊成林.瑞雷波勘探[M].北京：地質(zhì)出版杜出版，1993. [3]何樵登，熊維綱.應(yīng)用地球物理教程-地震勘探[M].北京：地質(zhì)出版社出版，1991.

[4]吳漢杰，陳耀禪.瞬態(tài)面波勘探技術(shù)在高速公路軟基勘察中的應(yīng)用[J].西部探礦工程，2005，114（10）：189-191.

[5]王振東.面波勘探技術(shù)要點(diǎn)與最新進(jìn)展[J].物探與化探，2006，30（6）：1-6.

[6]周軍平，汪魁，劉運(yùn)來(lái).面波勘探方法在填方路基壓實(shí)質(zhì)量檢測(cè)中的應(yīng)用[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào) （自然科學(xué)版），2013，32（1）：50-53.

[7]徐華全.瑞雷面波頻散特征研究及應(yīng)用[D].成都：成都理工大學(xué)，2009.

[8]懂海文.瞬態(tài)瑞雷面波法在公路工程質(zhì)量檢測(cè)中的理論與應(yīng)用研究[D].湖南：湖南大學(xué)，2009.

Comparison and Analysis on Exploration Results of Multichannel Transient Rayleigh Surface Wave Data

WU Huaping1，2，3
（1.Earthquake Administration of Guangdong Province，Guangzhou 510070，China；2.Key Laboratory of Earthquake Monitoring and Disaster Mitigation Technology，CEA，Guangzhou 510070，China；3.Key Laboratory of Earthquake early Warning and Safety Diagnosis of Major Project，Guangdong Province，Guangzhou 510070，China）

This paper discusses the principles and methods of ransient rayleigh surface wave exploration,and then the paper compares and analyzes the dispersion characteristic of the interpretation results of the 24-channel and 12-channel inspection data.The experiment proves that the 24-channel inspection data have higher resolution and deeper exploration depth.There is some guidance for the application of rayleigh surface wave in the project in the future.

Contrast exploration；Dispersion characteristic；Resolution

P631.4

A

1001-8662（2014）03-0040-05

10.13512/j.hndz.2014.03.007

吳華平.多道瞬態(tài)瑞雷面波勘察對(duì)比試驗(yàn)分析[J].華南地震，2014，34（3）：40-44.[WU Huaping.Comparison and Analysis on Exploration Results of Multi-channel Transient Rayleigh Surface Wave Data[J].South china journal of seismology，2014，34（3）：40-44.]

2013-03-26

廣州市部分城區(qū)震害預(yù)測(cè)與防御對(duì)策系統(tǒng)升級(jí)更新項(xiàng)目（GMTC125BZFG0038JO）

吳華平 （1980-），男，工程師，碩士研究生，中國(guó)地質(zhì)大學(xué)地球探測(cè)與信息技術(shù)專業(yè)，主要從事數(shù)學(xué)地質(zhì)，地震工程等方面研究。

E-mail：wuhuaping690@sohu.com.