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1、面波勘探面波勘探Rayleigh Wave ProspectingRayleigh Wave Prospecting概述面波分为瑞利波（面波分为瑞利波（R R波）和勒夫波（波）和勒夫波（L L波），而波），而R R波能量最波能量最强、振幅最大、频率最低，容易识别也易于测量，所以面强、振幅最大、频率最低，容易识别也易于测量，所以面波勘探一般是指瑞利面波勘探。波勘探一般是指瑞利面波勘探。瑞雷波：瑞雷波：P+SVP+SV波波勒夫波：通道波，勒夫波：通道波，SHSH波，速度单调递增，波，速度单调递增，斯通利波：只在地下传播斯通利波：只在地下传播主要内容主要内容瑞雷波的波场特征瑞雷波的波场特征瑞雷波勘探
2、原理及方法瑞雷波勘探原理及方法资料处理及解释资料处理及解释瑞雷波的发展瑞雷波的发展18871887年由英国学者年由英国学者RayleighRayleigh在理论上提出在理论上提出2020世纪世纪5050年代发现瑞雷波的频散现象年代发现瑞雷波的频散现象6060年代起计算机应用于瑞雷波的频散研究，年代起计算机应用于瑞雷波的频散研究，反演地球内部物性参数反演地球内部物性参数7070年代人工激发瞬态瑞雷波勘探（美国）年代人工激发瞬态瑞雷波勘探（美国）8080年代初出现稳态瑞雷波勘探（日本）年代初出现稳态瑞雷波勘探（日本）8080年代开始，我国开始瑞雷波的研究，从稳年代开始，我国开始瑞雷波的研究，从稳态
3、到瞬态态到瞬态瑞雷波瑞雷波地震勘探地震勘探-干扰波干扰波天然地震天然地震-破坏大破坏大工程物探（天然地震）工程物探（天然地震）-面波探测面波探测瑞雷波方程R波实质上是由水平与垂直方向得两位移分量合成的，设：波实质上是由水平与垂直方向得两位移分量合成的，设：自由界面以下为半无限空间，而且自由界面以下为半无限空间，而且x轴和自由界面重合，轴和自由界面重合，z轴自由界面向下轴自由界面向下;R面波且以速度面波且以速度VR沿地表面传播沿地表面传播.其中，其中，a、b为衰减系数（正实数）；为衰减系数（正实数）；A、B为未知系数；为未知系数；V指指S波的波的SV分量；分量；P波的解函数；波的解函数；KR /
4、VR，R波的圆波数。波的圆波数。瑞雷波方程用应力用应力 与位移与位移u关系式关系式 利用自由界面边界条件（应力不连续性），即：利用自由界面边界条件（应力不连续性），即：Z0处，正应力与切应力均为处，正应力与切应力均为0，如果只考虑，如果只考虑x与与z方向，方向，y方方向应力视为向应力视为0，不考虑。，不考虑。其中，其中，A、B为不为为不为0的未知数；的未知数；求解（求解（7）式方程中的非）式方程中的非0解条件为：必须使方解条件为：必须使方程中系数行列式等于程中系数行列式等于0，即：，即：或又因为 为泊松比 且令 则上式变成（C）式中（A）此为一般形式面波的波动方程，有三种表达形式，其解都是用复
5、变函数表示的，（B）瑞雷波速度 当一般岩石，当一般岩石，0.25时，时，,而而 /2(+)，此，此时，时，0.25，称为泊松体。，称为泊松体。瑞雷波质点振动将将式解函数式解函数、代入代入x、z方向位移表达方向位移表达式式式即：式即：分析：分析：当当z，ux 0，uz 0，说明说明R波传播距波传播距 离有限；离有限；位移位移ux（水平）与（水平）与uz（垂直）相位差为（垂直）相位差为/2.即：即：R面波质点的运动轨迹为一椭圆（在面波质点的运动轨迹为一椭圆（在xoz面内）面内）长轴：长轴：b1/0.42D (z)短轴：短轴：a1/0.62D (x)a/b2/3 （长轴长轴/短轴短轴=3/2）瑞雷波
6、传播特性近地表传播，在传播方向的垂直平面内振动。由近地表传播，在传播方向的垂直平面内振动。由纵波（纵波（P）和和横波（横波（SV）相互干涉形成，没有相互干涉形成，没有SH波波波前为高度波前为高度Z=r的的圆柱体圆柱体在震源作用时间在震源作用时间t内，面波仅作用在厚度为内，面波仅作用在厚度为r=Vt的圆柱的圆柱层内，外层为波前，内层为波尾层内，外层为波前，内层为波尾瑞雷波传播特性瑞雷波传播特性穿透深度为一个穿透深度为一个波长，大部分能量集中在半个波波长，大部分能量集中在半个波长内长内垂直位移垂直位移uz超前水平位移超前水平位移ux/2个相位个相位；自由界面：逆时针椭圆极化波（长短轴自由界面：逆时
7、针椭圆极化波（长短轴 3 3：2 2）z=0.193z=0.193：质点沿：质点沿z z轴运动轴运动z0.193z0.193：顺时针：顺时针椭圆椭圆极化极化振幅（能量）随深度迅速衰减振幅（能量）随深度迅速衰减 ，在水平方向按，在水平方向按 衰减，比体波按衰减，比体波按1/r1/r衰减要慢衰减要慢瑞雷波的速度瑞雷波速度与瑞雷波速度与S S波速度近线性关系波速度近线性关系V VR RVVS S，泊松体：，泊松体：V VR R=0.09194V=0.09194VS S泊松比越大，越接近横波速度泊松比越大，越接近横波速度在均匀各向同性介质表面传在均匀各向同性介质表面传播的瑞雷波速度与频率无关播的瑞雷波
8、速度与频率无关在成层的非均匀介质中，在成层的非均匀介质中，具有频散现象，且为正频散具有频散现象，且为正频散速度随频率增加而降低速度随频率增加而降低瑞雷波在非均质中的频散从地震波的频谱理论中可知实际复杂的波动可以认从地震波的频谱理论中可知实际复杂的波动可以认为是由许多为是由许多单频波的叠加单频波的叠加。物理学上，单频波的传播。物理学上，单频波的传播速度称为速度称为相速度相速度V（或相位速度，常指波峰或波谷的（或相位速度，常指波峰或波谷的传播速度传播速度）。瑞雷波包含不同频率的地震子波（分振动），不同频瑞雷波包含不同频率的地震子波（分振动），不同频率的相速度不同，因此分振动干涉迭加形成的总振动率的
9、相速度不同，因此分振动干涉迭加形成的总振动（面波的总振动）也将发生变化。一般将（面波的总振动）也将发生变化。一般将各单频波叠各单频波叠加总振动的极大值（或能量最大值）的传播速度称为加总振动的极大值（或能量最大值）的传播速度称为群速度群速度U。在地震学中，群速度就是地层介质的速度。在地震学中，群速度就是地层介质的速度。频散方程不仅仅与介质的参数（不仅仅与介质的参数（、V VS S、V VP P）有关，而且还与圆频）有关，而且还与圆频率率有关有关频散是指面波在非均匀介质中的传播速度是频率的函数相速度：相位传播的速度群速度：包络传播的速度均匀介质中 相速度=群速度非均匀介质 相速度群速度随着时间的推
10、移，一个脉冲波将会变成一个波列，延续时间随着时间的推移，一个脉冲波将会变成一个波列，延续时间变长。变长。群速度的大小决定于相速度群速度的大小决定于相速度V，还决定于相速度相对，还决定于相速度相对于波长的变化率于波长的变化率 ，当相速度，当相速度V 随随的的增加而增大或随增加而增大或随的减小而减小，由的减小而减小，由V的增大，使的增大，使U U也也增大，而增大，而的的增大会导致频率增大会导致频率 f 的降低变小。此种情况的降低变小。此种情况当当的的增大使增大使 f 降低导致降低导致U 下降的就属于下降的就属于正常频散正常频散。此。此时，时，V U，而且，而且 的变化率是正数。的变化率是正数。反之
11、，则为异常频散反之，则为异常频散频散曲线特征瑞利波的频散特性与波场分布空间内介质的物质成分、瑞利波的频散特性与波场分布空间内介质的物质成分、结构、密度、孔隙度等因素有关。结构、密度、孔隙度等因素有关。瑞利波的频散特征是瑞利波的频散特征是面波工程勘察的基础。是解决工程地质问题最有价值的面波工程勘察的基础。是解决工程地质问题最有价值的性质。性质。瑞雷瑞雷波勘探的直接成果是频散曲线波勘探的直接成果是频散曲线，频散曲线为频散曲线为瑞雷瑞雷波波传播速度与频率的关系曲线。传播速度与频率的关系曲线。频散曲线的形态和变化规律是与地下介质的层厚度、速频散曲线的形态和变化规律是与地下介质的层厚度、速度等密切相关。
12、度等密切相关。一、（VR-f）曲线与波速的关系二层介质条件下：二层介质条件下：二层介质条件下：二层介质条件下：当频率当频率当频率当频率f f f f较高时，曲较高时，曲较高时，曲较高时，曲线近似直线，线近似直线，线近似直线，线近似直线，VR 近似等于第一层介质横波的传播速度，第二层的影响几乎为零 当频率当频率当频率当频率f f f f较低时，曲较低时，曲较低时，曲较低时，曲线也近似直线，线也近似直线，线也近似直线，线也近似直线，等于第二层介质Vs横波的传播速度，第一层的影响几乎为零。在20-40H左右，两层共同影响三层介质条件下：三层介质条件下：三层介质条件下：三层介质条件下：uu当频率当频率
13、当频率当频率f f较高时，较高时，较高时，较高时，渐近线渐近线渐近线渐近线V VR R=V=VR1R1；uu当频率当频率当频率当频率f f较低时，较低时，较低时，较低时，渐近线渐近线渐近线渐近线V VR R=V=VR3R3uu中间为一平缓段，中间为一平缓段，中间为一平缓段，中间为一平缓段，渐近线渐近线渐近线渐近线V VR R V VR2R2中间层即使很薄也会影响曲线的变化率，这一特征提供中间层即使很薄也会影响曲线的变化率，这一特征提供中间层即使很薄也会影响曲线的变化率，这一特征提供中间层即使很薄也会影响曲线的变化率，这一特征提供了分辨薄层的能力了分辨薄层的能力了分辨薄层的能力了分辨薄层的能力频
14、散曲线变化与层速度的关系频散曲线变化与层速度的关系频散曲线变化与厚度的关系频散曲线变化与厚度的关系频散曲线变化与厚度的关系频散曲线变化与厚度的关系1.1.频率（频率（f）-波数（波数（k）坐标）坐标 2.频率(f)-相速度(Vc)坐标 由频率和相速度由频率和相速度根据根据(=V Vc/c/f f)换换算。横坐标是相速算。横坐标是相速度轴，纵坐标是半度轴，纵坐标是半波长轴。基阶模态波长轴。基阶模态频散数据表示为最频散数据表示为最左边的曲线，其余左边的曲线，其余依次为各高阶模态依次为各高阶模态的正演频散曲线。的正演频散曲线。3.3.半波长半波长(/2)-/2)-相速度相速度(V Vc)c)坐标坐标
15、频散曲线影响因素分析频散曲线影响因素分析（一）决定瑞利波传播速度的主要因素：（一）决定瑞利波传播速度的主要因素：岩石或土体中的矿物成分、结构、密度、孔隙度是决岩石或土体中的矿物成分、结构、密度、孔隙度是决定瑞利波速度的主要因素。岩石的含水的饱和度一般来说定瑞利波速度的主要因素。岩石的含水的饱和度一般来说对对V VR R 的影响不大，而在土体中，含水量的大小，使得土的影响不大，而在土体中，含水量的大小，使得土体的物理力学性质会有较大的变化。因此，土体的含水饱体的物理力学性质会有较大的变化。因此，土体的含水饱和度对和度对V VR R值得影响较大。值得影响较大。第一层介质密度第一层介质密度分别是分别
16、是 1.8、2.2、2.4 g/cm,其它参数不其它参数不变时，计算的两变时，计算的两层介质的瑞利波频散曲线层介质的瑞利波频散曲线第二层的第二层的Vp2=1000 m/s,VS2 分别等于分别等于808、692、577 m/S 时计算的三条时计算的三条（VR）频散曲线。）频散曲线。（1：1）分别为分别为Vs1=462 m/s，Vs2=577 m/s，而，而VP1分别为分别为1400、1155、942、770、660 m/s；VP2分别为分别为1748、1443、1000、888、824 m/s时的五条频散曲线。（时的五条频散曲线。（1：22）瑞雷波的模态对于层状地层，面波沿地表传播途经介质的多
17、层结构，包对于层状地层，面波沿地表传播途经介质的多层结构，包含了符合各个界面条件的含了符合各个界面条件的多个模态多个模态（ModeMode）震源激发的弹）震源激发的弹性波，在各个分层中多次反射、透射、谐振，再在地表干性波，在各个分层中多次反射、透射、谐振，再在地表干涉、叠加的过程，导致涉、叠加的过程，导致地表传播的面波包含了各个模态的地表传播的面波包含了各个模态的弹性能量和波长。分层地层的弹性结构，决定了面波的模弹性能量和波长。分层地层的弹性结构，决定了面波的模态组成态组成。了解分析不同地层分层结构的面波模态特征，才。了解分析不同地层分层结构的面波模态特征，才能有效地应用面波测深方法。能有效地
18、应用面波测深方法。瑞雷波的模态层状介质中的面波存在不同的传播方式称为多阶模态。层状介质中的面波存在不同的传播方式称为多阶模态。不同频率的面波可能具有相同的相速度，这些拥有不同相不同频率的面波可能具有相同的相速度，这些拥有不同相速度的面波就是不同的模态。任意给定频率最低相速度叫速度的面波就是不同的模态。任意给定频率最低相速度叫基阶面波，比基阶面波速度高的叫高阶面波。基阶面波，比基阶面波速度高的叫高阶面波。由面波模态的角度看，最简单，也是常见的地层分层结构，由面波模态的角度看，最简单，也是常见的地层分层结构，是地层刚度随深度是地层刚度随深度逐层增加逐层增加，此时地表面波的大部分能量，此时地表面波的
19、大部分能量都集中在都集中在基阶模态基阶模态中，形成的频散特征也比较简单，容易中，形成的频散特征也比较简单，容易据以求出地层的弹性参数。如果地层结构中含有据以求出地层的弹性参数。如果地层结构中含有软弱夹层软弱夹层，或地表为或地表为高刚度地层高刚度地层覆盖，面波的能量将扩展分布于基阶覆盖，面波的能量将扩展分布于基阶和多个高阶的模态中，综合构成复杂的频散特征。此时只和多个高阶的模态中，综合构成复杂的频散特征。此时只有采用提取基阶模态的频散特征，或者综合利用多个模态有采用提取基阶模态的频散特征，或者综合利用多个模态的办法，计算地层的弹性结构。的办法，计算地层的弹性结构。A A：视速度大（同：视速度大（
20、同相轴平缓），视周相轴平缓），视周期短（主频率高），期短（主频率高），它属于浅层折射波它属于浅层折射波和反射波的波型。和反射波的波型。C C：视速度小（同：视速度小（同相轴陡），视周期相轴陡），视周期由短变长（主频率由短变长（主频率变低），它属于变低），它属于面面波基阶模态的波型波基阶模态的波型。B B：视速度比：视速度比 C C 较高（同相轴较缓）较高（同相轴较缓），视周期由比，视周期由比 C C 短（主频率较高），短（主频率较高），它属于它属于面波的几个面波的几个高阶模态的波型高阶模态的波型。横坐标是频率轴，纵坐标是相速度轴。各个模态横坐标是频率轴，纵坐标是相速度轴。各个模态的正演频散数据
21、从左至右，表示从基阶向高阶逐的正演频散数据从左至右，表示从基阶向高阶逐阶变化。阶变化。这是频散数据最基本的图示方式，表现这是频散数据最基本的图示方式，表现出相速度随频率变化的趋势。出相速度随频率变化的趋势。瑞雷波探测原理1 1、瑞雷波在地表一定范围内传播，一般认为：、瑞雷波在地表一定范围内传播，一般认为：地表所地表所测的面波速度看作是某一深度内（如半个波长）的平测的面波速度看作是某一深度内（如半个波长）的平均速度均速度2 2、利用面波的频散特性利用面波的频散特性，均匀介质中不频散，层状介，均匀介质中不频散，层状介质中频散特性取决于质中频散特性取决于各层厚度和横波速度各层厚度和横波速度3 3、不
22、同频率的面波有不同的波长，、不同频率的面波有不同的波长，V VR R随频率随频率变化反映变化反映了不同深度内介质平均性质的改变了不同深度内介质平均性质的改变4 4、同测点以不同频率的面波探测该点地下不同深度的、同测点以不同频率的面波探测该点地下不同深度的地质目标地质目标,解决垂向分辨率问题解决垂向分辨率问题5 5、用同一波长的面波沿水平方向不同测点可探测水平、用同一波长的面波沿水平方向不同测点可探测水平方向变化的地质体方向变化的地质体所以面波法也叫所以面波法也叫弹性波频率测深弹性波频率测深反射波：波阻抗差异反射波：波阻抗差异折射波：波阻抗差异，速度递增折射波：波阻抗差异，速度递增面波：横波速度
23、差异面波：横波速度差异面波探测方法稳态法：单一频率面波（机械偏离式激振器、电磁式激稳态法：单一频率面波（机械偏离式激振器、电磁式激振器）振器）瞬态法：一系列频率的复合脉冲波（锤击、落锤、爆炸）瞬态法：一系列频率的复合脉冲波（锤击、落锤、爆炸）当在圆形激振板上下激振时，当在圆形激振板上下激振时，面波能量面波能量67%67%纵波能量纵波能量7%7%横波能量横波能量26%26%泊松比越大，转换为面波的能量越多泊松比越大，转换为面波的能量越多无源法无源法稳态法测试稳态振动法用稳态震源实测地层的瑞利波频散曲线稳态振动法用稳态震源实测地层的瑞利波频散曲线进行稳态振动法试验时，先在离简谐激振器一定远进行稳态
24、振动法试验时，先在离简谐激振器一定远处（以保证接收的是瑞利波信号）固定检波器处（以保证接收的是瑞利波信号）固定检波器i i，检波器检波器j j的位置可变动，根据的位置可变动，根据两检波器距离和相位两检波器距离和相位差（或同相位时差）以及激振频率求出瑞利波速度；差（或同相位时差）以及激振频率求出瑞利波速度；改变激振频率，重复上述工作，最后可得改变激振频率，重复上述工作，最后可得R R波频散波频散曲线曲线。抗干扰能力强，对震源要求高，效率低抗干扰能力强，对震源要求高，效率低激振时测量出相邻道瑞激振时测量出相邻道瑞利波的利波的同相位时差同相位时差t或或同一时间的相位差同一时间的相位差，可计算出可计算
25、出fi下的下的VRi。当。当激振器的振动频率从高激振器的振动频率从高向低变化时，就可得到向低变化时，就可得到一条（一条（VR-f）曲线）曲线稳态法仪器：主仪器：主仪器：示波器（面波仪或地震仪）。示波器（面波仪或地震仪）。激振器：激振器：稳态激振器要控制激振频率和激振力的稳态激振器要控制激振频率和激振力的大小。常用的激振器有大小。常用的激振器有机械式和电磁式机械式和电磁式两种，其两种，其中前者主要用来进行中前者主要用来进行低频和深层低频和深层测试，而后者由测试，而后者由于激振力有限，大多被用于于激振力有限，大多被用于高频和浅层高频和浅层测试。测试。检波器：检波器：稳态振动法中使用的检波器是接收地
26、表稳态振动法中使用的检波器是接收地表质点质点垂直垂直运动信号的，应根据测试深度和拟试验运动信号的，应根据测试深度和拟试验频率选用适当的检波器。频率选用适当的检波器。测试深度小，试验频率较高，可选用自振频率适宜的位移检波器测试深度小，试验频率较高，可选用自振频率适宜的位移检波器或自振频率较高的加速度检波器；当测试深度大，试验频率小，或自振频率较高的加速度检波器；当测试深度大，试验频率小，则可选用加速度检波器或自振频率很小的位移检波器。则可选用加速度检波器或自振频率很小的位移检波器。瞬态法测试用稳态振动法测定一条地层波速与深度关系曲线用稳态振动法测定一条地层波速与深度关系曲线所占时间和工作量相当大
27、所占时间和工作量相当大，在工程测试中应用很在工程测试中应用很难普及。难普及。瞬态法：瞬态法：利用一次地面冲击，检波器接收多频信利用一次地面冲击，检波器接收多频信号进行频谱分析来确定号进行频谱分析来确定速度速度与频率的关系，由此与频率的关系，由此得到得到瑞雷瑞雷波频散曲线。波频散曲线。天然地震的面波就是瞬态工作方法，天然地震的天然地震的面波就是瞬态工作方法，天然地震的波能量巨大，传播距离远低、周期大，频率低，波能量巨大，传播距离远低、周期大，频率低，周期可达周期可达100100秒，波长可达数千米到数百千米秒，波长可达数千米到数百千米瞬态法瞬态法流程流程瞬态法采用瞬态法采用瞬态冲击（大锤，落锤，炸
28、药）瞬态冲击（大锤，落锤，炸药）作震源，作震源，垂向垂向激发，垂向接收，激发，垂向接收，产生一定频率范围的瑞利波，不同频率产生一定频率范围的瑞利波，不同频率的瑞利波叠加在一起，以脉冲的形式向前传播，因而瞬态的瑞利波叠加在一起，以脉冲的形式向前传播，因而瞬态法记录的信号要经过法记录的信号要经过频谱分析、相位谱分析，把各个频率频谱分析、相位谱分析，把各个频率的瑞利波分离开来，从而得到一条的瑞利波分离开来，从而得到一条VR-f曲线。曲线。仪器设备主要包括仪器设备主要包括:震源震源、检波器、工程检测仪、电源、大线等。、检波器、工程检测仪、电源、大线等。震震源信号是由铁锤或其它重物竖向冲击地面而产源信号
29、是由铁锤或其它重物竖向冲击地面而产生的，显然生的，显然冲击物质量冲击物质量(M)(M)、冲击面积（以半径、冲击面积（以半径r r0 0表达）以及冲击速度表达）以及冲击速度V V等因素会对它的频率成分等因素会对它的频率成分及能量大小产生影响。及能量大小产生影响。震源震源信号主频率与信号主频率与(r(r0 0/M)/M)1/2 1/2 成正比，而振幅与成正比，而振幅与(r(r0 0/M)/M)1/21/2 成反比；冲击速度成反比；冲击速度V V主要影响振幅的大主要影响振幅的大小，主频几乎与它无关；另外，冲击物模量和地小，主频几乎与它无关；另外，冲击物模量和地层波速越低，则振源主频率越小，但主频段宽
30、度层波速越低，则振源主频率越小，但主频段宽度增大。因此，增大。因此，在测试浅层波速时宜采用小质量、在测试浅层波速时宜采用小质量、大底面积的物体作振源（如小铁锤）；当测试深大底面积的物体作振源（如小铁锤）；当测试深层波速时，应采用大质量、小底面积的物体作振层波速时，应采用大质量、小底面积的物体作振源，并以较高速度冲击地面。源，并以较高速度冲击地面。接收参数设置接收参数设置一般采用纵测线观测系统一般采用纵测线观测系统A.偏移距偏移距(最佳接受段最佳接受段):在记录上面波与反射波明显分离开，在记录上的在记录上面波与反射波明显分离开，在记录上的基阶波基阶波清晰清晰明显可辨，一般与勘探深度相同明显可辨，
31、一般与勘探深度相同B.道间距道间距:一般取最小探测深度对应波长的（一般取最小探测深度对应波长的（1/31）RC.排列长度排列长度:勘探深度的两倍勘探深度的两倍D.记录长度记录长度:在整张记录上各道均有完整的面波波形记录在整张记录上各道均有完整的面波波形记录E.检波器的选择检波器的选择:主要考虑工作频率主要考虑工作频率,根据探测目的合理选择相根据探测目的合理选择相应频率的检波器，应频率的检波器，垂直分量垂直分量 4HZ,10HZ,28HZ,100HZ等等浅地层：激发高频、小道距浅地层：激发高频、小道距深地层：激发低频、大道距深地层：激发低频、大道距瞬态试验步骤1 1）在所需测试区域内选定测线。）
32、在所需测试区域内选定测线。2 2）将检波器按一定距离安放在地表上，要求它们与地表嵌合）将检波器按一定距离安放在地表上，要求它们与地表嵌合紧密并且正立。紧密并且正立。3 3）在测线激发点处用锤或其它合适的重物竖向冲击地面，同）在测线激发点处用锤或其它合适的重物竖向冲击地面，同时用记录仪记录检波器所接收的地表竖向振动信号。时用记录仪记录检波器所接收的地表竖向振动信号。4 4）将接收信号回放并进行初步处理与分析，检验记录的质量。）将接收信号回放并进行初步处理与分析，检验记录的质量。5 5）保持检波器位置不动，将振源移至另一侧对称点，重复保持检波器位置不动，将振源移至另一侧对称点，重复2-2-4 4步
33、试验。这是考虑地层可能不完全水平分层，对谱分析时，步试验。这是考虑地层可能不完全水平分层，对谱分析时，取两组结果的平均值会更接近于排列中心点处的实际值。取两组结果的平均值会更接近于排列中心点处的实际值。也可以进行简单叠加。也可以进行简单叠加。6 6）根据测试深度要求调整检波器的间距，重复步骤）根据测试深度要求调整检波器的间距，重复步骤2-52-5。瞬态法资料处理：多道波形记录预处理多道波形记录预处理 ；频谱分析（付频谱分析（付里叶变换里叶变换）；相邻信号作相邻信号作互功率谱和相干函数分析互功率谱和相干函数分析、求出相位差求出相位差 ；求出求出瑞雷瑞雷波波速与频率间的曲线波波速与频率间的曲线正反
34、演频散曲线正反演频散曲线 ；得到得到瑞雷瑞雷（或（或S S）波速与深度曲线，）波速与深度曲线，对地层的分层和各层对地层的分层和各层速度、厚度的变化的范围给出定性的解释。速度、厚度的变化的范围给出定性的解释。定量解释：确定各地层的厚度，计算各层瑞利波的传播速定量解释：确定各地层的厚度，计算各层瑞利波的传播速度。度。根据不同的勘察目的，对资料做出地质解释或者对各层岩根据不同的勘察目的，对资料做出地质解释或者对各层岩土的工程性质做出评价。土的工程性质做出评价。稳态法与瞬态法的比较（1 1）测试设备）测试设备瞬态法仅需一套接收系统和一只激振物体（如铁锤等），瞬态法仅需一套接收系统和一只激振物体（如铁锤
35、等），而稳态法中的振源由专门设备构成；瞬态法试验信号处而稳态法中的振源由专门设备构成；瞬态法试验信号处理需进行谱分析，稳态法只需记录距离与相位差或时差。理需进行谱分析，稳态法只需记录距离与相位差或时差。（2 2）现场工作）现场工作瞬态法原则上只需一次冲击地面就能获得稳态法的全部瞬态法原则上只需一次冲击地面就能获得稳态法的全部结果；稳态法不但现场工作量大，而且在确定相位差受结果；稳态法不但现场工作量大，而且在确定相位差受人为误差影响较大。人为误差影响较大。（3 3）测试深度）测试深度由于稳态法中激振器工作频率范围有限，它很难得到由于稳态法中激振器工作频率范围有限，它很难得到10Hz10Hz以下的
36、试验数据；而瞬态法原则上不受此限，在地以下的试验数据；而瞬态法原则上不受此限，在地面干扰小的情况下，最低频率可达到面干扰小的情况下，最低频率可达到1HZ1HZ左右，可见它能左右，可见它能够达到的测试深度较稳态法为大。够达到的测试深度较稳态法为大。提取面波面波群仅由一或二个周期的波组成。其同相面波群仅由一或二个周期的波组成。其同相轴可以延长至原点轴可以延长至原点面波群的相位数随距离增大逐渐增加面波群的相位数随距离增大逐渐增加在共炮点记录中，包含各种波的信息，但只有面波是有效波，但由在共炮点记录中，包含各种波的信息，但只有面波是有效波，但由于面波能量较大，也可不必剔除体波。于面波能量较大，也可不必
37、剔除体波。瑞雷波速度的计算 瞬态法产生的瑞雷波是一个由很多个简谐频率（瞬态法产生的瑞雷波是一个由很多个简谐频率（f f）组成）组成的脉冲信号，而且，每一个的脉冲信号，而且，每一个f f就有一个瑞利波相速度就有一个瑞利波相速度VRVR，因此瑞利波速度因此瑞利波速度VRVR可以写成可以写成VRVR（f f）的形式。组成面波的）的形式。组成面波的各频率的简谐波动的垂直位移各频率的简谐波动的垂直位移U Uz z可记为（可记为（）：式中式中 为为X X处的振动相位角，处的振动相位角，为在为在X1X1、X2X2两点处的相位差。两点处的相位差。由由U U1 1(t)(t)和和U U2 2(t)(t)的表达式
38、得出的表达式得出t t公式：公式：确定确定U1(t)和和U2(t)信号的相关函数：信号的相关函数：两个信号虽然是由同一个震源引起的振动，但由于两个信号虽然是由同一个震源引起的振动，但由于U2(t)的信号的信号相对于相对于U1(t)信号延迟了信号延迟了t时间，同一时刻的两波形并非具有完全相时间，同一时刻的两波形并非具有完全相似性，只有把似性，只有把U2(t)信号延迟了信号延迟了t时间后，两波形才达到最相似，在时间后，两波形才达到最相似，在这种情况下，就必须在时移中考虑两个信号的相似性，即计算两个信这种情况下，就必须在时移中考虑两个信号的相似性，即计算两个信号的互相关函数：号的互相关函数：当当从从
39、0变到变到N 时观察时观察 的变化情况，的变化情况，就可以就可以了解到了解到U2(t)信号加上不同时间后与信号加上不同时间后与U1(t)信号的相关程度，如果信号的相关程度，如果在在 0 达到达到最大值，说明最大值，说明U2(t)在在0时间后，与时间后，与U1(t)信号最相似。它反映了所需要确定的信号最相似。它反映了所需要确定的两个振动信号同相位的时差。由公式可有两点间瑞利波的传播速度两个振动信号同相位的时差。由公式可有两点间瑞利波的传播速度VR：设地面上沿波的传播方向设地面上沿波的传播方向X1、X2两点处的信号分别为两点处的信号分别为U1(t)和和U2(t)，则，则它们的互相关函数为：它们的互
40、相关函数为：对求出的互相关函数作对求出的互相关函数作傅里叶变换傅里叶变换：式中式中u1(f)和和u2(f)是是u1(t)和和u2(t)的线性谱的线性谱 ，是是U1(f)的共的共轭谱。可见轭谱。可见互相关谱互相关谱 R12（f）的相位，就是）的相位，就是X1、X2两点处得相位差两点处得相位差。把不同的。把不同的 带入带入中，就可以计算出不同频率谐波的瑞雷波的传播速度中，就可以计算出不同频率谐波的瑞雷波的传播速度VR值。值。为了记录的信号在各个频率段上的质量，为了记录的信号在各个频率段上的质量，定义定义U1(t)和和U2(t)信号的信号的相干函数相干函数为：为：式中称为U1(t)和和U2(t)的自
41、功率谱。如果信号来自同一震源，记录系统是理想的，则相干系数等于1，说明信号质量好。如果存在干扰信号及系统的非线性，都会降低信号质量，使得相干函数 小于1。在实际应用中，首先在相干函数图上确定一个界限值，大于该界限值的频段认为是可靠的信号，可以用来计算VR值，反之，应该舍掉这一频段。二维频率波数域法运用二维傅里叶变换，可以将时间距离域的弹性波场数据，转运用二维傅里叶变换，可以将时间距离域的弹性波场数据，转换为频率波数谱数据，表现为二维坐标中的图形。一般其左上换为频率波数谱数据，表现为二维坐标中的图形。一般其左上角为坐标原点，纵座标为频率轴，沿纵坐标向下波动频率增高，角为坐标原点，纵座标为频率轴，
42、沿纵坐标向下波动频率增高，也就是在时间上波动越快。横坐标为波数轴，沿横坐标向右波也就是在时间上波动越快。横坐标为波数轴，沿横坐标向右波数增多，也就是在空间上波长越短。数增多，也就是在空间上波长越短。各种波动组份谱振幅的大小，用不同颜色的色标来表示各种波动组份谱振幅的大小，用不同颜色的色标来表示,一般色一般色度越亮，表示谱振幅越大。波动组份座标点度越亮，表示谱振幅越大。波动组份座标点(F,K)(F,K)和原点联线和原点联线的斜率的斜率(F/K)(F/K)，体现了它的相速度。，体现了它的相速度。层状地层上激发的面波波场数据，经过频率波数转换，其波动层状地层上激发的面波波场数据，经过频率波数转换，其
43、波动组份的谱振幅会形成连续的线状组份的谱振幅会形成连续的线状“山脉山脉”，其峰值点的连线称，其峰值点的连线称为能量轴。面波的弹性能量是在这些能量为能量轴。面波的弹性能量是在这些能量“山脉山脉”所包含的频所包含的频率和波数范围内传播的。各个能量轴的波动组份合成面波波场率和波数范围内传播的。各个能量轴的波动组份合成面波波场的各个模态。由能量轴的频率和波数值，可以计算出面波各个的各个模态。由能量轴的频率和波数值，可以计算出面波各个模态的频散特征。模态的频散特征。二维频率波数域法在最简单的地层条件下（均匀不分层），面波波速没有频在最简单的地层条件下（均匀不分层），面波波速没有频散，根据时间频率域中的面
44、波同相轴斜率，完全可以确定散，根据时间频率域中的面波同相轴斜率，完全可以确定面波的速度，并估算地层的刚度。对于分层的地层，面波面波的速度，并估算地层的刚度。对于分层的地层，面波的速度将产生频散。如果各层的刚度随深度逐层增加，面的速度将产生频散。如果各层的刚度随深度逐层增加，面波的弹性能量将偏向它的基阶模态，高阶模态的能量偏弱。波的弹性能量将偏向它的基阶模态，高阶模态的能量偏弱。如果各层的刚度随深度起伏，特别是含有显著的软弱夹层，如果各层的刚度随深度起伏，特别是含有显著的软弱夹层，面波高阶模态的能量将相应加强。面波高阶模态的能量将相应加强。面波的各个模态，在时间和距离上往往是相互穿插叠合的。面波
45、的各个模态，在时间和距离上往往是相互穿插叠合的。在频率波数域中，可以清楚地区分开面波不同模态的波动在频率波数域中，可以清楚地区分开面波不同模态的波动能量，从而能够提取出基阶模态和高阶模态的频散数据。能量，从而能够提取出基阶模态和高阶模态的频散数据。二维频率波数域法白线长框圈出的就是基阶模态的能量轴，它的右上方没有出现显著的其他能量轴，而左下方显出的不很连续的能量轴，大都是面波高阶模态的表现。基阶模态能量轴延续性较好，贯穿的频率和波数区间，包含了面波其他能量轴的展布范围，一般能说明地层在采集排列的区间内是层状或似层状的，而且最底层的地层刚度最强。其他方法拉东变换（拉东变换（-p p变换）变换）相
46、移法相移法频率分解的倾斜叠加法频率分解的倾斜叠加法资料解释在瑞利面波勘探中，波长在瑞利面波勘探中，波长在瑞利面波勘探中，波长在瑞利面波勘探中，波长R R R R的变化对应着深的变化对应着深的变化对应着深的变化对应着深度度度度H H H H的变化，而深度值并不等于波长值，之间有的变化，而深度值并不等于波长值，之间有的变化，而深度值并不等于波长值，之间有的变化，而深度值并不等于波长值，之间有一个换算系数，即：一个换算系数，即：一个换算系数，即：一个换算系数，即：一、一、传统方法传统方法换算系数换算系数换算系数换算系数 是一个随介质泊松比不同而变是一个随介质泊松比不同而变是一个随介质泊松比不同而变是
47、一个随介质泊松比不同而变化的常数，其值小于化的常数，其值小于化的常数，其值小于化的常数，其值小于1 1。理论上不同介质的理论上不同介质的理论上不同介质的理论上不同介质的 值与泊松比的关系见值与泊松比的关系见值与泊松比的关系见值与泊松比的关系见下表下表下表下表利用半波长近似，会造成深度偏小。在以土体为利用半波长近似，会造成深度偏小。在以土体为利用半波长近似，会造成深度偏小。在以土体为利用半波长近似，会造成深度偏小。在以土体为勘探对象的工作中，以实测勘探对象的工作中，以实测勘探对象的工作中，以实测勘探对象的工作中，以实测V VR R为横坐标，以为横坐标，以为横坐标，以为横坐标，以H=H=R R R
48、 R为为为为纵坐标（纵坐标（纵坐标（纵坐标（一般淤泥质粘土以一般淤泥质粘土以一般淤泥质粘土以一般淤泥质粘土以0.850.85 R R，岩石以，岩石以，岩石以，岩石以0.650.65 R R为为为为纵坐标纵坐标纵坐标纵坐标，等等）绘制，等等）绘制，等等）绘制，等等）绘制“V“VR R-R R”曲线，这样绘制的频曲线，这样绘制的频曲线，这样绘制的频曲线，这样绘制的频散曲线，纵坐标可近似代表勘探深度。因实测的散曲线，纵坐标可近似代表勘探深度。因实测的散曲线，纵坐标可近似代表勘探深度。因实测的散曲线，纵坐标可近似代表勘探深度。因实测的V VR R值中包含有各种干扰引起的误差，使得频散曲线不值中包含有各
49、种干扰引起的误差，使得频散曲线不值中包含有各种干扰引起的误差，使得频散曲线不值中包含有各种干扰引起的误差，使得频散曲线不圆滑，在解释前应根据频散曲线的一般变化规律圆滑，在解释前应根据频散曲线的一般变化规律圆滑，在解释前应根据频散曲线的一般变化规律圆滑，在解释前应根据频散曲线的一般变化规律进行圆滑。进行圆滑。进行圆滑。进行圆滑。层厚度、速度计算用拐点法或一次导数法求层厚度用拐点法或一次导数法求层厚度用渐近线法、导数极值法、近似法求层速度用渐近线法、导数极值法、近似法求层速度反演频散曲线反演频散曲线的方法的方法频散曲线反演不适定问题不适定问题 解是存在的解是存在的 解是唯一的解是唯一的 解是稳定的
50、解是稳定的V(f,Vp,V(f,Vp,VsVs,，d)d)面波法可解决的浅层地质问题1.1.工程地质勘察工程地质勘察分层分层2.2.地基加固处理效果评价地基加固处理效果评价3.3.岩土物理力学参数原位测试岩土物理力学参数原位测试4.4.地下空洞及掩埋物探测地下空洞及掩埋物探测5.5.公路、机场跑道质量无损检测公路、机场跑道质量无损检测6.6.饱和砂土层的液化判别饱和砂土层的液化判别7.7.其它方面：基岩完整性评价、滑坡调查、堤坝其它方面：基岩完整性评价、滑坡调查、堤坝危险性预测、桩基入土深度探测等危险性预测、桩基入土深度探测等面波法与其它波动法的对比特点浅层分辨率高浅层分辨率高-可确定厘米级裂