瞬态面波勘探原理及存在问题研究

刘金华　白华军

【摘 要】面波勘探是国内外近几年发展起来的一种新的浅层地震勘探方法。本文试对其应用范围、勘探原理以及存在的问题逐一考察。

【关键词】面波勘探 地震波

面波勘探，也称弹性波频率测深，是国内外近几年发展起来的一种新的浅层地震勘探方法。面波分为瑞利波（R波）和拉夫波（L波），而R波在振动波组中能量最强、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。通过几年的实践和初步研究，R波在岩土工程勘察中的应用大致分为以下几个方面：

⑴查明工程区地下介质速度结构并进行地层划分；

⑵对岩土体的物理力学参数进行原位测试；

⑶工业与民用建筑的地基基础勘察；

⑸地下空洞、岩溶、古墓及废弃矿井的埋深、范围等探测；

⑹软土地基加固处理效果评价及饱和砂土层的液化判别；

⑺公路、机场跑道质量的无损检测；

⑻江河、水库大坝（堤）中软弱夹层的探测和加固效果评价等；

⑼场地土类别划分及滑坡调查等；

⑽断层及其它构造带的测定与追踪等。

一、勘探原理

面波是一种特殊的地震波，它与地震勘探中常用的纵波（P波）和横波（S波）不同，它是一种地滚波。弹性波理论分析表明，在层状介质中，拉夫波是由SH波与P波干涉而形成，而瑞利波是由SV波与P波干涉而形成，且R波的能量主要集中在介质自由表面附近，其能量的衰减与r^-1/2成正比，因此比体波（P、S波∝r^-1）的衰减要慢得多。

综合分析表明R波具有如下特点：

⑴在地震波形记录中振幅和波组周期最大，频率最小，能量最强。

⑵在不均匀介质中R波相速度（V_R）具有频散特性，此点是面波勘探的理论基础。

⑶由P波初至到R波初至之间的1/3处为S波组初至，且V_R与V_S具有很好的相关性。

⑷ R波在多道接受中具有很好的直线性，即一致的波震同相轴。

⑸质点运动轨迹为逆转椭圆，且在垂直平面内运动。

⑹ R波是沿地表传播的，且其能量主要集中在距地表一个波长（λ_R）尺度范围内。

依据上述特性，通过测定不同频率的面波速度V_R，即可了解地下地质构造的有关性质并计算相应地层的动力学特征参数，达到岩土工程勘察之目的。

二、存在问题

虽然面波探测技术在工程中的应用已很广泛，但实际工作中还存在以下问题：

1.关于实测面波频散曲线的“Z”字型现象，从理论模型的解析中还不能精确地解释此现象。因为理论的频散曲线，在介质分界面处只出现折点，对此还需深入研究和数值模拟计算。

2.对于面波勘探深度的确定，目前国内外大多采用半波长作为R波的勘探深度，但在实际工作中，应根据场地地质条件、探测对象以及孔旁测试对比结果等作适当调整。

3.测试深度相对较浅，一般情况下可靠的测量深度为20～30m，最深不过50～60m。当测试深度加大时，震源信号就必须具有足够的低频信号，目前尚难满足此要求。就该问题笔者建议由原来的算术坐标系改为波长为对数的单对数坐标系，可使低频段频散点稀少问题得以改观。

⑷根据不同的勘测目的和要求，对产生R波的震源需作必要的改进和研究，以适应勘察的需要。如用锤子作震源时其低频值为10～20Hz左右，而用砂袋作震源时低频值为3～10Hz左右。

面波勘探作为一种新的浅层地球物理勘探方法，具有简便、快速、经济、分辨率高、适用场地小、应用范围广等优点，但对面波勘探理论的研究以及实际应用等有待进一步的深入和开拓，使之在生产实践中不断总结、完善和提高。