面波勘探技术详解

按照介质质点运动的特点和波传播的规律,地震波常常分为体波和面波两类。纵波和横波统称为体波,它们在地球介质内独立传播,遇到界面时会发生反射和透射。当介质中存在分界面时,在一定的条件下体波(P波或S波,或二者兼有)会形成相互干涉并叠加产生出一类频率较低,能量较强的次生波。这类地震波与界面有关,且主要沿着介质的分界面传播,其能量随着与界面距离的增加而迅速衰减,因而被称为面波。在岩土工程中,分界面常指岩土介质各层之间的界面,地表面是一较特殊的分界面,一般称为自由表面,把自电表面上形成的面波称作表面波。

瑞利面波是由英国学者Rayleigh于1887年首先在研究弹性介质中的波动时发现的。20世纪50年代初,人们发现了瑞利面波在层状介质中具有频散特性,并根据这一特性广泛地利用天然地震记录的瑞利波来研究地球内部的结构。利用人工激发的高频瑞利面波来解决浅层工程地质问题是70年代后的事情。70年代至今不过20多年的时间,由于计算机技术的飞速发展和大量涌现的工程建设的迫切需求,瑞利面波勘探方法的研究进展迅速,并在工程中已得到了广泛的应用。

1995年,肖柏勋提出采用多道记录的方法采集面波数据,根据记录上的同相轴来识别瑞利面波,并提出用扩充的Prony法提取面波的相速度,以保证面波成分的正确提取,从而获得较为可靠的频散曲线。他们还自制了一种新型的宽频带、大功率用于瞬态法的地面震源以替代传统的人工锤击方法,该系统曾在三峡工程中获得应用。1996年,刘云桢、王振东研制出SWS-1型多道面波采集系统,该系统用24个通道采集瑞利面波。由于其道数很多,故而能够在时间剖面上较为准确地识别面波所在的时间位置,并可据此设计合理的观测窗口,从而使得所采集面波具有一定的可靠性。李哲生将这种多道面波采集系统成功用于高层建筑物地基岩性分层。目前,刘云桢等人研制的多道面波采集系统在国内已拥有相当大的用户市场。为了较好地从多道面波记录中提取瑞利面波,包军强、张学强等人于1998年提出用τ-P 变换法分离波场,提取瑞利面波,并对理论模型进行了分离处理,获得了较好效果。(www.xing528.com)

我国瑞利面波勘探的研究和应用历史并不长,与传统的电法勘探、地震勘探相比,瑞利面波勘探法可以说是短短一瞬。但是,瑞利面波勘探在工程检测中已扮演着重要的角色。该技术在我国多个水利水电工程中得到应用,成功斐然。

总之,面波勘探作为一种浅层地球物理勘探方法,以其简便、快速、经济、分辨率高、适用场地小、应用范围广等优点在工程勘察领域具有强大的生命力而迅速发展。