概述
本文重點(diǎn)介紹瑞雷面波的勘探方法及應(yīng)用領(lǐng)域。文中首先介紹了面波勘探的基本流程、幾種常見的面波勘探方法，以及在不同領(lǐng)域的應(yīng)用，最后介紹了美國Seismic Source公司的Sigma4+地震儀，該產(chǎn)品在面波勘探領(lǐng)域具有良好的普適性。
隨著工程建設(shè)場地復(fù)雜程度以及施工難度的提高，巖土工程的施工與設(shè)計對地下層位的厚度、橫波速度、巖石物理學(xué)參數(shù)提出了更高的精度要求。
面波勘探技術(shù)具有探測精度高、土層劃分較精細(xì)、干擾小、成本低等特點(diǎn)，近幾十年發(fā)展迅速，并廣泛應(yīng)用于淺地表勘查。
面波勘探的主要技術(shù)方法
面波勘探的研究始于上世紀(jì)60年代。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，面波勘探技術(shù)和處理方法已經(jīng)相當(dāng)成熟。主動源面波勘探由穩(wěn)態(tài)發(fā)展到瞬態(tài)，再由瞬態(tài)的表面波譜方法發(fā)展到多道瞬態(tài)面波勘探方法，勘探精度及勘探效率也在逐漸提高，應(yīng)用的領(lǐng)域也越來越廣泛。
與主動源不同，被動源方法在工程應(yīng)用方面起步較晚，但發(fā)展速度較快，方法也越來越成熟，包括空間自相關(guān)法、頻率波數(shù)法、HV譜比法等。
主動源面波勘探方法
01 穩(wěn)態(tài)面波法
穩(wěn)態(tài)面波的應(yīng)用相對較早，它主要是通過激振器發(fā)出某一頻率的正弦波，然后使接收點(diǎn)的距離等于激發(fā)頻率對應(yīng)的波長，此時示波器將顯示相同相位的波形。將檢波器移動到n倍波長時，n個測點(diǎn)連成的時距曲線的斜率就是對應(yīng)頻率的面波速度。通過激發(fā)不同頻率的信號，然后將這一系列頻散點(diǎn)連接起來即為頻散曲線 。在得到頻散曲線后，根據(jù)瑞雷波與剪切波的速度關(guān)系，以及面波反演中的半波長法，就可以得到二維橫波速度剖面。該方法由于采用的是經(jīng)驗(yàn)法得到的橫波速度結(jié)構(gòu)，因此存在一定的誤差。由于穩(wěn)態(tài)面波法設(shè)備笨重，在地形復(fù)雜地區(qū)很難操作，給施工帶來一定的麻煩，后來這種方法的應(yīng)用逐漸減少。
02 表面波譜分析方法(SASW)
表面波譜分析法通過震源激發(fā)地震波信號以后，將會產(chǎn)生一較寬頻帶的信號，然后利用兩個檢波器進(jìn)行接收，并根據(jù)兩個檢波器的距離以及單一頻率的相位差，可求得此頻率的相速度，進(jìn)而得到頻散曲線。SASW方法可以同時檢測多層介質(zhì)中各層的厚度及速度，測量速度快，精度相對較高。但由于工區(qū)噪聲、信號衰減、以及空間假頻和近場效應(yīng)的影響，一般測得的數(shù)據(jù)頻帶范圍廣。為了提高頻帶的分辨率，實(shí)際數(shù)據(jù)采集過程中，要調(diào)整近源檢波器與源的距離，使其和道間距相等 。表面波譜法相對于穩(wěn)態(tài)法而言，施工簡便，更能適應(yīng)地形的復(fù)雜多變，但是由于一直沿用2個垂直分量檢波器接收，道數(shù)較少，在干擾波復(fù)雜的地區(qū)很難達(dá)到較好的勘探效果。
03 頻率波數(shù)法(F-K)
頻率波數(shù)法是通過二維傅里葉變換將頻率空間域的信號轉(zhuǎn)化成頻率波數(shù)域，然后得到一個炮集記錄的能量分布情況，再根據(jù)振幅能量最大的特點(diǎn)提取頻散曲線 。但傳統(tǒng)的頻率波數(shù)法存在一定的缺陷，對高階的能量分比率較差，進(jìn)入21世紀(jì)以后，在傳統(tǒng)方法的基礎(chǔ)上對其進(jìn)行了改進(jìn)優(yōu)化：將傳統(tǒng)的頻率–波數(shù)域波數(shù)形式改造成頻率–速度域形式，然后引入多重信號分類算法將空間譜相關(guān)矩陣分解為信號子空間和噪聲子空間兩個部分，最后利用噪聲子空間部分生成最終的面波頻散圖像，大大提高了精度。經(jīng)過改進(jìn)后的頻率波束法，可以提高高階面波的分辨率，但是由于對于檢波器的要求比較高，采集過程中檢波器必須沿著測線等間距分布，中間不能有空道，否則就會影響其成像精度。
04 τ-p法
τ-p法是一種離散化的線性拉東變換。它將時間和空間域的地震數(shù)據(jù)按照不同的截距時間 τ 和斜率p作切割線，然后傾斜疊加投影到 τ-p 域，接著進(jìn)行一維傅里葉變換，將 τ-p 域結(jié)果映射到 f-p 域，再根據(jù)速度與慢度的關(guān)系，將 f-p 域的結(jié)果映射到f-v域，就可以看到面波能量的頻散現(xiàn)象，并根據(jù)能量團(tuán)最大的特點(diǎn)提取頻散曲線 。
τ-p法對面波高階的分辨率較高，并且經(jīng)過改進(jìn)之后，對于提取瞬態(tài)瑞雷波頻散曲線具有失真小、可靠性高、壓制假頻和端點(diǎn)效應(yīng)好等優(yōu)點(diǎn)。
05 相移法
該方法可以說是頻率波數(shù)法的改進(jìn)，它的不同在于未變換到波數(shù)域而直接利用了空間相位信息來計算相速度。具體做法是把變換到頻率域后的面波記錄表示成振幅與相位的乘積，然后將振幅項(xiàng)進(jìn)行歸一化處理，此時會形成單炮的頻散能量圖，依據(jù)能譜提取頻散曲線。相移法對基階面波頻散曲線的提取效果較好，并且經(jīng)過伍敦仕改進(jìn)之后的互相關(guān)相移法，提高了常規(guī)相移法在面波頻散成像方面的品質(zhì)，更加能適應(yīng)對基階面波的分辨。
06 傾斜疊加法
傾斜疊加法只和偏移距有關(guān)，與檢波器的排列方式無關(guān)，該方法利用頻率掃描函數(shù)與炮集記錄進(jìn)行卷積將頻率分解，把時間變?yōu)轭l率，接著用傾斜疊加的方式得到每個速度的疊加能量值，使瑞雷波頻散曲線的精度得到較大幅度的提高。傾斜疊加法為三維面波勘探的理論打下了基礎(chǔ)，未來更加能夠適應(yīng)三維面波勘探任務(wù)。
被動源面波勘探方法
01 空間自相關(guān)法(SPAC)
空間自相關(guān)法關(guān)鍵在于計算自相關(guān)系數(shù)，然后根據(jù)系數(shù)計算相速度，目前主要分為時域計算和頻域計算兩種方式。時域計算首先是將連續(xù)記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行截取，分成若干的道集記錄；然后對每一道數(shù)據(jù)進(jìn)行窄帶濾波，計算不同頻率時圓心與圓周上各點(diǎn)的空間自相關(guān)系數(shù)，并且進(jìn)行方位平均；最后使用不同觀測半徑的自相關(guān)系數(shù)計算相速度。頻率域的計算過程是去掉了窄帶濾波這個過程，只進(jìn)行一次傅里葉變換就可以在時域里進(jìn)行計算，大大提高了計算效率。SPAC方法只需較少的接收點(diǎn)就能反映較寬的頻率范圍，特別是對低頻段的信息分辨率較高，但很難分辨高階面波。
02 頻率波數(shù)法(F-K)
F-K法相對于傳統(tǒng)SPAC法，臺陣布設(shè)比較靈活，十字型、L型、圓形等都可以。傳統(tǒng)的頻率波數(shù)法是利用中心頻率不同的窄帶濾波器，提取相似性較好的各數(shù)據(jù)段中不同頻率的F-K功率譜，根據(jù)功率譜上最大的峰值坐標(biāo)，計算得到不同頻率的相速度值。由于被動源波場一般都比較復(fù)雜，F(xiàn)-K頻譜上經(jīng)常會出現(xiàn)多個峰值，使得分辨率降低，給提取頻散曲線帶來一定的困難。后來在此基礎(chǔ)上對傳統(tǒng)的方法進(jìn)行了改進(jìn)，主要是將各個方向上的F-K頻散譜疊加，然后在疊加后的頻散譜上提取頻散曲線。具體的做法是將連續(xù)記錄的數(shù)據(jù)截取成記錄長度一樣的道集記錄，然后經(jīng)過二維波場變換生成頻散譜，再將所有方向上的頻散譜疊加合成新的頻散譜。F-K法能分辨高階面波，但采集過程中需要較多的接收點(diǎn)，而且當(dāng)信號源來自各個方向時，分辨率會顯著降低。
03 HV譜比法(HVSR)
HVSR法主要是在自相關(guān)分析的基礎(chǔ)上，計算同一觀測點(diǎn)水平分量和垂直分量的譜比，并依據(jù)譜比估算地下橫波速度特征，同時可以根據(jù)譜比峰值對應(yīng)的頻率推測地層地下構(gòu)造，是一有效的半定量的地震場地評價方法。HV譜比法相對于其他方法，采集相對方便，能適應(yīng)各種的地形，但是不能完全定量的反演地下橫波速度結(jié)構(gòu)，目前國內(nèi)外的應(yīng)用還比較少，大多用在區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造調(diào)查中。
面波勘探的基本流程
面波勘探主要是應(yīng)用其頻散特性，即在均勻水平層狀介質(zhì)中，其速度會隨著頻率變化，頻率越低，傳播的速度就會受到越深的地層介質(zhì)的影響。其基本流程包括三方面(如圖1)：通過野外觀測獲得不同頻率的面波數(shù)據(jù)；再利用一定的處理方法提取頻散曲線；最后經(jīng)過反演方法獲得二維橫波速度結(jié)構(gòu)，從而得到不同深度的介質(zhì)屬性。
01 面波數(shù)據(jù)采集
原始數(shù)據(jù)采集時要根據(jù)勘探深度及目的來設(shè)定，主動源面波勘探主要以線型為主(如圖2)，道間距要小于最小勘探深度；偏移距一般根據(jù)地層波速來設(shè)定；最大源檢距采集到的面波要保證能被記錄到；激振方式(錘擊、炸藥)要根據(jù)勘探深度和薄層厚度來確定。而被動源數(shù)據(jù)采集一般要布設(shè)臺陣(如圖3)，臺間距的1~5倍為有效探測深度（此處不同文獻(xiàn)描述各不相同，僅做參考）。同時，臺陣有方向選擇性，對于平行于排列方向的波的分辨力好，因此目前圓形臺陣與三角形臺陣在實(shí)際應(yīng)用中比較常見。
02 頻散曲線提取
頻散曲線的提取是面波勘探最關(guān)鍵的一步，其精度的高低將直接影響后面的反演。目前主動源面波頻散曲線提取的方法比較多，但每一種方法有自己的優(yōu)缺點(diǎn)，比如τ-p法對高階模態(tài)的提取效果較好，而相移法對基階模態(tài)的提取效果較好，實(shí)際應(yīng)用中兩者可以優(yōu)勢互補(bǔ)。F-K法對高階面波敏感程度更高。傾斜疊加法可為三維面波勘探提供方法技術(shù)支持。高分辨率線性拉東變換可以降低噪聲模型的數(shù)據(jù)限制，提高能量譜的分辨率。被動源面波中SPAC法應(yīng)用的較多，這主要是因?yàn)樗鼘Φ皖l段信息分辨率高，而且頻率范圍寬；F-K法能夠區(qū)分高階面波，但要求的接收點(diǎn)較多，而且當(dāng)信號源來自各個方向時，分辨率會顯著降低。HV譜比法采集相對方便，能適應(yīng)各種的地形，但不能完全定量的反演地下橫波速度結(jié)構(gòu)。
03 橫波速度反演
最早面波反演用的是半波長經(jīng)驗(yàn)法，這種方法算出的結(jié)果一般誤差較大，后來發(fā)展為通過建立正演模型不斷進(jìn)行擬合，調(diào)整與實(shí)際頻散曲線的誤差，得出反演結(jié)果的方式。隨著近些年最優(yōu)化理論的發(fā)展，目前反演方法主要分為最小二程法和全局搜索算法，前者對初始模型要求比較高，后者較低，但收斂速度會變慢 。實(shí)際應(yīng)用時應(yīng)根據(jù)工區(qū)的地質(zhì)情況和勘探目的，合理的選擇反演方法。
03 Sigma 4+ 地震儀
Sigma系列地震儀是Seismic Source公司出品的性能優(yōu)越的無線連續(xù)記錄地震系統(tǒng)，該系列最新型號Sigma4+可在無需任何數(shù)字傳輸電纜的情況下，可很好地實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)設(shè)備所有功能，包括震源控制系統(tǒng)、靈活的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、GPS時間同步系統(tǒng)、遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)記錄質(zhì)量檢查系統(tǒng)、以及地震數(shù)據(jù)收集功能。
———Sigma 4+地震儀———
Sigma4+地震儀包括3通道和4通道兩種型號，可選外接任意主頻檢波器或內(nèi)置2Hz主頻檢波器，多臺設(shè)備可組合擴(kuò)展至數(shù)百個通道，該設(shè)備輕便小巧，堅固，通過連接不同主頻檢波器，可兼容所有的面波勘測方法，其無線設(shè)備特性可不受地形約束展開陣列，靈活開展測量。
應(yīng)用領(lǐng)域
油氣勘測
誘發(fā)地震監(jiān)測
地質(zhì)巖土工程
振動/聲學(xué)監(jiān)測
地震監(jiān)測
解決方案
油氣勘測用戶：反射波法
誘發(fā)地震監(jiān)測用戶：長期/短期監(jiān)測、地面測量-井中監(jiān)測、地面測量-注入監(jiān)測（水力壓裂、廢液注入/處理）
地面測量：礦井挖掘監(jiān)測
工程地震用戶：反射波法、折射波法、MASW、RiMi、SPAC、HVSR
振動/聲學(xué)監(jiān)測用戶：有人值守/無人值守監(jiān)測、速度/加速度監(jiān)測、強(qiáng)震動監(jiān)測
地震監(jiān)測用戶：寬頻帶地震儀
Sigma 4+已經(jīng)幾乎被用于所有類型的記錄工作：結(jié)合多種震源，從簡單的2D測線到復(fù)雜的3D成像應(yīng)用。Sigma可以較好地應(yīng)用于三分量測量、單點(diǎn)接收、地質(zhì)技術(shù)、被動源勘探、微震、以及監(jiān)測。Sigma可以在多種震源下單獨(dú)應(yīng)用或與有線設(shè)備聯(lián)合部署使用。
本文主要參考文獻(xiàn)：
[1] 夏江海, 高玲利, 潘雨迪, 等. 高頻面波方法的若干新進(jìn)展[J]. 地球物理學(xué)報, 2015, 58(8): 2591-2605.
[2] 尹曉菲, 胥鴻睿, 夏江海, 等. 一種基于層析成像技術(shù)提高淺地表面波勘探水平分辨率的方法[J]. 地球物理學(xué)報, 2018, 61(6): 2380-2395.
[3] 楊成林. 瑞雷面波勘探原理及其應(yīng)用[J]. 物探與化探, 1989, 13(6): 465-468.
更多Sigma 4+地震儀信息，請咨詢歐美大地。
