面波勘探原理及其应用

毕业设计（论文）题目：面波在地震波场中的特性研究及其应用Surfacewaveinthecharacteristicsofseismicwavefieldresearchanditsapplication学生姓名：高振兵专业：勘查技术与工程班级：07023209指导教师：方根显二零一一年六月Ⅰ摘要瑞利面波勘探是近年发展起来的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、成果直观、适用场地小等优点，已在许多领域得到应用，并取得了良好的应用效果[1]。瑞利面波是一类频率较低、能量较强的次生波，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迅速衰减。瑞利面波与反射波、折射波一样都含有地下介质的地质信息。本文从瑞利面波的概念、工作原理及方法、频散特征、反演研究以及实际资料的应用等方面，用多道检波器测量来了解面波勘探在浅层地表调查中的应用。关键词:瑞利面波、频散曲线、波动方程、瞬态瑞雷波勘探。东华理工大学毕业设计（论文）ABSTRACTⅡABSTRACTRayleighwaveexplorationisdevelopedinrecentyears,anewshallowgeophysicalexplorationmethods,itisasimple,quick,economy,highresolution,achievementsintuitive,applicablesite,hastheadvantagesofsmallfindapplicationinmanyfields,andhaveachievedgoodapplicationeffect.Rayleigh'sisakindoflowerfrequency,energystrongsecondarywave,andmainlytheboundarysurfacealongthemedium,theenergywiththespreadofinterfacedistanceattenuationincreasesrapidly.Rayleighwavereflectionwave,withallcontainthesamerefractionwaveofundergroundmediumgeologicalinformation.ThisarticlefromRayleigh'sconcept,principleandmethod,frequencydispersioncharacteristics,andinversionstudyandtheactualmaterialapplicationetc,withmulti-channeldetectorsmeasurementstounderstandsurfacewaveexplorationintheapplicationofshallowsurfacesurvey.keywords:Rayleighwave，frequencydispersecurve,waveequation,transientstateRayleighwaveprospecting.东华理工大学毕业设计（论文）目录目录绪论..............................................................11.工区自然地理和地质、地球物理特征..................................31.1工区自然地理................................................31.2工区地质概况................................................42.工作方法与技术..........................................................42.1面波勘探的基本原理及特点....................................52.2野外工作方法................................................72.3工区布置...................................................72.3.1主要的仪器设备及其设置的参数..........................82.3.2仪器要求...............................................92.3.3采集系统的布置........................................92.3.4使用规范..............................................92.4野外数据采集..............................................103.数据处理.........................................................113.1处理方法和原理.............................................113.2数据处理内容...............................................113.3处理软件要求...............................................113.4处理过程的要求.............................................123.5面波数据处理流程...........................................124.资料解释.........................................................155.结论与建议.......................................................175.1结论.......................................................175.2建议.......................................................17致谢.............................................................18参考文献...........................................................19东华理工大学毕业设计（论文）绪论1绪论瑞利面波(以下简称面波)在反射波地震勘探中作为一种干扰波，被压制和去除。实际上面波在地层介质中传播，肯定携带所经过介质的丰富的地质信息(如岩性、速度、深度等)，将这些反映地层特殊属性的有用信息提取出来，可解决地质问题，尤其是浅层地质问题。近几年来的研究和实际应用表明，瞬态瑞利波勘探(以下简称瑞利波勘探)法对浅表薄层勘探具有分辨率高、施工条件要求低、仪器轻便，探测速度快，经济效益好等优点，受到工程及环境勘探领域人员的极大关注，并在浅表层工程勘探中得到了发展，方法和技术渐趋成熟。然而在地形起伏的山地及西北沙漠地区，它的应用还很少，地质结构调查工作的开展也近乎空白。这些地区的地面地形突起陡降，第四系覆盖层地层结构复杂，采用常规的地震勘探方法(如反射波法、折射波法、微地震测井法等)对其进行地质结构调查工作，往往难度大、投入成本高，而得到的资科的品质低，勘探效益差。面波勘探在这些地区的应用就有了实际的意义，并且能够得到很好的效果。1985年，斯托克(Stokoe)和纳扎利安((Nazarian)采用了冲击震源，通过两个检波器之间波的互谱相位信息，求出了不同频率面波的相速度，进而求出道路断面的瑞利波速度分布，这是最初的瞬态瑞利波勘探试验，从而也引起了瞬态瑞利波勘探方法的真正兴起。由于稳态瑞利波所用的设备笨重，激发能量、频率范围有限，我国于1990年左右又开始了对瞬态瑞利波勘探技术的研究试验。最初的数据采集一直利用两个竖直分量检波器接收方式，数据的信噪比较低，数据处理也不完善，探测深度和精度都有限。1993年，刘云祯等利用自己设计的地震仪，在数据采集上采用展开排列多道接收，在数据处理上则通过多道面波记录和专用处理软件来处理面波速度变化曲线，再经反演拟合计算进行速度分层解释，把锤击震源的面波探测深度由10米左右提高到约30米，条件好的情况可达50米以上，基本能满足岩土工程勘察的需要，从而使瞬态瑞利波勘探技术上了一个新台阶，实现了瞬态瑞利波勘探实用化、商品化。1995年，北京市水电物探研究所自行研制出SWS瞬态瑞利波勘探系统，经过与日本稳态面波仪对比可知，使用24磅大锤做振源的SWS系统，在软弱地层勘察方面优于使用350kg激振器的日本稳态面波系统。纵观整个瑞利波的发展历史，对瑞利波勘探法的研究总体上是一个从天然场源法到人工场源法，从稳态法到瞬态法，从理论研究逐步走向了试验和实践阶段的发展过程。瑞利面波是一类频率较低、能量较强的次生波，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迅速衰减，英国数学物理学家Rayleigh于1887年从理论上对该类型的波给予了证明。瑞利面波与反射波、折射波一样都含有地下介质的地质信息。瑞利波勘探是一种新兴的岩土原位测试的浅层勘探方法。瑞利面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。它同其它物探方法一样，可分为人工源和天然源两大类。人工源瑞利波勘探方法有两种，即瞬态瑞利波勘探和稳态瑞利波勘探。瞬态法与稳态法的区别在于震源的不同，前者是在地面上产生一瞬时冲击力，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;后者则产生单一频率的瑞利波，可以测得单一频率波的传播速度。东华理工大学毕业设计（论文）绪论2应用瞬态面波法进行现场测试时一般采用多道检波器接收，以利于面波的对比和分析。当锤子或落重在地表产生一瞬态激振力时，就可以产生一个宽频带的R波，这些不同频率的R波相互迭加，以脉冲信号的形式向外传播。当多道低频检波器接收到脉冲形振动信号后，经数据采集，频谱分析后，把各个频率的R波分离出来，并求得相应的VR值，进而绘制面波频散曲线。由多道检波数据反演处理后可得一条频散曲线，一般把它作为接收段中点的解释结果。实际上该曲线所反映的地层特性为接收段内地层性质的平均结果，故当探测场地地下介质水平方向变化较大时，只要能满足勘探深度的要求，尽量使反演所用的接收段减小，以使解释结果更具客观实际[2]。瞬态瑞雷波法是通过锤击、落重乃至炸药震源,产生一定频率范围的瑞雷波,再通过振幅谱分析和相位谱分析,把记录中不同频率的瑞雷波分离出来,从而得到一条Vr-f曲线或Vr-Kr曲线,即频散曲线。面波勘探中主要利用的是瑞雷波,其特性如下。(1)瑞雷波在层状介质中传播的频散特性在层状介质条件下,瑞雷波在介质中的传播速度是频率的函数,即瑞雷波速度随激发频率的变化而变化。该特性是瑞雷波勘探的理论基础,由于瑞雷波法不仅利用了波的运动学特征,更重要的是利用了波的动力学特征,而常规地震折射波法和反射波法主要利用波的运动学特征,且要求各层的波速或波阻抗有较大差异,因此瑞雷波对介质反映更细微。(2)瑞雷波的穿透深度与波长的关系瑞雷波水平振幅和垂直振幅从弹性介质的表面向内部呈指数衰减,主要能量集中在一个波长范围内。因此,可以认为瑞雷波的穿透深度为1个波长。(3)瑞雷波比体波衰减慢的多,离开震源一段距离,面波的能量将强于体波。这为我们在数据处理中提取面波的有用信息提供了方便。(4)瑞雷波速度与横波速度的相关性，瑞雷波速度Vr与横波速度Vs近似相等,它们之间有一定的差异,差异的大小与地层的泊松比L有关,泊松比L越大,差异越小。(5)面波勘探与地层速度的关系，折