瞬态瑞雷面波法在地质勘查中的应用

2020-03-12朱智清

世界有色金属 2020年24期

朱智清，刘超，张赛

（1.机械工业勘察设计研究院有限公司，陕西西安 710043；2.安徽省交通勘察设计院有限公司，安徽合肥 230011）

近年来，我国经济高速发展，各种类型的建筑物逐年增长。受自然环境等因素的影响，地质勘查中常常会遇到各种复杂的岩层界面，传统的勘察方法为钻探，该方法结果直观准确，但大面积采用钻探方法不仅耗时而且成本高，难以满足矿山建设需要[1，2]。

瞬态瑞雷面波勘探是近些年发展起来的一种地球物理勘探方法，具有操作简单成本低，勘探精度高等优点，在地质勘察领域中发挥着越来越重要的作用。20世纪50年代人们开始利用瑞雷波在层状介质中传播的频散特性来研究地球内部结构，60年代，Hoykallem等人第一次利用瑞雷面波方法勘察道路的断面情况，90年代美国堪萨斯州地质调查提出的基于震动源的瞬态面波多道采集和分析方法，大大提高了瑞雷波勘探效率，使其从地震学领域扩展到了地质勘查及其它材料的无损测试应用领域，推动了瑞雷波勘探的迅速发展[3-5]。

本文以瞬态瑞雷面波勘探方法为基础，结合数值模拟，对瑞雷面波的信号特征、频散曲线特征及频散曲线解释进行细致阐述。

1 瑞雷面波勘探数值模拟

数值模拟是科学研究中常用的方法。对于地震波的数值模拟本质上是解一定边界条件下的弹性波波动方程，常用方法为有限差分法和有限元法[6-7]。

本文利用有限差分法模拟层状地层中的瑞雷面波信号。数值模型主要针对地质勘察实际中地层分层情况，共设计了三种水平层状介质类型。沿模型剖面布置一条测线，共24道检波器接收。其中，震源到第一个检波器的距离（偏移距）为2m，各个相邻检波器之间的距离（道间距）为2m。采样间隔为0.5ms，采样长度为600ms，子波主频为30Hz。图1为正演模型和观测系统示意图，表1为各弹性介质的参数。

图1 正演模型及观测系统

表1 模型参数

2 面波数据处理技术

2.1 面波信号提取

图2(a)为数值模拟产生的地震记录。地震记录中存在直达波、折射波和瑞雷面波。在瞬态面波法数据处理过程中，面波信号的提取是关键。

图2 单炮记录

面波信号的提取往往采用三种方法：①频率滤波。频率滤波的范围根据探测深度确定。当探测深度较深时，面波中的低频信号为有效信号，因此可以滤除信号中的高频成分保留低频成分；当探测深度较浅时，面波中的高频信号为有效信号，因此可以滤除信号中的低频成分保留高频成分；当探测深度中等时，一般不采用滤波处理。②增益处理。面波信号相对于其它干扰波能量强，利用这个特点，对地震信号进行增益处理，有效的突出面波能量，压制干扰波能量。③切除处理。当地震记录中的面波信号同相轴清晰，能量强，易于识别时，可直接对信号进行切除处理，只保留面波信号的部分。

对于模拟信号，瑞雷面波同相轴清晰，能量强，易于识别，因此采用直接切除的方式，只保留面波成分。切除结果如图2(b)所示。

2.2 频散曲线提取

面波频散曲线的提取方法有二维傅里叶变换法、相移法、拉动变换法等[9]。本文利用二维傅里叶变换法提取面波信号的频散曲线。

首先，对数值模拟的面波信号进行二维傅里叶变换，得到频率-波数域信号，如图3(a)所示。其中，纵坐标为频率，横坐标为波数，蓝色到红色表示能量由小到大。根据波数和频率的关系k=f/v，可以计算出面波的相速度。换算出波长r=v/f，乘以深度系数0.5，即可得到此深度的面波速度。依次求出每一个频率的面波相速度和深度，即可得到如图3(b)所示的频散曲线。

图3 频散曲线提取

2.3 频散曲线解释

面波的频散曲线是面波勘探的重要依据，能直观显示面波排列范围内地下介质的波速沿深度方向的变化规律。可以通过绘制面波速度断面等值线图来直观反映测线断面面波速度的变化[9]。

具体做法是：以测点位置为横坐标，深度为纵坐标，绘制出横波速度的等值线图。

图4为数值模拟数据的横波速度等值线图，可以看出在-5m和-15m处速度存在较大的变化，为岩层分界面，与数值模型基本吻合。0～5m的横波速度为100m/s～150m/s，数值模型的速度为150m/s；-5m～15m的横波速度为300m/s～450m/s，数值模型的速度为300m/s；-15m～30m的横波速度为700m/s～800m/s，数值模型的速度为525m/s，可以看出，面波数据处理的速度与原模型存在一定差异。