瑞雷面波勘探技术研究述评.doc

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1、瑞雷面波勘探技术研究述评肖柏勋 , 李长征(长江大学工程地球物理研究中心 ,湖北 荆州 434203)摘要 : 回顾了瑞雷面波的正反演 、频散曲线的提取及工程应用进展情况 ,分析讨论了其现状及存在的一些问题 ,提出了解决问题新设想 ,并着重分析了高模式瑞雷面波在地质勘探和工程质量检测中的应用前景 。关键词 : 瑞雷面波 ;频散曲线 ;正演 ;反演 ;进展中图分类号 : P631142文献标识码 : A收稿日期 : 2003 09 18 收修定稿 : 2004 02 10REVIEW OF RAYL EIGH P ROSPECTINGTECHNOLO GY RESEARCHXIAO Bo xun

2、 , L I Changzheng( T he En gi neeri n g Geop hysical Resea rch Center of Y an gt ze U ni versi ty , J i ngz hou , Hubei 434023 , Chi n a)Abstract : This paper review s t he co nditio n of t he fo rward and inversio n of Rayleigh , t he ext rac2tio n of dispersio n curves and t he develop ment of eng

3、ineering applicatio ns. It analyzes and discuss2 es t he current sit uatio n and t he existed p ro blems , p rovides t he new co ncep t to solve t he p ro blems , emp hasizes and analyzes t he applicatio n p ro spect s of high2mo de Rayleigh in geo sciences and engi2 neering qualit y explo ratio n .

4、Key word : Rayleigh wave ; dispersio n curve ; fo rward ; inversio n ; develop ment种面波的速度小于同一介质中的纵波和横波的速度 ,质点运动轨迹为一逆向椭圆 ,后来人们从天然 地震记录中证实了这种面波 ,并称其为瑞雷波或 瑞雷面波 。之后大量的学者对瑞雷面波在各种介 质中的传播理论进行了广泛的研究 。20 世纪 50 年代初 , Haskell 用矩阵方法对层状介质中瑞雷面 波频散曲线的计算 ,奠定了利用天然地震面波信引言1瑞雷波是沿地表传播的一种弹性波 。早在1887 年 ,英国数学物理学家瑞雷 ( Rayle

5、igh) 在求 解自由表面半空间中的平面弹性波场时 ,就预言 了一种振幅沿纵向呈指数衰减的面波的存在 ,这第一作者简介 : 肖柏勋 ,男 ,1956 年 12 月生 ,湖北省新洲人 ,教授级高工、博士。现任长江水利委员会长江勘测规划设计院副总工程师 ,兼任武汉创新工程地球物理高科技发展有限公司总经理。长期从事工程地球物理物探的理论、仪器、方法技术与 正反演软件的研究开发工作。曾先后主持完成了“七五”、“八五”、“九五”国家科技攻关项目、科技部中小型科技型企 业创新基金项目、国家 863 计划课题、三峡工程前期科研项目和长江水利委员会科研项目等多项科研课题。E2mail :chjwwcy p u

6、blic . wh . hb. cn .号研究地球内部结构 、利用人工地震面波信号进行工程勘探和工程质量无损检测的基础 。目前瑞 雷波勘探法在工程中已经得到了应用 。近十年 来 ,地球物理勘探领域的一些专家学者们在瑞雷 面波勘探的方法技术及处理解释方面作了大量有 益的工作 ,取得了许多具有实用价值的成果 。由 于瑞雷波勘探法具有很多其他弹性波勘探法所不 具备的优点 ,这使得人们对瑞雷波勘探技术研究 的兴趣大增 。最近几年 ,国内外参与瑞雷面波勘 探技术研究的人已越来越多 。可以预料 ,瑞雷面 波勘探将会成为本世纪浅层或超浅层地球物理勘 探和工程施工质量检测的主要手段之一 。但就目 前的情况来看

7、 ,应用瑞雷面波进行工程地质勘察 和工程检测在技术上还不够完善 ,人们对瑞雷面 波的很多问题的认识还不是很清楚 ,在瑞雷面波 的提纯 、高模式瑞雷面波的激发和利用 、瑞雷面波 的反射特性等方面的研究工作还十分欠缺 。因 此 ,分析总结瑞雷波勘探技术的历史和现状 ,探讨 其未来的研究方向很有必要 。本文通过对瑞雷面 波勘探技术的历史回顾和现状分析 ,就上述问题 进行讨论 。础上 , 提出了一种新的求取频散曲线的方法 , 与Haskell 不同的是 Knopoff 得出了 4 n + 2 阶的频 散方程行列式 , 此行列式的求解使用了 knopoff 分解法 ( 一种循环的 L aplace 行分

8、解法) 。接着 Schwab3 和 Knopoff 4 对 Knopoff 分解在数值上进行了进一步的研究和改进 ,通过一系列精巧的 行列变换将某些层矩阵变形为块状对角阵形式 , 使得频散函数以特别简单的代数形式表达出来 , 形成了完整的 Schwab2knopoff 方法 。1965 年 , Thrower5 和 Dunkin6 首次将 矩阵方法应用于瑞雷面波的频散方程推导 ,避免了 数值精度丢失的问题 。1970 年 , Wat so n7 应用简 化的矩阵求解瑞雷面波频散问题 ,减小了计算 量 。1996 年 ,Buchen 和 Ben2Hado n8 提出快速 矩阵方法 ,此方法吸收了

9、 Schwab 的变换程序 ,并 用矩阵理论的形式表达出来 ,具有快速稳定的 特点 。1998 年 , Ivansso n9 用更简便的方法同样 得到了快速矩阵算法 。1979 年 ,Abo2Zena10 为解决频散方程的数值 不稳定性问题 ,通过一系列的 4 4 阶反对称矩阵 的循环计算得到了瑞雷面波的频散方程 ,这种反 对称矩阵与矩阵很相似 ,与特征函数乘积有直 接的关系 ,正是这一点使得该方法能够解决高频 散数值不稳定性问题 。1979 年 ,Menke11 解释了 Abo2Zena 提出的反对称矩阵的物理含义 ,发现此 矩阵与 P SV 波的基础解密切相关 ,并引入了 D1 瑞雷面波勘

10、探的正演研究1 . 1均匀层状介质中瑞雷波的正演瑞雷面波的正演是其反演的基础 ,早期的正 演研究工作是基于均匀层状介质模型条件下的瑞 雷面波的频散曲线的正演 。在均匀层状介质模型 条件下 ,大量学者进行了研究 ,提出了各种方法 , 并取得了较好的效果 。这些算法为瑞雷波勘探提供了理论依据 ,也为复杂介质的正演问题奠定了 基础 。目前在工程实践中应用较多的是均匀层状 介质模型 , 主要的正演方法有 Thro mso n2Haskell 法 、Schwab2Knopoff 法 、 矩阵法 、Abo2Zena 法 、 R T 矩阵法等 。1953 年 , Haskell 1 在 Thro mso n

11、 的研究基础 上 ,利用平面波理论在直角坐标中通过相邻两界 面的传递矩阵公式以及自由表面边界条件和无穷 远处的辐射条件 ,导出了均匀层状介质中瑞雷面 波的频散方程 , 人们把这种方法称为 Thro mso n2Haskell 法 。但此方法在高频时容易出现数值溢 出以及精度丢失问题 。为了解决这一问题 ,许多 学者从数值角度入手 ,采用各种方法进行了研究 。1964 年 , Knopoff 2 在 Haskell 的矩阵方法基矩阵和 E 矢量 ,导出了新的瑞雷波频散方程 。此方法既有效地避免了高频数值不稳定性问题 ,又 加快了计算速度 ,对有低速夹层存在的层状介质 的高频频散分析很有效 。19

12、82 年 , 李幼铭等12在 B 、P 、C 坐 标 下 将 Abo2Zena 的 算 法 采 用 Haskell 矩阵本征值分解的矩阵运算 ,用 5 个形 式简单的矩阵连乘形式重新组织了 Abo2Zena 算 法 ,使运算步骤大量简化 。1996 年 ,张碧星13 ,14 在 Abo2Zena 和 Menke 研究的基础上用 B 、P 、C坐标系进一步研究了层状介质中的频散问题 ,将 Menke 的 E 矢量的传递矩阵 F 分解为简单的三 个矩阵的乘积形式 ,其中两个与频率无关 ,另一个 为对角阵 ,从而简化了计算 ,且避免了数值不稳定 性问题 。1974 年及 1979 年 , Kenne

13、t t 15 ,16 , 提出并发展了 R T 矩阵法 ,此方法使用了反射和透射子矩阵技术 , 巧妙地避开了数值不稳定性问题 。但这种方法要求所有的计算均使用复数运算形式 ,故计算量较大 。1985 年 , Kundu 和 Mac17 ,18 利用 矩阵方法对体源在多层介质中产生的面波均进行了研 究 。1991 年以及 1993 年 , 黄嘉正19 、关小平20 分析计算了水平多层液体介质模型条件下瑞雷面 波的频散特性 ,首次讨论了实际中所出现的“之”字型面波频散曲线 。1998 年 ,张碧星 、喻明21 对 瑞雷面波的能量衰减进行了研究 。在正演计算方 法的研究方面 ,还要提及凡友华 、肖柏

14、勋的工作 , 为了提高正演计算的稳定性和精度 ,避免高频数 值溢出 ,他们提出了一种基于轴对称柱面瑞雷面波条件下的层状介质模型的瑞雷面波频散曲线的 快速矢量传递算法22 ,这一工作使瑞雷波频散曲 线的计算向前迈进了一步 。1 . 2 复杂介质中瑞雷波的正演上述正演计算工作均是基于均匀层状介质 的 ,但实际中大多难以满足这一条件 。为使其正演结果尽量与实际接近 ,不少学者对复杂介质中的瑞雷波传播规律进行了研究 。对于复杂介质 ,如界面不连续23 、界面不平 坦 、倾斜界面 、非弹性层状介质24 、地层存在裂 缝 、缺陷25 、拐角 、阶梯26 、障碍物 、空洞27 、沉 积盆地等复杂地质体 ,瑞

15、雷波的正演研究较均匀 层状介质更为复杂 ,有些研究则以均匀层状介质 的矩阵法为基础 , 有些则利用格林函数法 、扰动 法 、边界元法 、有限元法 、有限差分方法 、线性化散 射方法 、Bo r n 近似法 、射线理论等多种方法 ,求解 的问题也不只限面波频散方程 ,还涉及到面波幅 度 、面波三维散射场的求解 ,而且大多数方法开始 由求精确的分析解向求近似的数值解转变 。对于 瞬 态 瑞 雷 面 波 法 , 多 采 用 表 面 波 谱,该方法也要求x R , 而且要求相邻两法29道检波器接收的信号有较好的相干性 ,为此刘云祯等30采用多道观测的方法 ,通过对瑞雷面波的同相轴的识别以设置最佳观测窗

16、口 ,达到压制直达波 、反射波 、折射波等干扰波的目的 ,但是当介 质较复杂时 ,各种转换波将与面波严重耦合在一 起 ,难以选择最佳窗口 。喻明等曾利用相位展开技术31,以解决相位变化大于 2的瑞雷面波频散曲线的重建 。此方法在计算机上的模拟结果良好 ,但其效果如何尚未经实际检验 。包军强等人32提出利用2P 变换法分离波场 ,压制多种体波及转换波 ,突出瑞雷面波 ,但对于层状介质 ,2P 域中瑞雷面波难有“点”状特性 ,此时用此方法 难以分离出有效的面波信号 。对于倾斜夹层 、空洞裂隙等复杂介质 ,瑞雷面波在 2P 域中的形状 将更为复杂 ,用此方法提取有效的面波信息将更 为困难 。崔占荣等

17、33 根据瑞雷面波能量最强的 特点 ,提出了能量衰减或增益控制方法以提取瑞 雷面波信号 ,该方法虽然可以对一定时窗内的地震波信号进行能量衰减控制 ,使相对较弱的反射 波 、直达波等幅值减小 ,并使其在计算频散曲线时 相关系数变小 ,以达到减小干扰的目的 ,但此方法 还是不能较好地消除纵横波的干扰 ,且会使瑞雷 面波勘探的分辨率降低 、以及产生低频段的假速等现象 。肖柏勋等34 提出用扩充 Pro ny 法提取瑞雷 面波的相速度的思想 ,该方法设接收信号由两成 份的波复合迭加而成 ,直接处理等间距的 4 道信 号 ,得到不同频率处的两组相位差 ,由此计算出两 组相速度 ,舍弃对应信号幅度较小的频

18、率点及不 合理的一组速度值 ,最后获得一组比较可靠的不瑞雷面波频散曲线的提取2由于瑞雷波频散曲线与地下介质结构密切相关 ,因此如何提取准确可靠的频散曲线是瑞雷波 勘探技术的关键问题之一 。对于瑞雷波频散曲线 的提取 ,前人做过大量研究 。其主要方法有互相 关法 、表 面 波 谱 法 、相 位 展 开 法 、2P 变 换 法 、 Pro ny 法 、f 2k 域分析法等 。同频率处的相速度值 , 即为瑞雷面波的相速度 。此方法在三峡坝区坝身段建基岩体质量检测中取得了一定的效果 ,但该方法除要求道间距x 小 于瑞雷面波的波长R 外 ,且还存在计算工作量很 大 、多层介质情况下效果欠佳等缺陷 。李锦

19、飞35 提出通过三分量接收信号的瑞雷面波勘探技 术思想 。并基于这一思想研制了 TR ES I 型多对于稳态瑞雷面波法 ,多采用互相关法28提取频散曲线 ,该方法要求两道之间的距离小于瑞雷面波的波长 ,但瑞雷面波对应不同的频率 ,其波 长有很大的差异 。因此 ,该方法对高频瑞雷面波 会出现假速现象 ,影响了瑞雷面波的浅层勘探效 果 。分量瑞雷面波勘探仪 ,此种方法具有一定的应用前景 ,因为无论检测条件的复杂程度如何 ,瑞雷面 波的极化轨迹总是有别于其他类型的弹性波的 。 Chael36 提出了一种探测和识别地震信号中 的面波信号的自动算法 ,该方法主要利用瑞雷面波的能量特性和极化特性 ,通过对

20、地震信号中垂向与水平方向信号的 Hilbert 变换互功率谱分析 , 强化了具有椭圆极化特性的瑞雷面波信号 ,压制 具有线性极化特性的 Love 波及体波信号 。实际 测试验证了该方法的有效性 。但该方法仅应用于 长周期瑞雷面波地震探测 ,而对于短周期瑞雷面 波的工程勘探还有待于进一步的研究 。另外 , Pollitz37 在研究面波折射问题时 ,提出了一种方位角偏离技术 ,利用瑞雷面波及 Love 波不同的频散特性最大限度地消除 Love 波的干扰 。张碧星 等人也提出了利用1 、2 判别接收的信号是否为 瑞雷面波 , 这一 工 作 也 具 有 一 定 的 应 用 前 景 。 Dean 等3

21、8 提出获取频率曲线的交互性处理程 序 ,对长周期天然地震波的面波信号处理发挥了 很好的作用 。但该程序复杂庞大 ,使用了格林函 数 、误差处理 、时变滤波 、复合滤波 、相速度匹配迭 加 、功率谱平滑 、最小二乘法等多项信号处理技术 ,对于短周期的工程勘探可能具有一定的借鉴 作用 。瑞雷面波频散曲线的提取方法虽然很多 ,但 目前基本上大多都采用 f 2k 域分析法 。该方法先 将实测的 x2t 域记录变换到 f 2k 域 , 后根据能量的差异将面波的能量团保留 , 其余部分剔除 , 再反变换到 x2t 域去求取其频散曲线 。这种方法虽然简 单 ,且对面波的提纯有一定的可靠度 。笔者认为 ,

22、该方法在一段时间内可能是瑞雷面波频散曲线求取的较好方法 。- 1 深度间隔内瑞雷波速 V R 的计算公式 , 求出对应某深度处的 V R , 并利用 V R 与 V S 的近似关 系进而计算出各深度处的剪切波速度 V S 。拐点 法是先求出频散曲线的拐点 , 再将该拐点定为两 层介质的分界面 。渐近线法是将 f 趋向于零及无穷大时对应的 V R 表示第二层及第一层的波速, 该方法仅适合于二层介质 。用上述方法对瑞雷 面波 频 散 曲 线 进 行 反 演 的 例 子 很 多 , 例 如 文 献 3843 中所涉及的反演均采用此方法 。这种方 法的特点是简单 、粗糙 、主观性强 , 且用到的正演公

23、式仅为 V S 与 V R 的近似关系 ,而这关系又是在 均匀半空间中的瑞雷面波速度推导中得到的 ,用 于复杂介质还很不可靠 。真正意义上层状介质中瑞雷面波的反演 ,应该用层状介质中瑞雷面波频散曲线的正演结果 。文献44 ,45中用最小阻尼二乘法对瑞雷面波的频散曲线进行了反演 ,但最小二乘法是一种局部线性化方法 ,而层状介质中瑞雷面波的正演频散方 程表明波速是模型参数的非线性函数 ,反演时用 于评价解估计的目标函数具有多个极值 。因此 ,若选取的初始模型离真实性模型较远时 ,局部线 性化方法则无法找到目标函数的全局最优解 。文献46 ,47中还用到了蒙特卡罗法 、最速下降法等局部线性化方程 。

24、美国 Kansas 大学夏江海博士在此方面的工 作很 有 意 义 , 他 在 作 反 演 时 用 到 了 高 模 式 面波48。研究中他发现基阶瑞雷面波对介质参数变化的敏感程度远不如高模式波强 ,不同的介质参数模型下所获得的基阶瑞雷面波频散曲线十分 相似 ,但相应高模式瑞雷面波的频散曲线却有明显差别 。基于这一结论 ,他将基模波和高模式波 结合起来考虑 ,用阻尼最小二乘法进行反演并获 得了很好的效果 。据此他认为 ,在考虑了高模式 瑞雷面波后的反演方法采用阻尼最小二乘法即 可 ,无需采用遗传算法 、模拟退火 、人工神经网络等算法 ,因为这些方法的计算工作量太大 ,既费时 又费事 。全局优化方法

25、如遗传算法 、模拟退火 、人工神 经网络算法 ,则大大放松了对初始模型选择的要 求 ,且不易陷于局部最优解中 ,文献48 ,49 中用遗传算法对瑞雷面波的频散曲线进行了反演 , 文3 瑞雷面波勘探的反演研究3 . 1 均匀层状介质中基阶瑞雷波的反演目前 ,瑞雷波频散曲线的反演工作大多基于 均匀层状介质模型 ,利用基阶瑞雷面波的频散曲线去反演地下介质结构 。所采用的方法主要有近似计算法 、极值点法 、拐点法 、渐近线法 、阻尼最小 二乘法 、非线性方法 (如遗传算法 、模拟退火 、人工 神经网络) 、联合反演法等 。最初的反演解释主要基于半波长理论 ,该方 法将频散曲线表示为波速与勘探深度 (

26、波长的一 半) 对应的简单曲线形式 ,然后用近似计算法 、拐 点法 、渐近线法等粗糙的方法进行反演 。近似计 算法主要针对 n 点以及 n - 1 点深度以上的平均 瑞雷面波速 ,利用速度 V R 随深度 H 增大而增大 或随深度 H 增大而减小两种情况求取 H n 到 H n献50 ,51中用到了人工神经网络算法 ,均取得了较好的应用效果 。文献52 ,55 提出了联合反演的思想 ,将各种波的勘探优缺点进行互补 ,提高瑞雷面的瑞雷面波信号来研究地球内部结构51 ,利用人工地震波中的瑞雷面波进行工程勘察和工程检 测 。4 . 1 瑞雷波在工程勘察中的应用瑞雷面波用于工程勘察最早可追溯到 20

27、世 纪 60 年代初 。1960 年 , Hoykallen 等人提出利用激振器产生正弦波信号实测道路断面的速度分布 ,并提出采用半波长解释方法 ,将稳态瑞雷面波 首先应用于地基勘察 。20 世纪 80 年代初日本 V IC 株式会社经过多年的研究后推出了 GR2810 佐滕式全自动地下勘探系统 ,并应用于工程勘察波反演的准确性和精度 。这种方法对于复杂介质的反演有很大的优势 ,但计算工作量太大 。3 . 2非均匀介质中高模式瑞雷波的反演对于非均匀半空间层状介质 ,特别是当地层 出现软弱夹层或裂缝时 ,瑞雷波会出现多个导波模式 ,即对应某个频率时 ,求解频散方程得出的瑞 雷面波波速出现多个解

28、,使得对同一频率可能包 含多个模式的波 ,处理方法不同 ,所获得的结果可 能不同 ,相应的反演将变得更为复杂 。特别是实 际工程中出现的“之”字型频散曲线问题 。利用粗糙的反演方法 ,往往会得出多层介质的错误结论 。 针对这一问题 ,张碧星 、肖柏勋 、杨文杰56 从完全 固体层状模型出发 ,从瑞雷面波的正反演入手 ,分 析了“之”字型频散曲线的形成机理 ,并编制了相 应的反演软件 ,但此工作正需要进一步完善 ,用于实践尚需时日 。张碧星 、鲁来玉等在高模式瑞雷面波的利用 和软件开发研究方面做了大量的开创性工作57 , 特别是对高模式波的基本特性进行了深入研究 。 他们分析了震源频率 、地层参

29、数等因素对高模式 面波频散曲线的影响 ,得出了一系列有价值的结 论 。他们发现 : 高阶模式出现个数的多少与震源 频率 、覆盖层厚度以及地层的纵横波速度和密度 等因素有关 ,但地层密度和纵波速度的变化对高 模式面波的影响较之于横波速度变化的影响要小 得多 。他们还得到了两个重要结论 : 一是高模式 瑞雷面波较基阶模式波更易得到 ,且具有更大的 穿透深度 ;二是高模式瑞雷面波对地层参数变化 的敏感性较基阶模式波要强得多 。这些结论与夏 江海的工作是吻合的 ,二者从理论和实践两方面 充分肯定了高模式瑞雷面波在瑞雷波勘探中的地 位和作用 。之中58。但由于该设备笨重且价格昂贵 ,影响了其在工程中的广

30、泛应用 。1989 年杨成林59 也自行研制了稳态瑞雷面波勘探系统 ,应用于第四系 地震分层和地基效果评价 。1991 年朱裕林60 将GR2810 全自动地下勘探机用于建筑地基勘察 、软工地基加固效果评价和人工洞穴及岩熔探测 。1982 年 Sto ke 等61 采用锤击震源 ,通过两个检波器之间的互谱相位信息求取面波的相速度 ,成为 最初 的 瞬 态 面 波 勘 探 试 验 。1986 年 Nazarian等62利用表面波谱分析方法 ( SA SW) 对高速公路路面及路基进行了探测 ,为瞬态瑞雷面波法在工程中的广泛应用奠定了基础 。1992 年 ,张忠苗等63也引进了瞬态瑞雷面波法及 SA

31、 SW 法 , 并应用于地基处 理 评 价 中 , 取 得 了 一 定 的 效 果 。1994 年 ,赵竹占等64 应用瞬态瑞雷面波法对浙江慈溪市东门联建办在拟建的六层住宅楼地基进 行了勘察 , 发现地 下 有 暗 塘 存 在 。1996 年 , 赵明65将瞬态瑞雷面波法应用于灰岩熔洞 、挡土墙厚度 、地层分层 、水库大坝质量的探测之中 。1996年 ,刘云祯等30 自行研制了 SWS 瞬态面波多道数据采集处理系统 ,并将其应用于机场工程勘探 、浅层煤田勘探 、地下煤巷探测等工作中 ,取得了较好的效果 。1996 年 , 李哲生66 应用瞬态多道瑞 雷面波法对某建筑物场地地层分层进行勘察 ,取

32、得了很好的效果 。1996 年 ,肖柏勋等67 69 自行研制了一种具 有宽频带 、大功率特点的超磁致伸缩声波震源 ,将 其用作瞬态瑞雷面波勘探的地面震源以替代传统 的人工锤击方法 ,并将其成功地应用于长江三峡 工程大坝建基岩体质量和爆破松动层厚度等检测 之中 。1998 年 ,肖柏勋等70 研制的 L XI I 岩土工 程质量检测分析仪中包含的瞬态多道瑞利波勘探 的子系统 ,利用 Pro ny 法进行频散曲线的求取 ,并瑞雷面波勘探技术的应用4瑞雷面波凭借其衰减小 、信噪比大 、抗干扰能力强以及在层状介质中所具有的频散特性 ,在研 究大陆 、海洋地壳和地球内部的结构以及工程地 质勘察和工程无

33、损检测等领域已得到广泛地应 用 。在早期 ,人们曾把瑞雷面波当作一种强干扰 波处理 。至 20 世纪 50 年代初 ,人们才发现了瑞 雷波在层状介质中具有频散特性 。从那时开始 , 瑞雷面波走进了应用行列 。人们用天然地震记录利用遗传算法对“之”字型频散曲线进行反演 ,目前此系统正在进一步完善之中 。4 . 2 瑞雷波在工程无损检测中的应用近年来 ,瑞雷波在工程无损检测应用中也得 到了长足的发展 。1994 年任青文71 将 SA SW 方法应用于材料损伤探测 ,即对材料内部的裂缝 、空 隙等 缺 陷 进 行 探 测 ; 1995 年 , 黄 嘉 正 等72 将 RSM216 H 动测仪结合

34、RL21 型激振系统及锤击 方法 ,采用稳态和瞬态两种方法对地基进行了检 测 ;1996 年 ,杨成林等73 应用瑞雷面面波法对廊坊北大街沥青混凝土公路基层压实度 、广东乳源坪石公路路基质量进行了检测 ; 1998 年 , 王士5 当前的主要问题及几点看法5 . 1 当前的主要问题前面的论述对瑞雷面波勘探技术的发展历史 和现状作了简要的回顾与分析 ,现在的问题是当前瑞雷面波勘探所面临的技术难题主要有哪些 ?今后的研究工作中 ,其主攻方向是什么 ? 下面就 这些问题发表个人的看法 。笔者认为 ,当前亟待 解决的问题有以下几个方面 :51111 瑞雷波勘探的震源问题前已述及 ,高模式瑞雷面波在瑞雷

35、波勘探中 具有十分重要的地位和作用 。但是 ,用什么样的 震源才能激发出丰富的高模式瑞雷面波 ? 这种震 源是否会具有体积小 、重量轻的特点 ?51112瑞雷波勘探的正演问题 瑞雷面波正演所需要研究的问题很多 ,有算恩等74将瞬态多道瑞雷面波法应用于堤坝防渗墙质量检测中 ; 1992 年 J ansen 等75 利用瑞雷面波对金属表面膜厚度进行了检测 ; 1997 年 ,Billy等76利用激光仪器产生 、接收瑞雷面信号 ,对平板和 金 属 覆 盖 层 进 行 了 检 测 ; 1995 年 , Clar k等77利用瑞雷面波对钢桥疲劳载荷进行了监测 。法方面的问题 ,也有各种模型的建模和计算问

36、题 。目前 ,由于其它新技术的发展 ,瑞雷面波已开始广泛应用于微细材料的精细检测之中 。4 . 3瑞雷波在研究地壳等深层结构中的应用随着瑞雷面波理论研究的进一步发展 ,人们 开始将瑞雷面波应用于地球内部三维速度结构的 反演之中 。1982 年 , Nataf 等利用78 长周期 ( 100330s) 面波对全球结构进行详尽的研究 。1985年 ,Mo ntagner 79 利用 40 300s 面波研究了太平 洋的横向不均匀性及各向异性 。1991 年及 1993 年 ,宋仲和等80 利用大量的面波频散资料及纯路 径方法对中国大陆地壳上地幔 S 波速度结构作了 深入研究 。1991 年 , 周

37、兵等人81 采用连续函数 方法研究了青藏高原的三维速度结构 。1987 年 , Yo mogida 等82 用 3080s 周期的瑞雷面波反演 了太平洋盆地的相速度分布 。1988 年及 1991 年 , Tanimoto 等83 用长周期 R. G. X 波波形反演 的方法研究了全球地幔结构 。1988 年 Snieder 84 提出了一种基于线性面波散射理论的方法 ,利用 面波及其尾波波形反演地球内部结构 ,并用此方 法研究了欧洲大陆上地幔结构 。综上所述 ,瑞雷面波的应用已逐步向宏观和 微观两极扩展 ,应用范围愈来愈广 ,涉及的其它新 技术也越来越多 ,随着瑞雷面波理论的进一步发 展与完

38、善 ,瑞雷面波的应用将会更加广泛 。但有些问题并不急于现在解决 。就笔者之拙见 ,下面的问题是需要尽快解决的 。1) “之”字型频散曲线产生的深层次原因研 究 :目前 ,高模式瑞雷面波是“之”字型瑞雷波频散 曲线产生的根本原因这一观点已基本得到广大工 程物探同行的认同 。但是 ,张碧星 、肖柏勋等人的 工作还需要作进一步的深入研究 ,文献56 提出 的“之”字出现的个数与震源的频率有关这一结论 可能有问题 。因为既然“之”字型频散曲线是多层 介质和裂隙介质中瑞雷面波传播的特有现象 ,显 然“之”字出现的个数应该仅与介质的特性和裂缝 的个数有关 。如果与震源的频率有关 ,在实际中 将会出现浅部的

39、“之”字个数多 ,深部的“之”字个 数少的普遍现象 ,但事实上并非如此 。此外 ,如果 “之”字出现的个数真的与震源频率有关 ,那将使 瑞雷面波勘探的反演解释工作更加复杂化 ,有时 甚至可能无法进行 。2) 高模式导波的特性及其影响因素的分析 : 大家现在都知道高模式导波在瑞雷面波勘探中很 有作用 ,但高模式导波究竟有哪些特点 ? 影响高 模式导波传播特性的因素有哪些 ? 实际中如何利 用好高模式导波 ? 这些问题不搞清楚 ,瑞雷面波 勘探技术可能很难取得突破性进展 。3) 裂缝介质中瑞雷面波传播特性的理论正 演研究 :为什么要把这个问题单独提出来 ? 这是 因为这个问题具有一定的普遍性和重要

40、的实用价值 。实际工作中我们会经常遇到这种情况 ,例如混凝土表面裂缝延伸深度探测 、隧道和人工边坡 岩石的爆破与卸荷松动层厚度探测等 。尤其是混 凝土表面裂缝延伸深度探测 ,目前还没有很好的 探测方法来解决这个问题 。4) 瑞雷面波反射特性的研究 : 长期以来 , 人 们忽视了对瑞雷面波反射特性的研究 。可以肯 定 ,这一工作的开展将有助于瑞雷面波勘探理论 的完善和反演工作 。就笔者所知 ,加拿大滑铁卢 大学已经开展了这方面的工作并取得了初步成果 。51113瑞雷面波的提纯问题 面波提纯问题一直没有很好地得到解决 。在前面的论述中 ,已经对现有的表面波谱方法 、互相 关法 、2P 变换法 、P

41、ro ny 法 、极化滤波法和 f 2k 域分析法等几种方法的优缺点作了分析 ,指出了其 各自的缺陷 。如果考虑到高模式瑞雷面波的提 取 ,则更需要对上述方法进行完善和补充 。因为 高模式瑞雷面波在瑞雷波勘探中比基模波更有 用 ,因而在未来的工作中 ,高模式瑞雷面波的提纯可能是研究的主题 。因为提纯工作是在不损失高 模式面波信号的前提条件下进行的 ,这一工作显 然比目前单纯的基模波的提取要麻烦的多 。51114瑞雷面波的反演问题 瑞雷面波的反演问题一直没有得到很好的解决 。虽然遗传算法是一种好的方法 ,但用其进行 面波的反演太慢太费时 ,故现在用此方法的人并 不多 。将该方法真正用于工程实践还

42、需要一段时 间 。笔者认为 ,这一工作虽然要不断进行下去 ,但 不应是未来反演研究工作的主题 。按照前面的分析以及夏江海 、张碧星和肖柏勋等人的思路 ,高模 式导波之后的反演工作可能需要投入相当的精 力 。5 . 2 几点看法以上是对瑞雷面波勘探技术当前存在的一些 问题的分析 ,现针对这些问题就下阶段的工作提出几点看法供工程物探同行参考 :1) 当前的主攻方向应是高模式瑞雷面波的 理论正反演研究 ,重点是其正演研究 。从理论上 弄清楚层状介质和裂隙介质模型条件下高模式导波的传播特性及其各种影响因素 ,及时为一种新 型面波震源的设计和利用高模式导波与基模波联 合反演提供理论依据 ;2) 关于频散

43、曲线的计算 ,张碧星 、鲁来玉和凡友华 、肖柏勋等人的工作具有一定的参考价值 ,特别是层状介质模型和裂隙模型条件下的瑞雷面 波频散曲线的正演 ,若在张碧星 、鲁来玉的工作基础上开展研究 ,可望在不久的将来取得突破性进 展 ;3) 是否可考虑采用超磁致伸缩材料研制新 型的瑞雷面波勘探震源 ,其设计计算以理论正演研究结果为依据 。美国堪萨斯大学夏江海等人研制的面波震源从应用情况看 ,其应用效果较好 ,但 在体积 、重量和性能等方面需要改进 。用超磁材 料制作面波震源可能会获得更好的结果 ;4) 复杂介质和复杂探测条件下的瑞雷波正演研究应与面波的反射特性研究工作同步展开 ,利用瑞雷面波能量特性提纯瑞

44、雷面波信号的方法 需要探究 。因为裂缝 、缺陷 、拐角阶梯表面 、地下 障碍物和空洞以及含倾斜界面的层状介质等情形下的反演工作较之水平层状介质更为复杂 ,这时需要综合考虑利用瑞雷面波的幅度衰减和频散两 方面的特性 ,可能还需要考虑开展结合纵 、横波勘 探信息的联合反演研究 ;5) 瑞雷面波勘探是一门理论性和实用性都 很强的技术 ,其研究工作应走理论与实验相结合的道路 ,任何试图通过理论的手段来解决瑞雷面波勘探技术的所有问题的想法都是错误的 。但 是 ,到目前为止 ,除石油大学可以做瑞雷波勘探的 固体模型实验外 ,大多研究面波勘探的单位和个人都还不能开展这样的实验研究 。因此 ,创建面 波勘探固

45、体模型实验室的工作刻不容缓 。结语6目前工程物探领域中的瑞雷波勘探技术研究十分活跃 ,这充分表明了其在工程物探和工程检 测中的作用 、地位和应用前景 。笔者虽非此方面 的专家 ,但由于深受国内外同行对瑞雷面波勘探 技术研究热情的影响 ,在此将近十年来在此方面 所作研究的心得体会与广大工程物探同行进行交 流 ,文中对瑞雷波勘探的正 、反演及其频散曲线的 提取等方面的现状分析和认识是粗浅的 ,所提出 的几点看法也难免有谬误 ,真诚地希望与同行们 一起探讨 ,共同提高 。参考文献 :1 N . A. Haskell . The dispersio n of surface waves o n mul

46、2tilayered media . Bull . siesm. Soc. Am. , 1953(43) , 1734 .2 L . Kno poff . A mat rix met hod for elastic wave p rob2lems. Bull . Seism. Soc. Am. , 1964 (54) , 431438 .3 F. Schwab and L . Kno poff . Surface - wave dispersio ncoust . Soc. V 1985 ,77 (2) :353361 .18 T Kundu , A. K. Mal Elastic waves

47、 in multi 2layered sol2 id due to a dislocatio n source , Wave Motio n , 1985 (7) :459477 .19黄嘉正 ,周鸿秋 ,关小平 ,工程地质中瑞利波法勘探的理论初探 ,物探与化探 ,1991 ,15 (4) :268277 . 关小平 ,黄嘉正 ,周鸿秋 ,工程勘察中稳态瑞利面波 法解释理论的探讨 ,地球地理学报 ,1993 ,36 ( 1) : 96105 .张碧星 ,兰从庆 ,喻明 ,等. 分层介质中面波的能量分 布 ,声学学报 ,1998 ,23 (2) ,97106 .凡友华 ,刘家琦 ,肖柏勋. 计算瑞利波频散曲线的快 速矢量算法 ,湖南大学学报 ,200