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面波测深原理要点
发布日期:2010/4/1 11:53:38    浏览人数:2280

瑞雷面波是一种沿介质自由表面传播的弹性波,由英国科学家瑞雷(Rayleigh 1887)发现和数学论证。随着面波探测在天然地震和工程勘察领域中的应用,面波理论在原理、测量技术和数据处理方法上,都得到很大的发展。了解面波的原理是有效应用面波测深的基础。
面波、波长和波及深度、面波速度和剪切波速
点状震源产生的球面波,将弹性能量向周边介质传递,在地表自由面上,受界面弹性条件的制约,产生沿地表传播的压缩波和 SV 型剪切波,叠合形成瑞雷面波。它的传播规律,反映了传播途径中所涉及介质的弹性参数。
在均匀介质中,面波的振幅随深度增大而减小,其弹性能量的传播深度和它的波长有关,波长越长的面波,它的能量波及地表以下的深度也越大。面波沿地表传播的速度和波及深度内介质的弹性参数有关,包括介质的密度、压缩和剪切波速度,而主要的影响参数是介质的剪切波速度。
相速度、弹性分层和频散
均一地层表面激发的面波,其不同波长组分涉及的深度内介质弹性参数相同,从而具有相同的传播速度。弹性分层的地层内不同深度的介质弹性参数有差别,从而面波不同波长组分的传播速度也不同。单一波长(或单一频率)组分的面波传播速度称该波长(或频率)的相速度,不同频率的相速度有差异称为频散(Dispersion)。研究水平地层面波的频散特征,可以求得地层内部不同深度的弹性参数,这也就是面波测深方法依据的基本原理。
水平分层、面波的模态
对于水平分层地层,面波沿地表的传播,由于途经介质的多层结构,包含了符合各个界面条件的多个模态(Mode)。震源激发的弹性波,在各个分层中多次反射、透射、谐振,再在地表干涉、叠加的过程,导至地表传播的各个模态的弹性能量和波长,都随距离逐步演变。分层地层的弹性结构,决定了面波的模态组成。了解分析不同地层分层结构的面波模态特征,才能有效地应用面波测深方法。
分层类型和模态组成、基阶和高阶
由面波模态组成的角度看,最简单,也是常见的地层分层结构,是地层刚度随深度逐渐增加,此时地表面波的大部分能量都集中在基阶模态中,形成的频散特征也比较简单,容易据以求出地层的弹性参数。如果地层中含有显著的软弱夹层,或地表为高刚度地层覆盖,面波的能量将扩展分布于基阶和多个高阶的模态中,综合构成复杂的频散特征。此时只有采用提取基阶模态的频散特征,或者综合利用多个模态的办法,计算地层的弹性分层结构。
波长、距离、反映深度
了解波长、距离、反映深度之间的关系,是确定面波探测装置的基础。对于一般的地层结构,已经有理论和实践证实的原则可以遵循。但对于复杂的地层条件,由于分层地层中点震源激发的面波,是以多个模态的方式,在地层中传播的,各个模态弹性能量的相对比重,随距离和波长逐步改变。地表的面波的频散特征,只有在和波长相应的合适距离上,才会可靠地反映某个深度内的地层弹性参数。对于新工作区,有必要通过试验,确定对具体地层结构有效的面波探测装置。
横向不均匀地层、面波的反射、散射
在横向均匀的地层上,面波的传播是单向离震源而去的,其频散特征在横向上也是稳定的。而在横向不均匀的地层上,或地表、地下有不均匀的物体时,面波会产生朝向震源或其他方向的反射或散射。此时虽然难以求得地层的二维弹性断面,但是对比面波频散特徵,或者面波波形的横向变化,也可以估计出不均匀物体的横向位置。
干扰波
层状地层上由点震源激发的地震波,除面波以外,在地表还可能接收到声波、折射波和反射波。它们占震源的能量比例较小,随距离的衰减也比较快,都可能在面波数据处理中排除。但是对于面波的弱振幅组分,特别是对于面波的低频部分,地层的低频反射鸣震,仍然可能成为难以查觉的干扰因素,必须给予注意。
技术方法
面波探测中取得地层频散特徵的技术方法目前有两种。一种是用可控频率的激震器,分别激发不同频率的面波,在不同距离的两个通道上记录面波的振幅,计算该频率的相速度。第二种是用冲击震源激发包括较宽频带的面波脉冲,在不同距离的多个通道上记录面波,用分频的数据处理方法计算频带范围内的面波相速度。除第二种方法有可能区分面波的模态外,两者从原理上没有本质的差别。
瑞雷面波的振动包含水平和垂直两个分量。从原理上看,在复杂情况下综合利用两个分量,有利于区分面波的模态,但目前一般仅测量面波地表振动的垂直分量。
面波探测的数据处理分两个步骤:1. 由面波的时距数据求取频散数据,其中包括区分出基阶模态和不分模态的两种做法。
2. 由频散数据计算地层弹性参数,实质是采取地层模型参数迭代优化的方法。其中模型正演目前又有传输矩阵法和刚度矩阵法两种。
以基阶模态频散数据为基础的面波测深方法,频散数据特征和地层结构的关连比较直观,分层反演也比较容易实现。对于波速总体随深度增加的常见地层结构,如果采集多道地震记录并转换到频率波数域,也不难单独提取出基阶模态的频散数据。线性排列的多道地震记录,涵盖了面波离开震源不同偏移距的表现,综合到频率波数域提取的频散数据,虽然会引入一定的平均效应,但是在水平层状地层的条件下,不仅有利于反映不同深度地层的影响,也有利于提高原始数据的信噪比。
由此,本文将叙述 瞬态(冲击震源)、多道、基于 面波基阶模态的测深方法。

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