面波測深原理要點

瑞雷面波是一種沿介質(zhì)自由表面?zhèn)鞑サ膹椥圆?，由英國科學(xué)家瑞雷（Rayleigh 1887）發(fā)現(xiàn)和數(shù)學(xué)論證。隨著面波探測在天然地震和工程勘察領(lǐng)域中的應(yīng)用，面波理論在原理、測量技術(shù)和數(shù)據(jù)處理方法上，都得到很大的發(fā)展。了解面波的原理是有效應(yīng)用面波測深的基礎(chǔ)。
面波、波長和波及深度、面波速度和剪切波速
點狀震源產(chǎn)生的球面波，將彈性能量向周邊介質(zhì)傳遞，在地表自由面上，受界面彈性條件的制約，產(chǎn)生沿地表傳播的壓縮波和 SV 型剪切波，疊合形成瑞雷面波。它的傳播規(guī)律，反映了傳播途徑中所涉及介質(zhì)的彈性參數(shù)。
在均勻介質(zhì)中，面波的振幅隨深度增大而減小，其彈性能量的傳播深度和它的波長有關(guān)，波長越長的面波，它的能量波及地表以下的深度也越大。面波沿地表傳播的速度和波及深度內(nèi)介質(zhì)的彈性參數(shù)有關(guān)，包括介質(zhì)的密度、壓縮和剪切波速度，而主要的影響參數(shù)是介質(zhì)的剪切波速度。
相速度、彈性分層和頻散
均一地層表面激發(fā)的面波，其不同波長組分涉及的深度內(nèi)介質(zhì)彈性參數(shù)相同，從而具有相同的傳播速度。彈性分層的地層內(nèi)不同深度的介質(zhì)彈性參數(shù)有差別，從而面波不同波長組分的傳播速度也不同。單一波長（或單一頻率）組分的面波傳播速度稱該波長（或頻率）的相速度，不同頻率的相速度有差異稱為頻散（Dispersion）。研究水平地層面波的頻散特征，可以求得地層內(nèi)部不同深度的彈性參數(shù)，這也就是面波測深方法依據(jù)的基本原理。
水平分層、面波的模態(tài)
對于水平分層地層，面波沿地表的傳播，由于途經(jīng)介質(zhì)的多層結(jié)構(gòu)，包含了符合各個界面條件的多個模態(tài)（Mode）。震源激發(fā)的彈性波，在各個分層中多次反射、透射、諧振，再在地表干涉、疊加的過程，導(dǎo)至地表傳播的各個模態(tài)的彈性能量和波長，都隨距離逐步演變。分層地層的彈性結(jié)構(gòu)，決定了面波的模態(tài)組成。了解分析不同地層分層結(jié)構(gòu)的面波模態(tài)特征，才能有效地應(yīng)用面波測深方法。
分層類型和模態(tài)組成、基階和高階
由面波模態(tài)組成的角度看，簡單，也是常見的地層分層結(jié)構(gòu)，是地層剛度隨深度逐漸增加，此時地表面波的大部分能量都集中在基階模態(tài)中，形成的頻散特征也比較簡單，容易據(jù)以求出地層的彈性參數(shù)。如果地層中含有顯著的軟弱夾層，或地表為高剛度地層覆蓋，面波的能量將擴(kuò)展分布于基階和多個高階的模態(tài)中，綜合構(gòu)成復(fù)雜的頻散特征。此時只有采用提取基階模態(tài)的頻散特征，或者綜合利用多個模態(tài)的辦法，計算地層的彈性分層結(jié)構(gòu)。
波長、距離、反映深度
了解波長、距離、反映深度之間的關(guān)系，是確定面波探測裝置的基礎(chǔ)。對于一般的地層結(jié)構(gòu)，已經(jīng)有理論和實踐證實的原則可以遵循。但對于復(fù)雜的地層條件，由于分層地層中點震源激發(fā)的面波，是以多個模態(tài)的方式，在地層中傳播的，各個模態(tài)彈性能量的相對比重，隨距離和波長逐步改變。地表的面波的頻散特征，只有在和波長相應(yīng)的合適距離上，才會可靠地反映某個深度內(nèi)的地層彈性參數(shù)。對于新工作區(qū)，有必要通過試驗，確定對具體地層結(jié)構(gòu)有效的面波探測裝置。
橫向不均勻地層、面波的反射、散射
在橫向均勻的地層上，面波的傳播是單向離震源而去的，其頻散特征在橫向上也是穩(wěn)定的。而在橫向不均勻的地層上，或地表、地下有不均勻的物體時，面波會產(chǎn)生朝向震源或其他方向的反射或散射。此時雖然難以求得地層的二維彈性斷面，但是對比面波頻散特徵，或者面波波形的橫向變化，也可以估計出不均勻物體的橫向位置。
干擾波
層狀地層上由點震源激發(fā)的地震波，除面波以外，在地表還可能接收到聲波、折射波和反射波。它們占震源的能量比例較小，隨距離的衰減也比較快，都可能在面波數(shù)據(jù)處理中排除。但是對于面波的弱振幅組分，特別是對于面波的低頻部分，地層的低頻反射鳴震，仍然可能成為難以查覺的干擾因素，必須給予注意。
技術(shù)方法
面波探測中取得地層頻散特徵的技術(shù)方法目前有兩種。一種是用可控頻率的激震器，分別激發(fā)不同頻率的面波，在不同距離的兩個通道上記錄面波的振幅，計算該頻率的相速度。二種是用沖擊震源激發(fā)包括較寬頻帶的面波脈沖，在不同距離的多個通道上記錄面波，用分頻的數(shù)據(jù)處理方法計算頻帶范圍內(nèi)的面波相速度。除二種方法有可能區(qū)分面波的模態(tài)外，兩者從原理上沒有本質(zhì)的差別。
瑞雷面波的振動包含水平和垂直兩個分量。從原理上看，在復(fù)雜情況下綜合利用兩個分量，有利于區(qū)分面波的模態(tài)，但目前一般僅測量面波地表振動的垂直分量。
面波探測的數(shù)據(jù)處理分兩個步驟：1. 由面波的時距數(shù)據(jù)求取頻散數(shù)據(jù)，其中包括區(qū)分出基階模態(tài)和不分模態(tài)的兩種做法。
2. 由頻散數(shù)據(jù)計算地層彈性參數(shù)，實質(zhì)是采取地層模型參數(shù)迭代優(yōu)化的方法。其中模型正演目前又有傳輸矩陣法和剛度矩陣法兩種。
以基階模態(tài)頻散數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的面波測深方法，頻散數(shù)據(jù)特征和地層結(jié)構(gòu)的關(guān)連比較直觀，分層反演也比較容易實現(xiàn)。對于波速總體隨深度增加的常見地層結(jié)構(gòu)，如果采集多道地震記錄并轉(zhuǎn)換到頻率波數(shù)域，也不難單獨提取出基階模態(tài)的頻散數(shù)據(jù)。線性排列的多道地震記錄，涵蓋了面波離開震源不同偏移距的表現(xiàn)，綜合到頻率波數(shù)域提取的頻散數(shù)據(jù)，雖然會引入一定的平均效應(yīng)，但是在水平層狀地層的條件下，不僅有利于反映不同深度地層的影響，也有利于提高原始數(shù)據(jù)的信噪比。
由此，本文將敘述 瞬態(tài)(沖擊震源)、多道、基于 面波基階模態(tài)的測深方法。