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实验四地震勘探实验（面波法）一、实验原理瑞雷面波法用于勘探，与以往的弹性波法（反射波法和折射波法）差别在于：它应用的不是纵波和横波，而是以前反射波法和折射波法视为干扰的面波。
其原理是：面波具有频散的特性，其传播的相速度随频率的改变而改变。
这种频散特性可以反映地下介质的特性。
瑞雷面波的特点：瑞雷面波速度低、瑞雷面波在介质中泊松比在0.4~0.5范围内，面波速度与横波速度关系基本接近、瑞雷面波对地层的分辨能力，决定于频率，频率高则分辨能力强。
上图为72道的面波采集记录：震源在左上角，同一震源下的直达波、折射波、反射波和面波遵循各自的传播规律，分布在不同的区域。
其中面波传播的特征：近震源处发育、震幅大、传播速度低。
上图为实际勘探过程中采集得到的面波记录：以近震源、小道距、长采样、宽频率激发、低频率接收。
工程检测方面的应用实例：上图采集地点为：云南某高速公路的路基检测，检测深度为4米。
由图中的“频散曲线”分层可以看出：每层的厚度约在0.3米-0.5米。
填筑路基施工是分层进行，松散料经过压实，达到压实度后再进行下一层的填料。
图中频散曲线的拐点清晰，分析的层厚度在0.35米-0.5米之间。
二、实验目的1.了解面波法的原理；2.了解面波法工作布置及观测方法；3.掌握面波法数据采集、处理和解释，熟练操作相关软件。
三、实验仪器SWS型多波列数字图像工程勘察与工程检测仪。
该系统由主机、多芯电缆、检波器、触发器、震源（大锤或炸药）、铁板、直流电源、直流电源线以及数据采集、处理和解释软件等组成。
四、实验步骤1.在工区布设测线在工区布设测线，原则：由南向北、由西向东测线号与测点号依次增大。
使用皮尺标注检波器位置与激发点位置。
2.连接仪器的各个部分将主机、电源、多芯电缆、检波器、大锤、触发器按正确的方式一一连接起来。
注意：各接口均使用“防呆”设计，电缆插头与对应的插槽才能连接，电缆插头与非对应的插槽不能连接。
禁止暴力插拔各插头、插槽，以防仪器损坏。
第二章几何地震学第二章几何地震学本章内容提要：Main Content:在这一章中我们将讨论地震勘探的一些基本原理，这些原理是地震勘探的理论基础。
首先介绍岩石的弹性、地震波的基本概念（类型、描述（振动图、波剖面、频谱、波前、射线〕）；然后，分析地震波在岩石中的传播速度，最后讨论地震波在分界面上、层状介质中的传播规律以及地震波的频谱和振幅特点。
第一节岩石的弹性Passage 1 Rock Elasticity Property本节主要内容：1．理想弹性介质与粘弹性介质Ideal Elasticity Media and Plastics Media2、几种弹性模量（弹性常数）Some Elasticity Mould/Constant1．理想弹性介质与粘弹性介质(Ideal Elasticity Media and Plastics Media)介质分为：1)弹性介质：物体受力后，发生形变，但当外力撤消后，即能恢复原状的性质。
2)塑性介质：物体受力后，发生形变，但当外力撤消后，不能恢复原状的性质。
一般，自然界中的任何物体都具有这两种性质，但把它看成是什么性质或说看成是弹性介质还是塑性介质，是与一定的因素有关的，即一个物体是弹性还是塑性介质，除与本身性质有关外，还与外力大小、作用时间长短有关，如弹簧，一般我们都把它看成是弹性体，但当我们的作用力非常大，并且作用时间很长时，它也变成塑性体（即使除去外力后，弹簧也弹不起来了）结论1：地震勘探中将地下岩石看做为弹性介质---地震勘探的理论基础由于在地震勘探中作用力都是很小，且作用时间也很短（一瞬间），故可把地下介质看作以弹性为主，抽象后为弹性介质。
2、几种弹性模量（弹性常数）(Some Elasticity Mould/Constant)当用相同的力作用于不同的岩石，将可能产生不同的形变，这是因为不同的岩石具有不同的弹性性质，通常可用下述弹性模量（常数）来描述岩石的弹性性质。
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Surface wave in the characteristics of seismic wave field research and its application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。
ABSTRACTRayleigh wave exploration is developed in recent years, a new shallow geophysical exploration methods, it is a simple, quick, economy, high resolution, achievements intuitive, applicable site, has the advantages of small find application in many fields, and have achieved good application effect.Rayleigh's is a kind of lower frequency, energy strong secondary wave, and mainly the boundary surface along the medium, the energy with the spread of interface distance attenuation increases rapidly. Rayleigh wave reflection wave, with all contain the same refraction wave of underground medium geological information.This article from Rayleigh's concept, principle and method , frequency dispersion characteristics, and inversion study and the actual material application etc, with multi-channel detectors measurements to understand surface wave exploration in the application of shallow surface survey. keywords: Rayleigh wave，frequency disperse curve, wave equation, transient state Rayleigh wave prospecting.目录绪论 (1)1.工区自然地理和地质、地球物理特征 (3)1.1工区自然地理 (3)1.2工区地质概况 (4)2.工作方法与技术 (4)2.1 面波勘探的基本原理及特点 (5)2.2 野外工作方法 (7)2.3 工区布置 (7)2.3.1 主要的仪器设备及其设置的参数 (8)2.3.2仪器要求 (9)2.3.3 采集系统的布置 (9)2.3.4 使用规范 (9)2.4 野外数据采集 (10)3.数据处理 (11)3.1 处理方法和原理 (11)3.2 数据处理内容 (11)3.3 处理软件要求 (11)3.4处理过程的要求 (12)3.5 面波数据处理流程 (12)4.资料解释 (15)5.结论与建议 (17)5.1结论 (17)5.2 建议 (17)致谢 (18)参考文献 (19)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。
面波勘探原理嘿，朋友！今天咱们来聊一聊面波勘探原理，这听起来有点高大上，但其实就像探索地球这个大宝藏的一种神奇魔法呢。
你可以把地球想象成一个超级大蛋糕，不同的地层就像蛋糕的不同夹层，有松软的，有厚实的。
面波呢，就像是在这个大蛋糕表面轻轻晃动的小水波。
当有能量源（比如说一个小锤子敲一下地面，就像你轻轻敲蛋糕表面一样）在地表激发的时候，面波就开始在地球这个大蛋糕的表面传播啦。
面波有个很有趣的特性哦。
它传播的时候，不同频率的面波在不同的地层中“奔跑”的速度不一样呢。
就好像一群小动物在不同质地的地面上跑，有的地面软，小动物跑起来就慢；有的地面硬，小动物跑起来就快。
低频的面波就像大个头、脚步重的大象，能穿透比较深的地层，但是跑得慢一点；高频的面波就像小巧灵活的小老鼠，在比较浅的地层里穿梭，速度还挺快的。
我们怎么知道这些面波的速度呢？这就需要一些特殊的仪器啦。
这些仪器就像是超级灵敏的耳朵，能听到面波在地下传播时发出的“声音”。
它们会在离能量源不同的距离上接收面波传来的信号。
你看，就像我们在不同的位置听那个小锤子敲蛋糕的“回声”一样。
通过测量面波从激发点传播到各个接收点的时间，再知道这些接收点之间的距离，我们就能算出面波在不同地层中的传播速度啦。
就像我们知道小老鼠和大象跑的路程和时间，就能算出它们的速度一样。
那知道面波速度有啥用呢？这可太有用啦。
根据面波速度的变化，我们就能推测出地下地层的结构。
如果面波速度突然变快或者变慢，那就说明下面的地层性质发生了变化，就像蛋糕的夹层从松软变成了厚实。
我们可以根据这些变化画出地下地层的大致“画像”，知道哪里有软的地层，哪里有硬的地层，哪里可能有地下水或者岩石层的变化等等。
而且哦，面波勘探的准确性还挺高的呢。
比如说在一些城市建设中，工程师们要在地下建造地铁或者高楼大厦，他们就需要先知道地下的情况，这时候面波勘探就像一个地下小侦探，悄悄地把地下的秘密告诉工程师们。
再比如考古学家想要寻找地下的古墓或者遗迹，面波勘探也能发挥大作用，就像一个能看穿地下的透视眼。
第一章 地震勘探的理论基础1、各向同性介质：弹性与空间方向无明确关系的介质称各向同性介质，否则是各向异性介质。
2、泊松比σ：弹性体受力纵向伸长(缩短)与横向收缩(膨胀)的比值。
L L d d //∆∆=σ3、对于大多数沉积岩石，σ=0.25，∴V P =1.73V S 。
4、瑞雷面波(R 波)特点：(1) 波的能量分布在地表附近的介质中并随深度迅速衰减。
(2) 质点振动方向分上、下、坐、右，合成的振幅轨迹是椭圆(逆时针方向)，长轴垂直地面，长短轴比值是2/3。
(3) 当σ=0.25时，V R = 0.92V S =0.54V P ，速度低、频率低(10~30Hz)，波形宽。
(4) 有频散(波散)现象，不同频率的成分传播速度(相速度)不同，即群速度不等于相速度。
5、拉夫面波(L 波) 特点：能量沿地震界面分布，振动方向与传播方向垂直，振动平面平行界面，即为SH 波，由于水平振动，检波器接收不到。
6、地震波的特征：运动学特征——研究波在地层中传播的空间位置与传播时间的关系。
动力学特征——研究波在地层中传播的能量(振幅)变化和波形特征(频谱)。
7、惠更斯原理(1690)也叫波前原理，说明波向前传播的规律。
在弹性介质中，任意时刻波前面上的每一点，都可看作是一个新的波源(子波)而产生二次扰动，新波前的位置可认为是该时刻各子波波前的包络。
惠更斯原理只给出了波传播的空间位置，而不能给出波传播的物理状态。
菲涅尔(1814)对惠更斯原理进行了补充：波在传播时，任意点处的振动，相当于上一时刻波前面上全部新震源产生的子波在该点处相互干涉的合成波。
8、视速度定理地震波的传播是沿射线方向进行的，而观测地震波是沿测线方向进行的，其方向和射线方向不一致。
波前沿测线传播的速度不是真速度V ，而是视速度*V 。
αsin //=∆∆=∆∆∆∆=*xs t x t s V V βαcos sin V V V ==* 式中 α——射线与地面法线的夹角，称入射角；β——波前与地面法线的夹角，称出射角。
第二节瑞雷面波法自1887年英国学者瑞雷从理论上证明了瑞雷面波的存在以来，人们曾对面波的形成和传播特征做过许多研究，但长期以来，它却一直被认为是地震勘探中的一种干扰波，没有利用价值。
上世纪六十年代开始，国外有人开始研究瑞雷面波的有效利用问题。
到上世纪八十年代，瑞雷面波的传播特性及利用方面的研究成为世界工程地球物理勘探同行们的研究热点。
目前，瑞雷面波勘探法在我国已经得到广泛应用，现在几乎国内外所有的浅层地震勘探仪都配有瑞雷面波勘探的功能。
尽管其应用已经如此广泛，但瑞雷面波勘探的理论问题、仪器问题和处理解释问题还并没有得到很好的解决。
也就是说，瑞雷面波勘探在技术及理论方面还有大量的工作要做。
§2－1面波勘探的基本原理2.1.1均匀半空间瑞雷面波的形成地表震源不仅激发纵波和横波，同时由于纵波和横波的相互干涉叠加，会出现波形的转换，使地下介质质点按一定的轨迹运动，形成一种新的、能量很强且主要集中在地表附近的波动。
由于这种波是1887年由瑞雷从数学上证明其存在的，故称为瑞雷面波。
关于瑞雷波的推导如下：条件：自由界面以下为半无限均匀弹性介质，介质的弹性常数为λ和μ，密度为ρ，x、y轴取在自由表面上，z轴垂直向下。
设瑞雷波速为V，在zox平面内沿x轴方向传播，在y轴方向的振幅和相位完R全相同，及只讨论平面二维情况。
令其势函数为：)()(t x ki R e z f ωϕ-= )()(t x ki R e z f ωψ-=ϕ 和ψ分别满足下列波动方程：22221tV P ∂∂=∇ϕϕ22221tV S ∂∂=∇ψψ将ϕ、ψ代入上式，可得：0)(2222=--f k k dzf d P R0)(2222=--g k k dzg d S R 其中，PP V k ω=，SS V k ω=，RR V k ω=。
上式的解为：z z Ce Ae f αα+=- z z De Be g ββ+=-式中：22PR k k -=α，22S R k k -=β。
由边界条件：0,→∞→z ψϕ得：0=C ，0=D 。
于是有：)(t x ki z R e Ae ωαϕ--= z Be βψ-=)(t x ki R e ω-在自由界面，其边界条件是正应力和切应力为零。
即：02)(=∂∂+∂∂+∂∂=Z Dz D x D Z z x z zz μλσ 0)(=∂∂+∂∂==xD z D zx z xzμσ 其中，x D 、z D 是位移分量：z x D x ∂∂-∂∂=ψϕ xz D z ∂∂-∂∂=ψϕ 弹性常数λ、μ与介质密度及纵、横波的关系分别为： )2(22S P V V -=ρλ 2S V ρμ=将这些代入边界条件方程,通过简化可得：0)(20222222=⎥⎦⎤⎢⎣⎡∂∂-∂∂∂+∇=z S P x z x V V ϕψϕ02022222=⎥⎦⎤⎢⎣⎡∂∂-∂∂+∂∂∂=z z xz x ψψϕ 将ϕ和ψ代入上两式化简可得：0)(2)(22222=-+-βψϕϕαR R S RP ik k V k V 022=---ψβψαϕR R k ik根据α、β的定义，最后得到：02)2(2222=---B k k ik A k k S R R S R0)2(222222=-+-B k k A k k ik S R P R R若要A 、B 不为零，则上式的系数行列式应为零，即：04)2(22222222=----S R P R R S Rk k k k k k k 上式即为瑞雷方程。
令：22S R k k x =; 22S Pk k m ==22PS V V代入上式得：014)12(2=----x m x x x 整理得：018)32(8)1(1623=-+-+-x x m x m令1=x ，上式左边＝－1＜0，令∞→x ，则上式左边∞→。
因此，该方程在),1(+∞之间至少有一个x 得实根。
也就是：x k k S R=22＞1或： 2R k ＞2S k亦即：R V ＜S V 。
由此可见，面波速度R V 既小于纵波速度P V ,也小 于横波速度S V 。
一般岩石的泊松比为0.25，此时μλ=，223S P V V =，31=m ，代入上方程有：0324563223=-+-x x x或：0)3128)(14(2=+--x x x此方程的根为：4/11=x ；4332-=x ；4333+=x 这3个根中，只有3x 才满足x ＞1的要求，其它两个根应舍去。
由433+=x 有：22433S Rk k += 或： S R k k 087.1= S R V V 9194.0=可见，在均匀弹性半空间存在的这个沿自由表面传播的波，其速度略小于横波速度，振幅随着离开自由表面的距离的增加而衰减，这就是面波。
2.1.2瑞雷面波的传播特征 1、瑞雷面波的质点振动将式（）代入式（）并利用式（）消去B 可得：⎪⎪⎭⎪⎪⎬⎫-+-=--=------)(22)(22)22()22(t x k i z R S R zRR z t x k i zSR z R x R R ee k k k e k A k D e e k k e A ik D ωβαωβαβααβ 取其实部：)sin()22(22x k t e k k e Ak D R zSR z R x ---=--ωαββα )cos()22(22x k t e k k k ek Ak D R z RS R zRR z --+---ωβαβα 上式为瑞雷面波的位移表达式。
当∞→z 时，0→x D ，0→z D ，即在x 和z 方向的位移都为零，这说明瑞雷面波的分布深度是有限的。
当介质为泊松体)25.0(=ν时，将式（）代入（）得：)sin()5773.0(3933.08475.0x k t e e Ak D R z k z k R x RR--=--ω)cos()4679.18475.0(3933.08475.0x k t e e Ak D R z k z k R z RR-+-=--ω当0=z 时，即在自由表面上：sin 42.00D D z x ≈=)(x k t R -ω )cos(62.00x k t D D R z z-≈=ω其中，R Ak D =。
将上两式平方后相加并整理得： 1)(cos )(sin )62.0()42.0(2222=-+-=+x k t x k t DD D D R R z x ωω 上式为椭圆方程。
这表明在自由表面附近沿波传播方向得垂直平面内，瑞雷面波质点运动得轨迹是椭圆，椭圆的水平轴与垂直轴之比约为3:2，且质点的垂直位移比水平位移相位超前2π。
当介质的泊松比为0.25时，根据式（）可以计算出水平位移x D 和垂直位移z D 的振幅随深度的变化，如图（6－1）所示。
从图中可以看出，当zRλ＜0.193时，x D 和z D 的振幅的符号相同，两者合成之后形成的质点运动轨迹为一逆时针方向转动的椭圆；当zRλ＞0.193时，两者符号不同，质点运动轨迹为顺时针转动的椭圆。
质点振动轨迹和振幅随单位波长深度的变化规律如图（6－2）所示。
2、瑞雷面波穿透深度与波长的关系图（6－3）为根据式（）计算出的面波质点水平位移和垂直位移的振幅随深度变化的曲线。
从图中可以看到，当泊松比从0.1增大到0.5时，水平和垂直位移的振幅也随之增大。
这说明介质的泊松比越大，则转换为面波的能量就越多；对于不同的介质，随着深度的增大，面波的水平和垂直位移的振幅达到极大值后迅速降低，其主要能量均集中在zRλ＜1的深度范围内。
由此认为，面波的穿透深度约为一个波长。
从图（6－3）还可以看到，当深度z 为波长R λ的一半时，面波的能量较强，当z 与R λ相当时，其能量迅速衰减。
因此，某一波长的面波速度主要与深度小于R λ的地层物性有关，该特性为利用面波进行浅层勘探的定量解释提供了依据。
通常认为，面波的勘探深度约为半个波长。
3、瑞雷面波与横波速度和泊松比ν的关系式（）可以写为：0114)2(2222222=----RS R P S R k k k k k k或：0114)2(2222222=----SR P R S R V V V V V V横波和纵波的速度比为：)1(22122νν--=P S V V代入上式整理得：011)(12)()(81246=----+-νννS R S R S R V V V V V V 据此式可解出在均匀各向同性介质中传播的面波速度R V 、横波速度S V 与泊松比ν之间的关系为：S R V V νν++=112.187.0当泊松比ν变化时，横波速度与面波速度之间的关系见下表，纵波速度、横波速度随泊松比ν的变化如图（6－4）所示。
从图（6－4）中可以看出，随着ν接近0.5，R V 与S V 趋于同一值。
一般来说，固结岩石的ν为0.25，土层的ν为0.45～0.49之间。
因此对于土体而言，可认为R V 与S V 大致相等。
从这一点出发，在进行土体勘探时，可根据面波速度得到横波速度，两者的误差约为5％左右。
4、瑞雷面波的衰减纵波、横波的波前面相对激发点呈球面扩散，而瑞雷波的波前面呈柱面扩散。
所以，其能量密度衰减较小。
瑞雷波沿深度方向衰减快，仅存在于大约一个波长的深度内，而沿水平方向的能量密度随着传播距离r 按r1衰减，这比球面波扩散的体波能量密度按21r衰减要小得多。
另外，研究证实，在弹性半空间表面上，通过圆形垫向下加一个垂向振动力，能量从震源向下辐射，约有2/3的能量会转化为瑞雷波，只有1/3的能量由体波携带，这是利用面波进行勘探的有利条件。
2.1.3层状介质中的瑞雷面波在层状介质条件下，可以寻求一个面波的解析解。
对于多层弹性半空间而言，如均匀弹性半空间一样，瑞雷面波仍在zox 平面内传播。
在这样的条件下，在自由表面上，仍有两个边界条件：垂直应力和水平应力为零；在两种介质的分界面处的边界条件为：垂直位移和水平位移连续，垂直应力和水平应力分量也连续，因此有四个边界条件。
多于n 层介质，计算面波的传播问题共有24-n 个边界条件，即有24-n 个齐次联立方程。
为简单计，现以一个简单的两层半空间问题为例。
同样，取势函数为：)(t x ki z R e Ae ωαϕ--= z Be βψ-=)(t x ki R e ω-假设介质的自由表面之上有一非弹性覆盖层，并设覆盖层的厚度可以忽略，坐标取法如图（6－5）所示。
在这样的条件下，由于覆盖层的影响，该分界面上法向应力不再等于零，而是等于22tD z∂∂ρ，切向应力仍然等于零（因为覆盖层是非弹性物质）。
这时的边界条件为：222tD z D zz zz∂∂=∂∂+=ρμλϑσ 0)(=∂∂+∂∂=xD z D z x xz μσzD x D zx ∂∂+∂∂=θ 边界条件进而可写成：⎪⎪⎭⎪⎪⎬⎫=⎥⎦⎤⎢⎣⎡∂∂-∂∂∂+∂∂⎥⎦⎤⎢⎣⎡∂∂-∂∂∂∂=∂∂∂+∂∂-∂∂+∂∂+==02)()(2))(2(0222220222222222z z x z x z x z t z x x z x ψϕψψϕρψϕμϕϕμλ 将ϕ、ψ代入上式并化简得：[][]02)2(222222222=--+---B k k k k i A k k k kR P R R P R S R ρωμρωμ0)2(222222=--+--B k k k A k k ik S P R P R R令这一方程组的系数行列式等于零，得：[])2(2)2()2(222222222222=--------ρωμρωμS R R P R R P R S R S R k k k k k k k k k k k k 由上式可以看出，此时面波速度的解与频率有关，即面波速度具有频散。
