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[摘要]面波勘探是一种能够快速并准确测试地表浅层地质信息的物理勘探法，近些年来才在我国出现并应用。随着信息时代软硬件的快速完善和进步，瞬态面波法渐渐为人们所熟知并采用。本文将介绍面波勘探技术的概况，工作原理以及野外测试法，并通过实例来说明其在工程中的应用。
[关键词]面波勘探 稳态面波 检波器 震源
[中图分类号] P62 [文献码] B [文章编号] 1000-405X（2015）-4-225-1
面波通过地表由震源向外传播，它的波阵面呈圆柱面。和体波不同的是，面波能量更强而速度和频率却较低，很容易识别，所以在地质结构探测的物探方法中更具有优越性。
1面波勘探技术概况
在反射波地震勘探中，面波是一种被压制和去除的干扰波。面波在地层介质传播中会携带经过介质中的如岩性、速度、深度等地质信息。将这些地质信息有效的提取出来。尤其是面波所擅长探测的浅层地质问题。
相对于传播于弹性空间的介质体积内的体波，还有一种波，它从能量角度来说分布在弹性分界面附近，这就是面波。面波是一种沿地表传播的弹性波。1887年，英国数学物理学家瑞雷预言了一种振幅沿纵向呈指数衰减的干扰波——面波。面波是沿着地表层传播的，约为一个波长的厚度。这种面波的传播特性能够反映该片区域的地址情况，对于解决人们了解掌握浅层地质信息很有帮助，所以此面波就以它的发现者命名为“瑞雷面波”。
2面波工作原理
面波勘探取决于震源和接收两大因素，根据震源和接收方式的不同分为瞬态法和稳态法。
（1）稳态面波。稳态震源下以一个固定频率激发垂直于地面的简谐振动，并以单频简谐波的方式传播，就是稳态面波。我们一般用检波器在地面进行面波的接收，按照相位差或者时间差法就能够计算出这个频率下的面波速度VR。通过改变震源频率，反复测量和计算能得出一组频率不同的面波速度并绘制曲线VR-f。稳态面波根据其震源频率的不同可以产生出许多不同频率的面波。我们通过运用日本VIC株式会社在80年代推出的佐藤GR-810自动地下勘探机，可以设计各种频率的震源，从而能够一步步的改变面波的穿透深度。GR-810全自动地下勘探机是一种专门测试浅层地表地理信息的仪器。它具有调制振荡器，可以控制和调节震源发生的频率、振幅以及波形。在勘探过程中，它完全可以根据地形、地基和地况的不同进行震源频率的任意选择，为勘探人员提供更多的数据信息。GR-810配备的地震仪可以放大地震信号并记录波至时间，随时都可以将地质面波信号传送给计算机进行数据分析和处理。并且为了稳态面波法的测量，它配有了两个检波器，提供了多种频率供勘探人员选择，更准确的完成测试工作。
（2）面波速度计算。面波速度的计算一般用时间差法来计算。假设面波以单频f的简谐波形式传播，那么它距离震源为x处的垂向位移就是DZ=A0sinω（t-■）。这时在地面放两个检波器，他们的距离是△x，通过检波器测试得到两个记录，他们的第一个峰值代表一个相位，如果该波到达两个检波器的时间差为△t，那么就可以得出ω[（t+△t）-■]=ω（t-■） ；进而得出VR=■。瞬态面波法主要通过瞬态冲击力作为震源激发面波。地表受到冲击后，会产生波动，与稳态面波不同的是，这回需要在距离震源稍远处通过传感器记录面波信号，然后对面波信号进行频谱分析，并绘制频散曲线图。通过频散曲线图我们就可以解决相应的地质问题。
在实际环境的监测中，瞬态面波勘探相对于稳态面波法来说更加简单快速。选择某块地质地面以选择间距为△x，并设置N+1个检波器。对fi进行频谱分析计算它的频率分量，根据相位差和相邻长途就可以测试出面波的传播速度为VRi=2π■i■。
3野外工作方法
面波勘探的野外工作一般采用多道瞬态面波法。这是一种道距相等且单端激发的排列。排列长度应该大于探测深度，检波道数N最好不要低于6道。在道间距△x的长度原则应该小于探测波长的1/2，因为△x越小，分辨率越高。所以检波距△x的公式应该是λmin/3<△x<λmin/2，也就是最高频率时面波波长的三分之一小于检波器道间距，同时检波器的道间距也应该小于面波波长的二分之一，这是合理的控制范围。炮检距D越小越好，要尽量保持和满足面波的最佳探测深度为基本原则。在野外进行作业，尽量远离较大沟壑和墙等能够折射和散射的障碍物，尽量选择平坦宽阔无障碍的平地进行。而由于是采用瞬态面波法，震源方式最好采用比较激烈的落重激震和炸弹激震。根据激震方式的不同，所选择的探测深度也不同，炸弹激震可以探测50m以上的深度，是可探测深度最深的一种。
4工程应用
深圳港大铲湾集装箱码头陆域工程在深圳市西部进行。该工程选择了吹砂挤淤工艺。所谓吹砂挤淤就是利用吹砂船在深槽吹散砂，通过挤淤置换表层的粘性土，起到垫层作用，让深槽段滩面上升的工艺。工程的主要目的是利用瑞雷面波的勘探方法来探查吹砂层的实际厚度。
探测施工采用SWS-3多波列数字图像工程勘探检测仪。将采样间隔设置为0.5ms，总记录长度可达1120ms，用4Hz的低频检波器，并且道间距设置为1.5m，偏移距是13m，总记录道数为6～14道，震源方式选择25磅大锤激震。
通过瞬态面波探测，采样面波群的频谱频率并进行分析，可以计算出面波速度。而在频散曲线对应的底层分界面位置，就能看到吹砂层和底面淤泥层的分界面。
在深圳笔架山边坡进行勘察工程。此工程主要应用了强风化花岗岩与瞬态面波探测碎石层厚度的边坡分界面，我们发现频散曲线中碎石与强风花岗岩界面的标记很明显，出现了“之”字型标志。
右图为反演频散曲线示意图。
5总结
瞬态面波法不同于稳态面波法，它的测试过程更加简易和有效、经济快捷、分辨率高且占用场地小。利用面波频散曲线，通过定量解释，我们可以了解详尽的地质信息，比如地质层弹性波的传播速度，这也让我们直接了解到了底层的软硬程度。而瞬态面波勘察技术对地质也具有薄层分辨能力，定量分析评价和通过图像再现地下低层与构造的能力。可以说，瞬态面波法作为工程勘察的好助手，基本完成了预期的勘察任务和地质测量目的。但是，瞬态面波也有它的不足，那就是经常受到表层介质和激震来源的条件限制。所以在以后的勘察工作中，应该注意勘测地质的选择，并且根据勘察不同区域所积累的经验，对瞬态面波法操作方法进行更多的探究，让瞬态面波技术在未来的地质勘察工作中发挥更大的作用。
参考文献
[1] 杨耀.瞬态瑞雷波在工程勘察中的应用[J].工程地球物理学报，2013，10（6）.
[2] 尚耀军，温佐彪.多道瞬态瑞雷面波在工程勘察中的应用[J].科技广场，2009（5）.
[关键词]面波勘探 稳态面波 检波器 震源
[中图分类号] P62 [文献码] B [文章编号] 1000-405X（2015）-4-225-1
面波通过地表由震源向外传播，它的波阵面呈圆柱面。和体波不同的是，面波能量更强而速度和频率却较低，很容易识别，所以在地质结构探测的物探方法中更具有优越性。
1面波勘探技术概况
在反射波地震勘探中，面波是一种被压制和去除的干扰波。面波在地层介质传播中会携带经过介质中的如岩性、速度、深度等地质信息。将这些地质信息有效的提取出来。尤其是面波所擅长探测的浅层地质问题。
相对于传播于弹性空间的介质体积内的体波，还有一种波，它从能量角度来说分布在弹性分界面附近，这就是面波。面波是一种沿地表传播的弹性波。1887年，英国数学物理学家瑞雷预言了一种振幅沿纵向呈指数衰减的干扰波——面波。面波是沿着地表层传播的，约为一个波长的厚度。这种面波的传播特性能够反映该片区域的地址情况，对于解决人们了解掌握浅层地质信息很有帮助，所以此面波就以它的发现者命名为“瑞雷面波”。
2面波工作原理
面波勘探取决于震源和接收两大因素，根据震源和接收方式的不同分为瞬态法和稳态法。
（1）稳态面波。稳态震源下以一个固定频率激发垂直于地面的简谐振动，并以单频简谐波的方式传播，就是稳态面波。我们一般用检波器在地面进行面波的接收，按照相位差或者时间差法就能够计算出这个频率下的面波速度VR。通过改变震源频率，反复测量和计算能得出一组频率不同的面波速度并绘制曲线VR-f。稳态面波根据其震源频率的不同可以产生出许多不同频率的面波。我们通过运用日本VIC株式会社在80年代推出的佐藤GR-810自动地下勘探机，可以设计各种频率的震源，从而能够一步步的改变面波的穿透深度。GR-810全自动地下勘探机是一种专门测试浅层地表地理信息的仪器。它具有调制振荡器，可以控制和调节震源发生的频率、振幅以及波形。在勘探过程中，它完全可以根据地形、地基和地况的不同进行震源频率的任意选择，为勘探人员提供更多的数据信息。GR-810配备的地震仪可以放大地震信号并记录波至时间，随时都可以将地质面波信号传送给计算机进行数据分析和处理。并且为了稳态面波法的测量，它配有了两个检波器，提供了多种频率供勘探人员选择，更准确的完成测试工作。
（2）面波速度计算。面波速度的计算一般用时间差法来计算。假设面波以单频f的简谐波形式传播，那么它距离震源为x处的垂向位移就是DZ=A0sinω（t-■）。这时在地面放两个检波器，他们的距离是△x，通过检波器测试得到两个记录，他们的第一个峰值代表一个相位，如果该波到达两个检波器的时间差为△t，那么就可以得出ω[（t+△t）-■]=ω（t-■） ；进而得出VR=■。瞬态面波法主要通过瞬态冲击力作为震源激发面波。地表受到冲击后，会产生波动，与稳态面波不同的是，这回需要在距离震源稍远处通过传感器记录面波信号，然后对面波信号进行频谱分析，并绘制频散曲线图。通过频散曲线图我们就可以解决相应的地质问题。
在实际环境的监测中，瞬态面波勘探相对于稳态面波法来说更加简单快速。选择某块地质地面以选择间距为△x，并设置N+1个检波器。对fi进行频谱分析计算它的频率分量，根据相位差和相邻长途就可以测试出面波的传播速度为VRi=2π■i■。
3野外工作方法
面波勘探的野外工作一般采用多道瞬态面波法。这是一种道距相等且单端激发的排列。排列长度应该大于探测深度，检波道数N最好不要低于6道。在道间距△x的长度原则应该小于探测波长的1/2，因为△x越小，分辨率越高。所以检波距△x的公式应该是λmin/3<△x<λmin/2，也就是最高频率时面波波长的三分之一小于检波器道间距，同时检波器的道间距也应该小于面波波长的二分之一，这是合理的控制范围。炮检距D越小越好，要尽量保持和满足面波的最佳探测深度为基本原则。在野外进行作业，尽量远离较大沟壑和墙等能够折射和散射的障碍物，尽量选择平坦宽阔无障碍的平地进行。而由于是采用瞬态面波法，震源方式最好采用比较激烈的落重激震和炸弹激震。根据激震方式的不同，所选择的探测深度也不同，炸弹激震可以探测50m以上的深度，是可探测深度最深的一种。
4工程应用
深圳港大铲湾集装箱码头陆域工程在深圳市西部进行。该工程选择了吹砂挤淤工艺。所谓吹砂挤淤就是利用吹砂船在深槽吹散砂，通过挤淤置换表层的粘性土，起到垫层作用，让深槽段滩面上升的工艺。工程的主要目的是利用瑞雷面波的勘探方法来探查吹砂层的实际厚度。
探测施工采用SWS-3多波列数字图像工程勘探检测仪。将采样间隔设置为0.5ms，总记录长度可达1120ms，用4Hz的低频检波器，并且道间距设置为1.5m，偏移距是13m，总记录道数为6～14道，震源方式选择25磅大锤激震。
通过瞬态面波探测，采样面波群的频谱频率并进行分析，可以计算出面波速度。而在频散曲线对应的底层分界面位置，就能看到吹砂层和底面淤泥层的分界面。
在深圳笔架山边坡进行勘察工程。此工程主要应用了强风化花岗岩与瞬态面波探测碎石层厚度的边坡分界面，我们发现频散曲线中碎石与强风花岗岩界面的标记很明显，出现了“之”字型标志。
右图为反演频散曲线示意图。
5总结
瞬态面波法不同于稳态面波法，它的测试过程更加简易和有效、经济快捷、分辨率高且占用场地小。利用面波频散曲线，通过定量解释，我们可以了解详尽的地质信息，比如地质层弹性波的传播速度，这也让我们直接了解到了底层的软硬程度。而瞬态面波勘察技术对地质也具有薄层分辨能力，定量分析评价和通过图像再现地下低层与构造的能力。可以说，瞬态面波法作为工程勘察的好助手，基本完成了预期的勘察任务和地质测量目的。但是，瞬态面波也有它的不足，那就是经常受到表层介质和激震来源的条件限制。所以在以后的勘察工作中，应该注意勘测地质的选择，并且根据勘察不同区域所积累的经验，对瞬态面波法操作方法进行更多的探究，让瞬态面波技术在未来的地质勘察工作中发挥更大的作用。
参考文献
[1] 杨耀.瞬态瑞雷波在工程勘察中的应用[J].工程地球物理学报，2013，10（6）.
[2] 尚耀军，温佐彪.多道瞬态瑞雷面波在工程勘察中的应用[J].科技广场，2009（5）.