第一章 工程地震勘察的基本方法

第一章工程地震勘察的基本方法

工程地震勘察是通过研究人工震源激发所产生的地震波如纵波、横波、面波等在地下介质中传播时，由于不同类型的岩石往往具有不同的弹性特征(如速度、密度等)，当地震波通过这些岩石的分界面时，将产生反射、折射,用仪器可以记录各种波的传播时间和波形特征，研究和分析这些传播时间和波形特征的变化规律，可以推断出有关岩石的性质、结构和几何位置等参数，从而达到工程勘察的目的。第一节折射波法地震勘探

当下层介质的波速大于其上层介质的波速时，在波的入射角等于临界角的情况下，折射波将会沿着分界面以下层介质中的波速度“滑行”，这种沿着界面传播的“滑行”波也将引起界面上层质点的振动，并以折射波的形式传至地面。地震勘探中的折射波1、折射波的产生条件：Z2≻Z1；入射角等于临界角。滑行波：当入射角等于临界角时，透射波的射线与界面平行，以下界面的地震波速度沿界面滑行传播的波。折射波：滑行波在滑行的过程中，下层介质中的质点就会产生振动，形成新的震源，并在上层介质中产生新的地震波。滑行波透射波折射波折射波、滑行波Z1Z2

i临界角iZ1≺Z2

折射角地面2、折射波的传播途径折射波的行程及传播时间与界面的深度、产状有关；OABMSρ1v1ρ2v2t=OA/V1+AB/V2+BS/V1盲区

§1.1折射波的时距方程与理论时距曲线

一、直达波波的时距方程和理论时距曲线

直达波是一种从震源出发不经过反射和折射而直接到达地面各个接收点的地震波。假设地下为均匀介质，波在其中的传播速度为V。如图1-1所示，通过震源点O布置测线，在测线上的各点、、安放检波器，接收并记录地震信号。可以看出，地震波从O点出发，沿测线x传播到任意点的旅行时间t为：

=

t=x/v(1)图1-1直达波时距曲线上式为直达波的时距曲线方程。从上式可看出直达波的时距曲线是一个直线方程，由两条通过原点并且对称于t轴的直线。直达波时距曲线的斜率的倒数，也就是地表覆盖层的波速度。二、水平层状介质中传播的折射波的时距方程和理论时距曲线

二层结构

假设地面以下深度为h处有一个水平的速度分界面R，其上、下层的波速度分别v1为和v2，且v2>v1，如图1-2所示。从激发点O至测线上某一接收点D的距离为x，折射波射线旅行的路程为OK、KE、ED之和，它的旅行时间为t为：t=为了证明方便，先由O、D两点分别做界面R的垂线，则OA=DG=h，再自A、G点分别做OK、ED的垂线，则几何上不难证明∠BAK=∠EGF=∠i，已知，(1)BK/V1=AK/V2EF/V1=EG/V2上式清楚的说明，波以速度旅行BK(或EF)路程与波以速度旅行AK(或EG)路程所需的时间是相符的。则式(1)可以等效置换为：图1-2水平二层结构折射波时距曲线

GBK/AK=EF/EG=V1/V2(3)(4)这就是水平二层结构的时距方程。可见它的时距曲线也是一条直线，如图1-2所示。这条直线的斜率为1/V2，当x等于零时，折射波的延长线与t轴相交处为，则截距时间为：由此可见，我们可以利用直达波和折射波的时距曲线和、截距时间，按式(6)计算出激发点下界面的埋藏深度h。(5)(6)从图1-2中可以看出，在直达波与折射波曲线交点的横坐标C至激发点O这一范围(OC=)内，检波器最先接收到的是沿地表以速度传播的直达波。在C点以外，由于折射波在界面上是以速度v2传播的，并且v2>v1，所以折射波会比直达波先到达接收点，然后直达波才陆续到达。我们把将最先到达接收点的波称为初至波。在某区段内，某一界面的折射波总是以初至波的形式最先到达，因此将该区段称为该折射波的初至区，并将OC这段距离称为该界面折射波的临界距离。在初至波达到之后，陆续到达接收点的波统称为续至波，其相应的区段称为该波的续至区。由于各层的速度是不同的,因此各层折射波的时距曲线的斜率也是不同的,于是多个水平层状介质的时距曲线是互相交叉的直线,形成时距曲线间的相互干涉,致使折射波时距曲线即使在最简单的水平层情况下,也是比较复杂的,浅层折射波的时距曲线不一定永远在初至区,有时也可能出现在某些深层折射波时距曲线的后面进入所谓的续至区,而深层折射波时距曲线也不一定永远在续至区,由于它传播的速度快,有时可能出现在初至区.三、倾斜界面的折射波时距方程和理论时距曲线

(一)倾斜单界面

图1-3倾斜界面上时距曲线如图1-3所示，设界面R的倾角为φ，在点激发，在测线下倾方向距离为x处的点接收，处界面的法线深度分别为h1和h2，折射波的射线路径为AB，其折射波的旅行时间为：由图可见,,(7)同样，在o2点激发，波到达测线上倾方向某点的时间为：从式(7)和(8)以及图1-3可以看出：(1)在倾斜平界面的情况下，时距曲线仍然为直线，但它的斜率的倒数并不等于第二层的波速，将其用斜率的倒数用来表示，其含义为在单位时间内“波沿测线路程旅行的速度”，我们将此称为视速度。在上、下倾观测时所得到的两条时距曲线的斜率不等，下倾的较陡，上倾的较缓，也就是说下倾接收的视速度下较小，上倾接收的视速度上较大。(8)(2)在界面上升端激发，下倾方向接收时，折射波的临界距离或盲区都较小，时距曲线的截距时间也较小，反之则临界距离或盲区就大些，截距时间也较大。因此利用截距时和临界距离的大小可以判别界面的倾向，并且用截距时可以计算出激发点下界面的法线深度和。当然，在野外布置测线工作时，也应当注意测线两端临界距离不等时，要适当地调节激发点与检波器之间地距离。(3)当i+φ≥90°时，若在下倾方向接收，折射波将无法返回地面，因为这时盲区无限大，而在上倾方向接收则入射角总是小于临界角，无法形成折射波，因此，在野外工作中遇到这种情况时，应当改变测线的方向，使界面视倾角与临界角之和小于90°，就可以观测到折射波。(4)在上倾方向接收时，当i>φ时，V为正；当i=φ时，趋向于无穷大，即时距曲线是水平状，其斜率为零；当i<φ时，V为负，也就是说时距曲线倒转，它意味着折射波先到达离激发点较远地接收点，而较近处折射波反而到达的较晚。(5)视速度是沿测线观测到的波的传播速度，即，而实际上在时间内波传播了的路程，即波的真实速度，则。假定为波前面与地面之间的夹角，e为射线与地面之间的夹角，则：上式表明了视速度与真速度之间的关系，称为折射波视速度定理。由此可知：当e由0°变为90°时，视速度值由真速度变为无限大；当e大于(射线方向与x轴的方向相反)时，视速度为负值，但的绝对值不可能小于真速度值。按照定义，视速度与时距曲线互为倒数关系，视速度可以通过时距曲线确定，但如果时距曲线不是直线而是曲线的时候，则视速度沿着速度测线是不断变化的，因此所谓某点的视速度是指时距曲线在该点的斜率的倒数。(6)界面倾角的计算由(1.1.14)和(1.1.15)两式可以得到：解上述二式可得：式中V1通过直达波的时距曲线求出。(四)折射波振幅特性的应用

地震波在传播过程中，由于不断的扩散和岩石的吸收、散射等作用。其能量随着传播距离的增大而衰减(即振幅减小)。由扩散作用所引起的衰减规律一般遵守关系式式中，r是震源点到观测点的距离，是震源的振幅值，A(r)是观测点的振幅值，n为距离r的幂，称之为扩散系数.有人对大量的折射波记录作过计算，对于厚度大的均匀的折射层是符合这一规律的，并且得出扩散系数n的值一般近似地等于2，这和理论情况也是吻合的。对于倾斜或不规则起伏的折射层，n值则将发生变化。但是，如作足够长的相遇时距曲线剖面进行综合分析，n值一般仍然接近于2。因此，在实际中以n=2来计算由扩散所引起的衰减是可行的。§1-2折射波的现场工作方法折射波法的现场工作大体上可分为现场踏勘、试验工作和现场作业三个阶段。现场踏勘地球物理资料，初步了解工作区的地震地质条件，自然地理环境及社会环境等情况，估计和确定勘察的可行性及可能取得的地质效果。在取得有关资料后，再进行试验工作。试验工作的目的是根据任务和工作区的具体环境，选择最佳的工作方法和技术参数，保障顺利完成作业任务。但若在生产过程中遇到问题，可再次安排试验工作，解决生产中的问题。最后阶段是在踏勘和试验的基础上进行的。这个阶段包括野外作业和室内工作。用合适的方法取得资料进行解释，并得出最后成果。一、有关的概念检波道数，一般用N表示，它表示工程地震仪所具有的地震通道数。一般工程地震仪可具有6道，12道或24道。道间距，一般用来表示，表示两个检波道之间的距离。一般是等间距的工程勘察中按工作要求可能为0.5、1.0、2.0、2.5、5.0、7.5、10、15m。接收距，一般用L来表示，它是检波器排列在测线上的长度，与道数和道间距有关，可用下式表示:排列长度，一般用x表示，它是由一个激发点与多道检波器所组成的长度偏移距用表示，在反射波法中它是激发点到第一个检波器的距离，一般这个距离是Δx的整数倍，可根据不同的地质条件和不同方法而定最大炮检距，一般用表示，它是指激发点到最远处检波器的距离。在实际工作中常采用偏移距、炮间距、道间距、接收距来表示激发点与接收点间的相对位置关系，如图1-13所示。图1-13观测系统中几个符号的意义x1=偏移距；d=炮间距；L=接收距二、测线的设计(一)测线的布置根据工作精度的要求，测线原则上要和探测的地质体的走向和构造走向大至垂直，且要有一定密度分布。由于解释中，多数是按在水平条件下进行解释的，因此在布置测线时尽可能满足解释时的要求，以提高精度。理想的测线应是水平的直线，但并不是所有的工作区都能满足这个条件。在地表的坡度角变化时，测线若不能保持水平，则需要测量人员量出各条测线或测点间的高程变化，在解释中把高程的影响消除掉。测线的密度可按勘察工作的精度进行设计，若所勘察的地质体或构造有一定的长度，则一般测线的间距和道间距不应大于地质体的宽度。

(二)测线的长度测线往往根据测区的地形图来确定其长度和位置。当地表近似水平地形时，地形图上的长度与实际长度大致相等，但是当地表面有一定坡度时，实际侧线的长度应大于地形图上量出的长度。此时，测线长度要根据地面的倾角进行校正。测线的设计长度和地层的埋深是密切相关的，也和波速有一定关系。(三)排列长度和道间距激发点间距的选择1排列长度和道间距道间距愈大，排列长度则就愈长，工作效率就会越高。但道间距不能过大，否则各相邻道之间的同一个波的相位追踪和对比往往会出现麻烦，不利于有效波的分辨。因此道间距要选择的合适，才会使各道间波形相位关系清楚、同相、明显。一般来说的选择与有效波的视速度和视周期有一定关系。。在实际工作中，x大小还必须考虑到地层的倾角大小和构造的复杂程度，一般来说倾角越大构造越复杂的地质条件下，排列和道间距要相应的取小一些。三、观测系统的选择为了达到勘察的目的，确保有效波信号的接收和对目的层进行连续追踪，需要激发点和接收点之间保持一定的相对位置关系，测线之间也应保持一定的相对关系。我们把这种激发点和接收点之间或测线与测线之间的相对位置关系称之为观测系统。当激发点和接收点同在一条直线上时，称之为纵测线观测系统，若不在一条直线而呈现其他方式的叫非纵测线观测系统。在非纵侧线观测系统中，按激发点和接收点的位置，可分为横测线、弧形测线等观测系统。在工程勘察中;非纵测线观测系统仅作为辅助测线来布置。但在某些特定情况下，它可以解决一些特殊地质难题，以补充纵测线观测系统的不足。(一)单支时距曲线观测系统这种观测系统一般使用在地质情况较简单，勘察较平缓的地质界面，如其优点是工作效率较高。但对于地层界面倾角较大或起伏的复杂界面，则误差较大，不宜使用。其观测方法图1-16所示。炮间距等图1-16单支时距观测系统于两个排列长度。第一个排列从点激发，在点到之间的距离内接收。在点激发两次，第一次在从到之间接收，第二次是在到的之间接收。由于每个激发点处，可以利用截距时间从两支时距曲线上算得深，互相校核，在一定程度上提高了勘察精度。图1-16单支时距观(二)相遇时距曲线观测系统当界面起伏或倾角较大，使用单支时距观测系统进行观测，误差会很大，此时必须采用相遇时距观测系统。这种观测系统是在排列的两端激发，如图中、o1,o2激发，分别得到两支相相遇时距曲线观测系统对应的时距曲线.可以说、两条时距曲线，是从不同的角度反映了同一段地质界面的情况三)追逐时距曲线观测系统当相遇时距曲线没有相遇段或是需要了解弯曲折射界面是否产生了“穿透”现象的干扰时，将采用追逐时距观测系统。当界面弯曲程度较大时会导致两支时距曲线无相遇段。此时，需要在距一定距离的再激发一次，得到一支时距曲线，以补充在激发时造成时距曲线的不足之处。追逐时距曲线观测系统(四)双重相遇时距曲线观测系统在表层地质条件较复杂或对观测的某些数据进行检查、校核时，往往要采用双重相遇时距曲线观测系统。这种观测系统是在相遇观测系统的激发点两端，进行“追逐”观测，在距两激发点一定的距离间隔进行激发，再得到一组相遇时距曲线。实际上，双重相遇观测系统是相遇和追逐观测系统的组合。双重相遇时距曲线观四、激发方式的选择(一)爆炸源它不受地层厚度的限制，适用于各种工程地震仪的观测，勘测深度可根据要求加大减小，但由于在城市和郊区受到条件环境和安全限制，很少采用。其优缺点可见表1-2。(二)冲击源炸在探测地层厚度上比爆炸源要差一些，即冲击激发的弹性振动强度比爆破要小。但由于安全和经济，不破坏环境，不需要特殊的组织工作，因而在城市和人口稠密的地区是常用的方法。冲击源的起动脉冲是由较重的荷重物对地面冲击而产生的。冲击源可分为三种:在一定高度向地面抛落重物;用大锤或重锤冲击有一定重量和厚度的木板;用打夯机冲击。由于受重物和冲击力的影响，冲击源的勘测深度一般不超过100m。(三)电流体、空气动力源这两种振动源是利用强电流和高电压在水中放电或把空气压缩后产生的冲击的震源。这种动力源多在浅水域中进行勘察时使用。稳态振动源，也叫可控源。它可产生一个延续时间从几秒到数十秒的频率随时间变化的正弦振动，扫描的频率范围及振动的延续长度都可以事先控制和改变。振动强度也可调节。可控源多装在汽车上，石油勘察中使用较普遍。施工中选择那种激发方式，要根据工程要求精度、地质条件、环境等方面综合考虑，选择既经济又安全，即便于组织施工又能达到勘察精度的振动源。(二)仪器工作条件的选择现在使用的第三代工程地震仪，增益很高，通频带很宽，而且都装有较完善的滤波系统，因此对于和有效波在频率上有区别的干扰波都可使用滤波装置来压制它。如面波的主频段一般为十几Hz，声波在120Hz以上与折射波的频段有区别，使用滤波系统，可以提高信噪比。对于一个工作区，是否需要使用滤波器或使用什么波段的滤波器，都要通过前期的试验工作来确定。在处理资料中，仍然可以改善接收时滤波不足而造成的信噪比低的地震记录。(三)检波器的选择和布置每一种检波器都有其本身的频率特性和方向性。对于浅层工程地震勘察来说，有效波的主频范围主要在几百Hz。因此在工程勘察中，选用合适频率的检波器是很重要的。关于方向特征，主要是考虑检波器的振动方向应与波传播过程质点的振动方向相同，使接收的信号最强。例如在接收纵波时，检波器的最灵敏的接收方向应与波的传播方向相同。而对于横波来说，可以使用水平方向振动的检波器，使检波器的振动最灵敏方向垂直于波的传播方向。

五、接收条件的选择接收条件的选择就是在完成了剖面布置和激发方式选择等工作后，再选择最佳的接收技术，提高信噪比，以得到清晰可靠的记录。这里仅从接收条件的角度考虑有效波及干扰波的区别，对仪器工作条件的选定，检波器的频率、方向特性的选定及组合检波等方面简单加以介绍。(一)有效波和干扰波在实际工作中，随着工作方法的不同，有效波和干扰波的范畴也有所不同，当工作方法改变时，有效及干扰波的关系也是可以产生相对变化的。如用折射波法工作时，反射波和面波都是干扰波，只有折射波才是有效波。反之，当进行反射波法工作时，折射和面波又成为干扰波。在干扰波中只有面波还有应用价值，而声波和多次波及随机干扰，在地震记录上形成了干扰带，严重的影响了地震记录的质量和有效波的利用。§1-3资料的整理与解释折射波资料的整理与解释主要有三方面的工作：地震记录的初步整理及波形对比;进行必要的校正和时距曲线的绘制;折射地震剖面的解释。一、资料的初步整理随着近年来地震仪的更新换代，野外作业工作方法也得到了不断发展，资料整理的要求和方法亦产生相应的变化。虽然解释工作中有很多可以用计算机来完成，但资料初步整理方法，没有变化仍必须认真进行。先对外业工作获取的原始记录经过认真检查评价，然后才能对合格的资料进行必要的校正。(一)原始资料的检查和评价在外业取得资料之后，要对所取得的资料质量按浅层地震勘察技术要求进行初步检查和评价主要内容有：(1)磁盘(带)记录粘贴标签，写明盘(带)号、测线号、文件号及日期，以上内容必须与班报相吻合。(2)每张记录的点线号、激发点的位置、方式、观测系统类型应与班报吻合。(3)仪器工作条件，如放大器的增益档及滤波器的选用，各道工作是否正常，干扰波出现是否影响了有效波的追踪等。在检查上述三项工作的基础上初步判断，能否完成预期工作任务。并找出不足，指导下步工作。处理方法1折射波水平叠加原理单一水平界面情况下，在测线上不同位置O1,O2,O3,…进行激发，在对应点S1,S2,S3,…上接收到来自地下折射界面R上不同面元的折射波，如图所示。S1，S2，…称为不同折射面元叠加道，其相应旅行时问为t1，t2，…。把折射波共深度面元各叠加道的数据从原始共炮点记录中抽出集合在一起，称为折射波共深度面元道集。以接收距X为横坐标，以折射波到达各叠加道的时间为纵坐标，可得到来自AI,BI，（A1与B1重合）上的折射波时距曲线，其时距曲线方程为(1)折射波水平叠加原理图

式中:t为折射波的到达时间,X为接收距,V1为第一层的速度,V2为第二层的速度.i为临界角.叠加道中第一道检波器（最近距离）至炮点的距离X1称为盲区，相邻炮点的间距为炮点距d，则叠加道问距为2d。分析式（l）可知，在水平层状均匀介质条件下折射波深度面元时距曲线和普通折射波时距曲线是相似的。但要特别指出的是：共反射点时距曲线反映来自地下反射界面上的一个点，而折射波深度面元时距曲线反映来自地下折射界面上的一段折射面元。当X二0时，式（1）变为(2)t01是接收中点M的交叉时，而不是激发点的交叉时。因此，对折射波共深度面元时距曲线作动校正时，正常时差DT是相对交叉时而言的，这是折射波共深度面元时距曲线与共反射点时距曲线的又一区别。折射波共中心点D叠加在实际资料处理中，可以把折射波共深度面元各叠加道的数据从原始共炮点记录中抽出集合在一起，进行折射波资料处理。目前尚无这种程序，无法实现对实际资料的处理。经过分析认为折射波共深度面元是共中心点对称的，当共深度面元半径为零时，折射波水平叠加就变成了共中心点叠加，这样就可以利用反射波共中心点叠加迸行折射波资料处理。于是，只要在现有的速度分析程序上加上线性速度分析，在叠加程序中完善线性动校正，就可以迸行对折射波资料的处理。

折射波水平叠加原理图图2是折射波共深度面元处理得到的叠加剖面，图3是折射波叠加处理得到的叠加剖面，两个剖面使用的叠加速度完全相同。从两个剖面L可以看出构造形态完全相似，折射波共中心点叠加剖面分辨率高、连续性较好，剖面显得更自然。图2折射波共深度面元叠加剖面（俄罗斯提供数据显示）图3折射波共中心点叠加剖面折射波转换成反射波资料处理折射波交又时转换成反射波t。根据折射波和反射波的关系式（2），有根据Snell定律得到将式（4）代入式（3），有(3)(4)(5)式（5）就是折射波交叉时与反射波to的关系式。若巳知t01，由(1)和(2)式，则可以求出相应反射波的垂直反射时间t。根据一系列t。时，可以构成相应的反射波剖面，从而实现了折射波与反射波之问的转换。在转换处理时速度是未知数.根据速度谱求取非常困难，所以这种转换只能按最简单的方式进行。一般是根据反射波剖面与折射波剖面相同位置上的时差来确定一个需要的时移量的，用它来完成折射波交叉时转换成反射波t。图4是将折射波剖面转换成反射波的剖面。图4折射波剖面转换的反射波剖面处理实例D97一561测线采用单边观测系统，采集时要考虑到反射和折射，整条测线共放116炮。采集参数为:采集方式:单边472道观测系统最小炮检距(反射)中X):400m最大炮检距(反射):2395Om道距50m炮点距200m仪器型号ARAM一24一般药量(组合总量)1ookg24个检波器矩形组合处理效果

图5为反射波资料处理得到的最终叠加剖面。仅得到了2.55以上的反射波，反射波基本连续，为水平反射同相轴。2.55以下基本没有得到深层反射，根据这样的剖面既无法进行构造研究，也无法解决地质任务。图5反射波最终的叠加剖面

图6是经过多次试验处理，获得的较为理想的折射波叠加剖面。剖面上追踪到一组折射层同相轴，该折射层反映了奥陶系顶面的构造形态与反射法追踪的深层低频反射层符合较好。这次处理获得的折射波剖面，同相轴能量强、频率低、连续性比较好，可进行解释对比。图7是由反射波得到的浅层反射剖面与折射波得到的经转换成反射波t。的剖面叠合在一起的新剖面。从叠合剖面上可以清楚地看出剖面符合得比较好，浅中深反射层齐全，构造形态清楚，构造关系合理。图6折射波最终叠加剖面图7反射波与折射波转换剖面的叠合剖面三、折射波法资料的解释利用时距曲线和速度资料，即可绘制反映折射界面的埋深、产状和构造形态的地震剖面图和构造图，由于计算机的普及，现在有人把解释方法编成计算机程序，但仍需要人为的输出各种参数。在这里仅介绍利用波速测井或折射彼时距曲线求取相应的层速度，然后再用各种方法进行折射界面的解释，求折射界面的埋深和产状的资料解释方法很多，仅就目前工作中最常用的几种方法予以介绍。(一)截距时间法求界面当界面为单层倾斜平界面时，所得的时距曲线为直线段，而且当界面埋深不大时所得的精度很高。但埋深较大或有夹层时，将会造成较大的误差。对于单层倾斜平界面情况:作相遇时距平面观测。两条相遇时距曲线延长使其分别与t轴交于两点，这时根据折射波时距方程的截距公式:可得出震源点和处折射界面的法线深度为:

求出h1和h2之后，分别以相应的激发点为圆心，以h1和h2半径作圆，然后作这两个圆的公共切线，便可得到所求的折射界面。若是水平界面，则更加简单了。

(二)T0差数时距曲线法求界面

截距时间法是界面为平界面时的方法.当界面是任意界面，时距曲线不是直线时，就不能再采用截距时间法求界面了，若折射界面的曲率半径比求埋藏深度大得多，波沿界面滑行时没有穿透现象相对比较稳定，可采用差数法求界面。先以单层界面为例，如图所示。

通常说的t。差数法，实际包括两部分内容，即用t0法绘制出折射界面，用差数时距曲线求界面速度。运用这种方法同样必须采用相遇观测系统取相遇曲线。设折射界面的曲率半径比其埋深大得多，△SBC可以近似看作等腰三角形，高H(法线深度).

在相遇时距观测系统下，由两激发点分别得到两条相遇折射波时距曲线。如图，取排列上任一点S，在相遇时距曲线可以得出、的旅行时间分别为：==而激发点的互换时T为：ΔSBC可近似认为是等腰三角形，从S点作BC的垂直平分线，得SM=h，于是有：综合以上可得:因此S点到折射界面的法线深度:

上式只要能分别求出K或值，就能求得折射界面的法线深度h。由下式求得具体作法可以在时距曲线图上任一点s处,在S2曲线上量得T-△t2,然后在时距曲线S1上减去而求得，对各观测点求得不同的值可以连成曲线。求得每一点的h值，还需求出K值。由于:

所以当已知的情况下，关键是求V2值。为求V2值，再引入时距曲线的另一个差数并令其等于θ(x)求出每点的θ(x)也可连出θ(x)曲线。对上式微分可得:根据以前讨论有:上式写成最后可以求出计算界面速度的公式:

当折射界面倾角φ≤15。时，cosφ≈l，此时上式可简化为:因此只要作出Q(x)直线并求其斜率则可求。到此综合以上,h可以计算出来。同时V1,V2也便计算出来(四)时间场法绘制折射界面此方法是利用实测曲线，先绘制波在介质中的等时线，然后作出折射界面并计算出界面速度，它适用于规则和不规则的各种界面的条件下，而且对均匀非均匀介质都适用。1．基本原理折射界面R的上覆介质是均匀的，波速为V，S1和S2分别为由O1和O2处激发所得到的正反相遇时距曲线。T为互换时间，折射界面上任意一点C将满足：该方法的基本原理是求出一对炮点相向发出的地震波波前在折射界面上下相邻位置的交点，并且两个波前的旅行时间之和要等于互换时间。即作出两条时距曲线的等时线,然后作出两组等时线的交点,交点的连成的面为所求的界面.等时线的绘制原理如图所示。作等时线系统时，可先给出等时线的时间差(可视T而定).在时间轴上以△t为单位分割时距曲线，然后定出在x轴上的对应点,X1,X2,…。我们应用惠更斯波前原理，依次用i△t为半径画圆弧，求这些圆弧包络面即是以TK时刻的等时线。用此方法还可作出(n=1,2,3…)时刻的各条等时线，构成了由点激发而形成的折射波等时系统。同理，可作出第二条时距曲线的等时系统。用时间场法确定折射界面和界面速度折射界面的绘制，如图所示。由相遇时距曲线和绘制出两组等时系统，它们由于是相交的，从中可以找出满足互换时间的两条等时线的交点a,b,c…，则a,b,c…各点的连线就是所求的折射界面R。更进一步可求出界面下介质的速度.折射波实际记录剖面道号图一炮的原始记录显示某地区用F.COPPPENS方法拾取初至(其中相邻6炮)的结果对应图1的6炮记录用本文方法拾取的结果对应图1的其中一炮的拾取初至的位置应用实例分析解释方法解释方法

对于折射波的解释，首先要确定表层的速度，如图l所示，在17道与24道之间初至波是直达波，这样可根据读出的时间差及道间距的距离计算出第l层的速度955m/s。类似地选取多张记录得到最大为1000m/、，最小为932m/s。得出测区内该河床段上部冲一洪积砂卵石层介质纵波速度平均值966m/S·第2步为解释第2层的速度及表层的厚度。方法如图2、3、4所示，先从原始记录图2、3的中读的折射波时距曲线组成图4。然后用讨论的方法进行界面及速度的反演.第二节反射波法在工程勘察中，折射法一直是传统的主要方法，并在实际工作中得到了广泛的应用。由于浅部工作中的干扰因素较复杂，加之过去旧式地震仪和处理的技术落后，严重的影响了浅层反射信号的获得和识别，从而限制了它的发展和实际应用，已经远不能适应日益发展的工程勘察的要求。从70年代开始，随着电子技术不断的发展，浅层地震仪的更新换代，再加上计算机处理数字技术的普及和应用，反射波法在工程勘察中已经取得可喜的发展。可以预料，在折射波的传统领域内，将会受到反射法的全面挑战。浅层反射法与中、深层反射法原理上基本相同，我们不再累述，本章将着重讨论有关高分辨率的基本理论问题，水平迭加技术的各个环节对分辨率的影响以及提高分辨率所要解决的特殊问题。第三节瑞利面波法弹性波在到达弹性或速度、密度不同的介质界面上时，会产生反射、折射现象，同时产生界面波。我们将沿自由表面传播的波称做面波。在面波中存在有两种不同类型的波，一种是质点在波的传播方向垂直平面内振动，振动轨迹为逆进椭圆，且振幅随深度呈指数函数急剧衰减，传播速度略小于横波，它最初是由英国学者瑞利在理论上确定的，称之为瑞利波；另一种是质点在垂直于波传播方向的水平面内振动，它是由勒夫从数学上证明的，称之为勒夫波。瑞利面波法就是通过定量解释实测的瑞利波的频散曲线，达到解决工程地质问题的一种新兴的，行之有效的原位测试方法。本世纪50年代初人们发现瑞利波在层状介质中所具有的频散特性而广泛地利用天然地震记录的瑞利波来研究地球内部的结构。但受当时计算技术的影响，只能采用一种简单的目视对比的手工操作方法，精度低且易出错。60年代以来，高速数字计算机广泛地应用于地球物理的各个领域，对瑞利波频散特性的研究也有了突飞猛进的发展。到了70年代，出现了利用人工激发的高频(数赫~数百赫)瑞利波来解决浅层(数十米深度范围)工程地质问题的方法技术。70年代初，美国RK.Chang和R.F.BaUard等人利用瞬态激振产生的瑞利波来研究浅部地质问题，并于1973年在第42届国际地球物理勘探年会上以Rayleigh-Wave-persion－TechnorRapidSubsurfaceExploration为题报道了有关的研究成果。推出了GR-810佐藤式全自动地下勘察机，并在工程地质勘察的诸多领域内应用。在我国研制SWS-l型多功能面波仪，同时推出了CSP(3.3)地震数据处理软件系统，并投入实际应用，取得了较好的效果。利用瑞利波法，既可以通过天然地震中的瑞利波，研究诸如地球的内部结构、地壳及地慢的物质组成、大地构造、地震灾害等基本地学问题，又能解决诸如工程地质勘察、地基加固处理效果评价、岩土的物理力学参数原位测试、地下空洞及掩埋物探测、公路机场跑道质量无损检测、饱和砂土层的液化判别等工程地质问题。瑞利波法特点1)浅层分辩率高同一介质中瑞利波较其他类型的弹性波传播速度小，且只在表层某一深度内传播。在稳态激振条件下，波长变化可以控制在毫米级范围,所以该方法可以确定路面厚度及探测到地面上厘米级宽度的裂隙。2)不受各地层速度关系的影响折射波法要求下伏层速度大于上覆层速度，反射波法要求各层具有波阻抗差异。以上这两种方法要求各层的波速或波阻抗具有较大的差异。瑞利波法只要求具有波速差异，即使差异只有10%也可以精确进行分辨。3)工作条件简便易行§3—1瑞利面波法的基本原理瑞利波沿地面表层传播，表层的厚度约为一个波长，因此，同一波长的瑞利波的传播特性反映了地质条件在水平方向的变化情况，不同波长的瑞利波的传播特性反映着不同深度的地质情况。在地面上沿波的传播方向，以一定的道间距设置个检波器，就可以检测到瑞利波在长度范围内的传播过程.设瑞利波的频率为f，相邻检波器记录的瑞利波的时间差为△t或相位差△Φ，则相邻道长度内瑞利波的传播速度为：=//////////测量范围内平均波速为

在同一地段测量出一系列频率的值瑞利波速度，就可以得到一条曲线，即所谓的频散曲线(Vr-f)，或转换为VR-λR曲线，λR为波长：曲线的变化规律与地下地质条件存在着内在联系，通过对频散曲线进行反演解释，可得到地下某一深度范围内的地质构造情况和不同深度的瑞利波传播速度值。另一方面，值的大小与介质的物理特性有关，据此可对岩土的物理性质做出评价。工作方法1稳态方法当激振器在地面上施加一频率为fi的简谐竖向激振时，频率为fi的瑞利波以稳态的形式沿表层传播，利用地面上的检波器可测量出相邻道瑞利波的同相位时间差，根据前式可计算出瑞利波传播速度。改变激动频率，就可以测得当前频率下的瑞利波传播速度.所以，当激振器的频率从高向低变化时，就可以测得一条曲线。由前式可知，当速度变化不大时，改变频率就可以改变勘探深度，频率越高，波长越小，勘探深度也越小，反之，勘探深度越大。

稳态瑞利波勘探原理示意图2瞬态方法

瞬态法与稳态法的区别在于震源的不同，前者是在地面上产生一瞬时冲击力，产生一定频率范围的瑞利波，不同频率的瑞利波叠加在一起，以脉冲的形式向前传播；后者则产生单一频率的瑞利波，可以测得单一频率波的传播速度，所以瞬态法记录的信号要经过频谱分析，相位谱分析，把各个频率的瑞利波分离开来，从而得到一条曲线或曲线。§3—2瑞利面波的传播特征对于均匀弹性介质，弹性波波动方程为(1)当满足(2)在地表满足边界条件,即Z=0时,正正应力σzz=0,和切应力σzx=0应力和应变的关系应变和位移的关系综合以上各种关系及满足的边界条件得采用高斯消去法可以求解上述方程组,进而把各系数求出.则地表处的质点在X,Z方向上的位移分量为:

从理论分析和实际观测可知，瑞利面波具有5个特点①能量强，频率低;②沿地表水平方向传播，其振幅在深度方向按指数规律衰减，其能量分布仅限于距地面为两倍瑞利面波波长范围的薄层以内;③瑞利面波质点位移的轨迹是一个椭圆，其垂直位移分量比水平位移分量超前90度相位;④对于半无限空间弹性介质，瑞利面波没有频散现象，不同频率的瑞利面波传播速度相同;(5)水平分量与垂直分量之比得上为2:3对于层状介质，在自由表面的瑞利面波具有频散现象，即传播速度与波的频率有关。§3—3瑞利波的传播及频散曲线一、均匀半空间介质中的瑞利波如图3-2是一个半无限弹性空间，空间内充满着弹性常数为λ、μ和密度为ρ的介质，其上面为空气，空气的密度相对于介质的密度来说非常小，可视为零值，因此该界面为一自由界面，令坐标平面与自由面重合，轴垂直于自由面向下，如图所示。波沿轴方向传播。在上述空间内，波的振幅在自由界面平面上为最大，并随着离开自由表面的距离的增大而呈指数形式衰减，这种形式的波动传播，其能量实际上只限制在一个表面薄层内。图3-2半空间均匀介质图3-3/与泊松比υ的关系1瑞利波速度与介质的性质波速是反映介质性质的重要参数,是该方法勘探的基础.由介质的弹性模量和泊松比之间的关系可得到:将上述关系式代入瑞利波方程得:2瑞利波的衰减在地面进行竖向激振时，一般来说产生三种类型的波，即纵波、横波和面波，前两种波也称为体波。体波的波前面为半球形面，其面积正比于半径r的平方(r为震源到波前面的距离)。而瑞利波的波前面约为一高度为λ的圆柱体，其波前面面积与r成正比，这就是说，体波的振幅反比于波传播的距离。衰减与1/r成正比，瑞利波的能量衰减与l/r1/2成正比，用关系式可表示为：体波振幅∝l/r瑞利波振幅区∝l/r2。因此瑞利波的衰减要比体波慢得多。瑞利波所占纵波、横波、瑞利波三种波总能量的2/3，这也是体波无法比拟的。3均匀介质中无频散性。在均匀介质条件下，瑞利波的速度与振动频率(即与)无关，即在均匀介质条件下，瑞利波传播速度没有频散性。4在均匀介质中瑞利波无频散特性，而在非均匀介质中具有频散特性，这一特性是瑞利波勘察的物理基。二、层状介质中的瑞利波的传播特征(一)两层层状空间介质中的瑞利波如图所示，设轴位于两层界面上，轴向下，瑞利波沿轴正方向传播。两层空间介质

两层介质中瑞利波频散曲线模型参数：VR1=95m/s、ρ1=l.8g/cm，H1=2mVS1=240m/s、VP1=5OOm/s;VR2=225m/s、1=l.9g/cm，VS2=320m/s、VP2=62Om/s

三、瑞利波频散曲线的变化规律(一)频散曲线的变化规律与层波速的关系1两层介质条件下的瑞利波频散曲线:

从图中可以看出，当频率较高时(Hz)，频散曲线为直线段(为第一层介质中瑞利波的传播速度)，随着频率的升高，频散曲线以为渐近线，当频率较低时(Hz)，频散曲线以(为第二层介质中瑞利波的传播速度)为渐近线。当频率位于中间某一频带范围(6-30Hz)时，频散曲线随频率的变化而急剧变化，出现过度段.二层瑞利波频散曲线随厚度的变化规律模型参数：ρ1=l.8g/cm3、VS1=100m/s、VP1=300m/s、H1=lm、VS2=150m/sv、VP2=450m/s、ρ2=1.9g/cm3、2三层介质条件下的瑞利波频散曲线下图是三层瑞利波频散曲线，各层参数见图。从可以看出，高频段和低频段的值分别以(同上)以VR1和VR3为第一三层介质中瑞利波的传播速度为渐近线，在中间频带内，曲线为一段平缓曲线，同时，曲线上出现两处梯度陡段，这两处梯度陡段显然与两个界面有关。两处梯度陡段互相衔接，使得中间平缓过渡段消失。图中的H=0曲线即为两层介质时的曲线，从两层曲线与三层曲线的对比可以看出：H2的存在，即使很薄也会影响随的变化规律，这种特征将会为我们在资料解释中识别夹层提供帮助。模型参数：ρ1=l.8g/cm3、VS1=100m/s、VS2=150m/sv、H1=lm、H2=2m、H3=3m、VP2=450m/s、ρ2=1.9g/cm3、H2=0、1、2、3、5、7、9、VS3=225m/s、VP3=700m/s，、ρ3=2.0g/cm3三层介质瑞利波频散曲线(二)曲线变化规律与层厚度的关系两层介质曲线随第一层厚度不同变化的情况，厚度的变化如图中所示。从图中可以明显看出厚度的频散曲线形态基本相似，即高频段以为渐近线，低频段以为渐近线。曲线的梯度最大处或曲线的拐点随着厚度的增大快速向低频方向移动。二层瑞利波频散曲线随厚度三层曲线随第二层厚度不同而变化的情况，三层介质的曲线出现两个拐点。显然较高频率的拐点位置与第一层厚度有关，较低频率的拐点位置与第二层厚度、第一层厚度之和有关，该图中第一层厚度不变，所以，拐点的位置变化为第二层厚度变化所引起。与两层情况相类似，随着H2的增加，拐点很明显的向低频方向移动。这种变化规律提示我们，拐点的位置与层厚度存在着某种密切的关系，研究这种关系可以产生对层厚度的定量解释方法。

三层瑞利波频散曲线随第二层厚度的变化

模型参数：VS1=100m/s、VP1=300m/s、H1=0.5m、ρ1=1.8g/cm、VS2=15Om/s、VP2=450m/s、ρ2=1.8g/cm、VS3=225m/s、VP2=700m/s、ρ3=2.0g/cm3，H2=0、1、2、3、5、7、9m、

(三)层状介质中瑞利波传播速度与波长的关系下图是两层介质条件下，曲线随第一层厚度不同而变化的情况，第一层的=9Om/s，第一层厚度分别为1、3、5、7、9m；V1=133m/s。从图中可以看出，VR-λ曲线的变化规律与VR-F曲线相类似，当频率较小时(λ大时)，VR以最后一层的瑞利波速度为渐进近线，。且当频率较大或波长较小时，VR以第一层的瑞利波速度为渐进近线.其他为曲线的过渡段.

VR-λ曲线虽不同厚度的变化

(四)、影响瑞利波频散曲线变化的因素(一)决定瑞利波传播速度的主要因素岩石或土体中的矿物成分、结构、密度、孔隙度是决定瑞利波传播速度的主要因素。

(1)密度ρ的影响介质的弹性性质由ρ和由E、μ、υ来描述是一致的，因为所有的弹性模量均可由ρ来求得。在瑞利波频散曲线的正演计算中，用ρ更参数更为方便，因此，这里主要讨论ρ对VR的影响。从图中结果看到：高低频时密度变化，对瑞利波速度影响较小。在中频范围内，密度变化，对瑞利波速度影响较大。2．纵波速度VP对瑞利波速度的影响图不同纵波速度对VR的影响

VR变化量与VP变化量之间的比例关系约为1：22。所以，认为VP的变化对VR的影响较小。(三)深度对曲线形态的影响随着深度H的增加，曲线的拐点向低频方向移动。从图中可以看出，随单