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| 信息标题：面波测深原理要点[2011/3/19 10:12:34] |
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，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。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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