瞬態(tài)面波勘探及應(yīng)用

1、瞬態(tài)面波勘探及應(yīng)用    摘要：面波勘探是近年發(fā)展起來的一種新的淺層地球物理勘探方法，具有簡便、快速、經(jīng)濟(jì)、分辨率高、成果直觀、適用場地小等優(yōu)點(diǎn)，已在許多領(lǐng)域得到應(yīng)用，并取得了良好的應(yīng)用效果。文章介紹了面波勘探技術(shù)的發(fā)展概況、探測原理、主要特點(diǎn)及其野外測試方法，對其應(yīng)用范圍及目前存在的問題作了說明，并給出一個應(yīng)用實(shí)例。 關(guān)鍵詞：瑞利面波 地震勘探 瞬態(tài)法 頻散曲線   1 前言 面波勘探，也稱彈性波頻率測深，是國內(nèi)外近幾年發(fā)展起來的一種新的淺層地震勘探方法。面波分為瑞利波（R波）和拉夫波（L波），而R波在振動波組中能量最強(qiáng)、振幅最大、頻率最低，

2、容易識別也易于測量，所以面波勘探一般是指瑞利面波勘探。 人們根據(jù)激振震源的不同，又把面波勘探分為穩(wěn)態(tài)法、瞬態(tài)法、無源法。它們的測試原理是相同的，只是產(chǎn)生面波的震源不同罷了。 1938年德國土力學(xué)協(xié)會首次嘗試用穩(wěn)態(tài)振動來檢測巖土的各種彈性力學(xué)參數(shù)。1960年美國密西西比陸軍工程隊水陸試驗(yàn)所開始開發(fā)類似的技術(shù)方法，但由于當(dāng)時技術(shù)條件的限制，均未獲得成功。70年代初美國F·K·Chang等人利用瞬態(tài)激振產(chǎn)生的瑞利波來研究淺部地質(zhì)問題，并于1973年在第42屆國際地球物理勘探年會上發(fā)表了“Rayleigh Wave Dispersion Technique for Rapid Su

3、bsurface Exploration”（瞬態(tài)面波在淺層勘探中的應(yīng)用）論文，報道了有關(guān)的研究成果。在穩(wěn)態(tài)方面，直到80年代初，日本的VIC株式會社經(jīng)過多年的研究試制，推出了GR810佐藤式全自動地下勘探機(jī)，才使該項物探技術(shù)在淺層工程勘察工作中得以應(yīng)用。通過幾年的實(shí)踐和初步研究，R波在巖土工程勘察中的應(yīng)用大致分為以下幾個方面： 查明工程區(qū)地下介質(zhì)速度結(jié)構(gòu)并進(jìn)行地層劃分； 對巖土體的物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行原位測試； 工業(yè)與民用建筑的地基基礎(chǔ)勘察； 地下管道及埋藏物的探測； 地下空洞、巖溶、古墓及廢棄礦井的埋深、范圍等探測； 軟土地基加固處理效果評價及飽和砂土層的液化判別； 公路、機(jī)場跑道質(zhì)量的無損檢測

4、； 江河、水庫大壩（堤）中軟弱夾層的探測和加固效果評價等； 場地土類別劃分及滑坡調(diào)查等； 斷層及其它構(gòu)造帶的測定與追蹤等。 2 勘探原理 面波是一種特殊的地震波，它與地震勘探中常用的縱波（P波）和橫波（S波）不同，它是一種地滾波。彈性波理論分析表明，在層狀介質(zhì)中，拉夫波是由SH波與P波干涉而形成，而瑞利波是由SV波與P波干涉而形成，且R波的能量主要集中在介質(zhì)自由表面附近，其能量的衰減與r-1/2成正比，因此比體波（P、S波r-1）的衰減要慢得多。在傳播過程中，介質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動軌跡呈現(xiàn)一橢圓極化，長軸垂直于地面，旋轉(zhuǎn)方向?yàn)槟鏁r針方向，傳播時以波前面約為一個高度為R（R波長）的圓柱體向外擴(kuò)散。 在各

5、向均勻半無限空間彈性介質(zhì)表面上，當(dāng)一個圓形基礎(chǔ)上下運(yùn)動時，由它產(chǎn)生的彈性波入射能量的分配率已由Miller（1955年）計算出來，即 P波占7%、S波占26%、R波占67%，亦就是說，R波的能量占全部激振能量的2/3，因此利用R波作為勘探方法，其信噪比會大大提高。 綜合分析表明R波具有如下特點(diǎn)： 在地震波形記錄中振幅和波組周期最大，頻率最小，能量最強(qiáng)； 在不均勻介質(zhì)中R波相速度（VR）具有頻散特性，此點(diǎn)是面波勘探的理論基礎(chǔ)； 由P波初至到R波初至之間的1/3處為S波組初至，且VR與VS具有很好的相關(guān)性，其相關(guān)式為： VR=VS·（0.87+1.12）/（1+）；  

6、;  式中：為泊松比； 此關(guān)系奠定了R波在測定巖土體物理力學(xué)參數(shù)中的應(yīng)用； R波在多道接受中具有很好的直線性，即一致的波震同相軸； 質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動軌跡為逆轉(zhuǎn)橢圓，且在垂直平面內(nèi)運(yùn)動； R波是沿地表傳播的，且其能量主要集中在距地表一個波長（R）尺度范圍內(nèi)。 依據(jù)上述特性，通過測定不同頻率的面波速度VR，即可了解地下地質(zhì)構(gòu)造的有關(guān)性質(zhì)并計算相應(yīng)地層的動力學(xué)特征參數(shù)，達(dá)到巖土工程勘察之目的。 3 野外工作方法 應(yīng)用瞬態(tài)法進(jìn)行現(xiàn)場測試時一般采用多道檢波器接收，以利于面波的對比和分析。當(dāng)錘子或落重在地表產(chǎn)生一瞬態(tài)激振力時，就可以產(chǎn)生一個寬頻帶的R波，這些不同頻率的R波相互迭加，以脈沖信號的形式向外傳

7、播。當(dāng)多道低頻檢波器接收到脈沖形振動信號后，經(jīng)數(shù)據(jù)采集，頻譜分析后，把各個頻率的R波分離出來，并求得相應(yīng)的VR值，進(jìn)而繪制面波頻散曲線。 當(dāng)選取兩道檢波數(shù)據(jù)進(jìn)行反演處理時，應(yīng)使兩檢波器接收到的信號具有足夠的相位差，其間距x應(yīng)滿足（R/3）R，即在一個波長內(nèi)采樣點(diǎn)數(shù)要小于在間距x內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)的3倍，而大于在間距x內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)的1倍，該采集濾波原則對于不同的勘探深度及儀器分辨率和場地地層特性可作適當(dāng)調(diào)整。 當(dāng)采用多道檢波數(shù)據(jù)進(jìn)行反演處理時，雖然不受道間距公式的約束，但野外數(shù)據(jù)采集時也應(yīng)考慮勘探深度和場地條件的影響。一般來說，當(dāng)探測較淺部的地層介質(zhì)特性時，易采用小的x值并用小錘作震源以產(chǎn)生較強(qiáng)的高頻

8、信號，即可獲得較好的結(jié)果；當(dāng)探測較深部的地層介質(zhì)特性時，易采用較大的x值，并用重錘沖擊地面，以產(chǎn)生較低頻率的信號，使其能反映地下更深處的介質(zhì)信息，達(dá)到巖土工程勘察之目的。 震源點(diǎn)的偏移距從理論上講越大越好，且易采用兩端對稱激發(fā)，有利于R波的對比、分辨和識別，但偏移距增大就要求震源能量加大和儀器性能的改善。一般來說，偏移距應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果選取。就目前的儀器設(shè)備條件和反演技術(shù)水平，選用偏移距2040m即可獲得較好的測試結(jié)果。 由多道檢波數(shù)據(jù)反演處理后可得一條頻散曲線，一般把它作為接收段中點(diǎn)的解釋結(jié)果。實(shí)際上該曲線所反映的地層特性為接收段內(nèi)地層性質(zhì)的平均結(jié)果，故當(dāng)探測場地地下介質(zhì)水平方向變化較大時，只

9、要能滿足勘探深度的要求，盡量使反演所用的接收段減小，以使解釋結(jié)果更具客觀實(shí)際。4 技術(shù)學(xué)術(shù)交流的局限性與開放性 IT業(yè)界有一句名言：決策者不明白，明白者不決策。社會上有句俗語：掙錢的不費(fèi)力，費(fèi)力的不掙錢。工程地質(zhì)界則早有說法：搞理論研究的沒有工程經(jīng)驗(yàn)，有工程經(jīng)驗(yàn)的缺理論高度，以至于一些搞工程的同志不愿意與理論派人士打交道，說我們的工程成果都被別人寫了文章，這也許又是一個誤區(qū)。類似的說法還有很多，不過有一個現(xiàn)象則是事實(shí)，例如我們的學(xué)術(shù)會議，各單位每年能出來參加學(xué)術(shù)活動的也多為有頭有面的人物，給普通技術(shù)人員提供外出交流的機(jī)會十分有限，因?yàn)閰⒓右淮螌W(xué)術(shù)會議的差旅費(fèi)會務(wù)費(fèi)并不是每個單位都可以

10、放開的。2001年我們在南京勘測專委會學(xué)術(shù)研討會之前召開工程地質(zhì)計算機(jī)應(yīng)用技術(shù)協(xié)作網(wǎng)的委員會議，某設(shè)計院的正式委員是當(dāng)然參會代表，但他的上司要出來走一圈，為節(jié)省開支，說好了由這位頭目代表正式委員參加會議，但這個領(lǐng)導(dǎo)同志不知跑到什么地方轉(zhuǎn)游瀟灑去了，根本就沒有在會議上露面。 出國進(jìn)行工程考察那就更不用說了。由于對國外典型工程的了解深度有限，專業(yè)性的技術(shù)考察和技術(shù)交流受語言等環(huán)境條件的限制，收效十分有限。另外，搞具體工作的專業(yè)技術(shù)人員出國考察并非易事。某工程為了對特殊的自然地質(zhì)環(huán)境作出工程建設(shè)的可行性評價，專門組團(tuán)出國考察國外類似地質(zhì)環(huán)境下的成功工程實(shí)例，回來后在專題技術(shù)討論會上，大家才知道地質(zhì)專

11、業(yè)根本就沒有人參加出國考察。 好在這些年隨著互聯(lián)網(wǎng)的飛快發(fā)展，我們真要想了解國外的技術(shù)發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)幫了大忙。上個世紀(jì)九十年代初期，我們一直為計算機(jī)地質(zhì)三維問題找不到答案，甚至權(quán)威專家們也對計算機(jī)圖形學(xué)的基礎(chǔ)理論是否能夠解決的問題提出了質(zhì)疑，也不知道國外工程地質(zhì)計算機(jī)應(yīng)用的水平如何，也很少可以見到考察專家對國外類似情況的介紹材料。但是這樣的問題我們卻在1996年北京第三十屆國際地質(zhì)大會的科學(xué)展覽會上輕松地找到了滿意的解答。可見，搞學(xué)術(shù)研究也好，學(xué)習(xí)工程技術(shù)也罷，與出國不出國好象并不成正比。我們真正關(guān)心的最先進(jìn)最核心的技術(shù)，出國考察人員不一定都能帶回來，能帶回的有可能是“海歸”派人士，他們中的部分

12、精英在國外就是從事最新高科技應(yīng)用的研究和開發(fā)的。 技術(shù)學(xué)術(shù)需要交流，思想更需要交流。思想與思想的碰撞，會產(chǎn)生一種思維共振和創(chuàng)造共鳴的效應(yīng)。既然國際國內(nèi)交流都存在一定的困難和局限性，我們?yōu)槭裁床贿x擇最為開放的互聯(lián)網(wǎng)呢。工程地質(zhì)計算機(jī)應(yīng)用網(wǎng)站geocom從1998年上半年正式接入Internet，立即被許多國內(nèi)專業(yè)性網(wǎng)站鏈接。Geocom提供了一個完全開放的網(wǎng)上交流平臺，只可惜我們的專業(yè)技術(shù)人員還沒有充分意識到網(wǎng)絡(luò)交流的便捷性、及時性、互助性和廣泛性?？梢愿嬖V大家，在Internet上的工程地質(zhì)、巖土工程和工程信息的網(wǎng)站已經(jīng)相當(dāng)豐富了，你沒有機(jī)會出國，在國內(nèi)參加學(xué)術(shù)會議的機(jī)會也十分有限，那就上網(wǎng)去

13、吧！互聯(lián)網(wǎng)上您所需要的一切都有，且絕大多數(shù)可以免費(fèi)索取。 5 工程地質(zhì)的價值觀與人才觀 筆者在前兩集工程地質(zhì)隨想中已經(jīng)反復(fù)闡述過，工程地質(zhì)是一個十分復(fù)雜又非常特殊的學(xué)科和專業(yè)，需要堅實(shí)的基礎(chǔ)、廣博的學(xué)識、相關(guān)學(xué)科專業(yè)的知識、對工程建設(shè)的理解、對地質(zhì)學(xué)科的感悟，更需要一種浪漫的情趣和執(zhí)著的精神。人是需要有精神的，有了精神，業(yè)務(wù)、知識、能力都可以在實(shí)踐中得到補(bǔ)充和提升。如果對工程地質(zhì)專業(yè)的追求精神能夠達(dá)到某種癡迷的程度，您一定可以成為最優(yōu)秀的地質(zhì)師。 科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力。在生產(chǎn)力的諸要素中，人是最活躍的因素，是進(jìn)行生產(chǎn)的主體，也是生產(chǎn)的根本動力。地質(zhì)師人才隊伍處于不穩(wěn)定狀態(tài)，優(yōu)秀人才改

14、行，“合則留，不合則去，此處不留人，自有留爺處”。這是當(dāng)前被普遍接受的價值觀和人才觀。在人才競爭和個人價值取向日趨市場化的前提下，新型的人才標(biāo)準(zhǔn)與傳統(tǒng)的人才標(biāo)準(zhǔn)之間的差異，傳統(tǒng)的專業(yè)觀與新型的就業(yè)觀之間的不協(xié)調(diào)，都為有潛力成為優(yōu)秀地質(zhì)師的朋友們提供了全新的擇業(yè)理論基礎(chǔ)和心理支持。 能夠從事工程地質(zhì)專業(yè)學(xué)科的工作并不難，而要做好做精卻不易。把從事這個學(xué)科專業(yè)當(dāng)成謀生的手段和職業(yè)，這是我們普通地質(zhì)師的選擇。如果您要想成為優(yōu)秀的學(xué)者和專家，建議您把她當(dāng)成樂趣、興趣、境界和事業(yè)去追求，這時您還要耐得寂寞，守得清貧，沒有官癮，不辭辛勞，爬山鉆洞在所不辭，受人嘲笑一笑了之。記住物理學(xué)家李政道教授的忠告：“

15、在科學(xué)的領(lǐng)域內(nèi)，真理永遠(yuǎn)在少數(shù)人手里”。不迷信權(quán)威，不看人臉色，堅持真理，創(chuàng)新進(jìn)取，您一定可以成為名副其實(shí)的專家學(xué)者。當(dāng)然也許您這樣的專家學(xué)者沒有頭銜，組織上和職稱高評委還沒有認(rèn)可您，但這都沒有任何關(guān)系。想想看，2002年諾貝爾化學(xué)獎發(fā)給了日本一個毫無名氣的普通工程師，可見真正的科學(xué)一定是最公正的。 2002年底北京大學(xué)鄭重宣布，不再招收半脫產(chǎn)在職博士生，在社會上引起了極大反響，肯定有人擁護(hù)也有人反對。也許是因?yàn)樯贁?shù)出賣文憑的高?；蚩蒲袡C(jī)構(gòu)把本來圣潔的文憑沾污了，降低了貨真價實(shí)的文憑的威力，引來了輿論的關(guān)注。2002年9月24日的工人日報登出了一篇挖苦當(dāng)今世界最時髦文憑MBA的文章，稱某些高校

16、的MBA為“M秕A”。 我們一旦把學(xué)歷看得過重，就會產(chǎn)生事實(shí)上的偏差。有類似于穿開檔褲的小孩指出“皇帝沒穿衣服”的明白人，撰文在報上抨擊這種重學(xué)歷論是管理者的無知。其實(shí)，我們都十分清楚的事實(shí)則足以明辯真?zhèn)?。例如我們工程地質(zhì)界的前輩知名專家，許多人可并沒有什么碩士博士頭銜，而今遍地都是碩士博士，卻始終還沒有出現(xiàn)真正可以與前輩相提并論的專家學(xué)者。即便是出現(xiàn)了那么幾個耀眼的新星，也有評論家大聲疾呼千萬不要捧殺了這些“半壺水”。批評也好，挖苦也罷，是尖銳了一些，我們權(quán)當(dāng)成良藥苦口忠言逆耳吧！  筆者的觀點(diǎn)十分鮮明，獲取更高一級的學(xué)位沒有錯，但建議跨專業(yè)攻讀，沒有必要一根筋地從工程地質(zhì)的學(xué)士、

17、碩士直至博士一直攻下去。工程地質(zhì)專業(yè)學(xué)科的發(fā)展，不應(yīng)該以地質(zhì)為主，而應(yīng)該是地質(zhì)與工程建設(shè)的緊密結(jié)合。在考慮攻讀更高一級學(xué)位時，宜選擇雙學(xué)士或雙碩士，也可以選擇水工、結(jié)構(gòu)、力學(xué)、計算機(jī)、施工、巖土工程等專業(yè)的碩士，之后再去追求與本科和碩士均不相同專業(yè)的博士。或者反過來，碩士或博士選工程地質(zhì)，其它兩個學(xué)位選非工程地質(zhì)。單一專業(yè)的高學(xué)歷從事本學(xué)科的理論研究尚可，作為較為全面的地質(zhì)師則存在教育浪費(fèi)或?yàn)椴┦慷┦慷皇菫閷W(xué)科專業(yè)的需要而博士的嫌疑。從事工程地質(zhì)工作最需要的是跨專業(yè)的復(fù)合型優(yōu)秀人才。 記住一些經(jīng)典：不是所有的地質(zhì)師都能夠成為優(yōu)秀地質(zhì)師，也不必將學(xué)位職稱職務(wù)與優(yōu)秀地質(zhì)師相等同，因?yàn)槲膽{可以假

18、，職稱可以送，職務(wù)可以跑，而優(yōu)秀地質(zhì)師的真實(shí)水平和能力是假不來、送不到和跑無用的。 6 實(shí)踐工程地質(zhì)的大勢研判與行情預(yù)測 近年來研究股票K線圖，驚喜地發(fā)現(xiàn)這個K線圖可以解釋許多社會現(xiàn)實(shí)問題，甚至于您的人生歷程也是一根股票曲線。工程地質(zhì)發(fā)展的過去、現(xiàn)狀和將來，完全可以用K線圖作出充分解釋和行情預(yù)測。實(shí)踐工程地質(zhì)從上個世紀(jì)九十年代初開始就步入了漫漫熊市行情，只有那些先知先覺的高手，才在熊市行情的初期得以出逃，改行之后或下海掙錢或從政當(dāng)官或干其它自己喜歡且又時髦的行當(dāng)，大多數(shù)爾等反映遲鈍的散戶絕對是被高位套牢。實(shí)踐工程地質(zhì)行情目前還在底部震蕩，筑底堅實(shí)之后才可能有反轉(zhuǎn)表現(xiàn)。在當(dāng)前這個專業(yè)性

19、的底部行情中，被高位套牢的地質(zhì)師散戶們再行割肉出逃改行另謀生路已經(jīng)不是明智之舉，積極的態(tài)度是以時間換空間，扎實(shí)地研究您感興趣的專業(yè)技術(shù)學(xué)術(shù)問題，等待反轉(zhuǎn)行情的到來。 近來驚聞高校工程地質(zhì)專業(yè)的畢業(yè)生供不應(yīng)求，頗感欣慰。但卻仍然擔(dān)憂質(zhì)疑，因?yàn)樵诠墒凶咝艿拇蟓h(huán)境下，個股飄紅多為曇花一現(xiàn)。工程地質(zhì)專業(yè)這些年來的熊市環(huán)境按最樂觀估計還有5-7年，之后將有一個復(fù)蘇的過程，再緩慢拉升，走出新一輪的牛市行情。當(dāng)然，這之間不排除突發(fā)性政策性利好(或利空)因素而出現(xiàn)急速拉升態(tài)勢。就象當(dāng)前突入其來的SARS病毒，人們才真正認(rèn)識到醫(yī)務(wù)工作者也是真正的英雄戰(zhàn)士，醫(yī)藥板塊立即走出一波牛市行情。水利行業(yè)沉寂多年后突然遭遇98特大洪水，立即帶來了防洪水利工程建設(shè)的急速拉升行情，使得那些沒有前期工作基礎(chǔ)的項目的地