瑞雷面波勘探.docx
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瑞雷面波勘探
瑞雷面波勘探及软件应用
摘要
本文主要介绍SWS型多波列数字图象工程勘察与工程检测仪和其配套的SWS瞬态面波数据处理软件的使用方法，通过对其工作原理和瑞雷面波理论的介绍，说明多道面波采集系统在发展瞬态面波法方面的关键作用。
并且通过一个实例具体说明如何使用该仪器进行野外数据的采集及数据处理软件的使用。
关键词
SWS瞬态面波数据处理软件；多道面波采集系统；瞬态面波法
Abstract
ThistextintroduceSWStypemanywavearrangedigitalvisionprojectreconnoitrewaveoperationmethod,dataprocessingofsoftwaretherelatedtoprojectdetectoranditsSWStransientstatemainly，PasstoitsoperationprincipleandtheoreticalintroductionofauspiciousRayawave，Provemanydishesofsurfacewavegathersystemwavekeyeffect,lawofdevelopingtransientstate。
Andconcretetoprovehowabouttousethissoftwaretogoondatumgathering,graphprocessingandanalysingthroughoneinstance。
Keywords
WavedataprocessingsoftwareSWS;Manydishesofsurfacewavegatherthesystem;Wavelawthetransientstate
目录
前言1
1．工作目的及原理2
1.1工作目的2
1.2瞬态瑞雷面波法的原理2
2.野外工作方法4
2.1仪器介绍4
2.2数据采集4
2.3注意事项6
3瞬态面波数据处理软件8
3.1软件简述8
3．1．1数据处理概要8
3．1．2SWS软件依据的原理8
3.2处理过程8
3．2．1文件处理流程页面8
3．2．2X-T域处理页面10
3．2．3F-K域处理页面10
3．2．4Z-V域处理页面11
3.2.5辅助页面（清理X-T文件，对比SWS文件，共用图形工具）13
4应用实例15
致谢19
参考文献20
附图21
前言
瑞雷面波是沿地表传播的一种弹性波。
早在1887年，英国数学物理学家瑞雷（Rayleigh）在求解自由表面半空间中的平面弹性波场时，就预言了一种振幅沿纵向呈指数衰减的面波的存在，后来人们从天然地震记录中证实了这种面波，并称其为瑞雷波或瑞雷面波。
之后大量的学者对瑞雷面波在各种介质中的传播理论进行了广泛的研究。
20世纪50年代初，Haskell用矩阵方法对层状介质中瑞雷面波频散曲线的计算，奠定了利用天然地震面波信号研究地球内部结构、利用人工地震面波信号进行工程勘探和工程质量无损检测的基础。
目前瑞雷波勘探法在工程中已经得到了十分广泛的应用。
近十年来，地球物理勘探领域的一些专家学者们在瑞雷面波勘探的方法技术及处理解释方面作了大量有益的工作，取得了许多具有实用价值的成果。
由于瑞雷波勘探法具有很多其他弹性波勘探法所不具备的优点，这使得人们对瑞雷波勘探技术研究的兴趣大增。
最近几年，国内外参与瑞雷面波勘探技术研究的人已越来越多。
可以预料瑞雷面波勘探将会成为本世纪浅层或超浅层地球物理勘探和工程施工质量检测的主要手段之一。
但就目前的情况来看，应用瑞雷面波进行工程地质勘察和工程检测在技术上还不够完善，人们对瑞雷面波的很多问题的认识还不是很清楚，在瑞雷面波的提纯、高模式瑞雷面波的激发和利用、瑞雷面波的反射特性等方面的研究工作还十分欠缺。
因此，分析总结瑞雷波勘探技术的历史和现状，探讨其未来的研究方向很有必要。
本文通过对瑞雷面波勘探技术的历史回顾和现状分析，就上述问题进行讨论。
1．工作目的及原理
1.1工作目的
面波勘探技术，一方面能准确反映和区分地下不同岩层的界面，指出其精确厚度和各层的波速，探测深度能够满足水利水电工程、工民建工程、市政工程等的需要，另一方面，所测波速能够直接反映岩土的物理力学性质，即通过测试的波速计算场地的类型类别、卓越周期以及各层的标准贯人、承载力等。
因此，该方法不仅大大节省投资，而且明显地简化了现场工作程序，缩短勘察周期，提高了工作质量和效率。
1.2瞬态瑞雷面波法的原理
当锤击地面，产生一个包含所需频率范围的瞬态激励时，安置在波的前进方向上，离震源一定距离的两个相距f1（t）﹑f2（t）,根据付式变换，其频谱为：
F1（
）=
f1（t）e
dt（1-1）
F2（
）=
f2（t）e
dt（1-2）
且
（1）
（2）之间又下列关系：
F2（
）=F1（
）e-i
/VR（
）（1-3）
VR（
）是圆频率为
的瑞雷面波的相速度。
令：
=
X/VR（
）（1-4）
则：
VR（
）=2
（1-5）
根据（4）式，（3）可写成：
F2（
）=F1（
）e
（1-6）
其中：
是F2（
）和F1（
）之间的相位差。
根据（5）式只要知道两接收器间的距离
和每一频率的相位差
，就可以求出每一频率的相速度VR（
）.对于同一测点，根据一系列不同频率fi对应的VRi值，就可以得出一条VR-f曲线，即所谓的频散曲线。
瑞雷面波频率的f、速度VR、相应的波长
R之间有：
R=VR/f（1-7）
根据弹性波理论，瑞雷面波的振幅随深度呈指数急剧衰减，能量主要集中在介质的自由表面附近，其深度差不多在一个波长深度范围内。
由半波长理论可知，所测量的瑞雷面波平均速度VR可以认为是1/2波长深度处介质的平均弹性性质，即勘探深度H有：
H=
R/2=VR/2f（1-8）
根据（8）式，可把VR-f曲线转换为VR-H曲线，该曲线的变化规律反映了该点介质随深度的变化规律，拐点、突变点等特征点反映了地层地质的力学特征。
2.野外工作方法
2.1仪器介绍
仪器名称:
SWS型多波列数字图像工程勘探与工程检测仪.主要技术参数为：
24道，512、1024，2048、4096、8192样点选择，采样率30s～8ms数档，瞬时浮点放大，A/D转换20bit，信号增强32bit，高、低通滤波、全通，带宽0.5～4000Hz，工控级CPU板80486，RAM8mb或16mb，硬盘容量HD2.1Gb.
2.2数据采集
（1）按照要求联结好大缆、检波器、触发线、电源线等以后，在确认连线正确的情况下，接通仪器电源开关。
（2）开机后，仪器通过检索，自行进入采集系统。
（3）进入主菜单后利用水平箭头键[←﹑→]移动至<面波勘察>，选择<面波采集1>，回车即进入面波采集菜单（如图2-1所示）。
图2-1主菜单
（4）进入面波采集主菜单后，先要进行参数设置。
采集文件名：
自定；文件名序号步进：
+1；记录道数：
24；每道采样数：
1024；采样时间间隔：
0.250ms；道间距：
1.00m；偏移距：
10m；采集滤波：
off。
设置完成后选择[采集激发，叠加，存盘]进入数据采集。
（如图2-2所示）
图2-2面波采集主菜单
（5）进入采集界面后利用水平箭头键[←﹑→]选择功能窗上的选项进行设置，在此不冗述，选择[击发/叠加]或直接按数字键“5”，回车后采集工作开始。
（如图2-3所示）
图2-3图形采集
（6）采集完成后，按[ESC键]退回到面波采集主菜单，选择[存盘记录]，存盘退出，数据采集即完成。
（如图2-4所示）
图2-4存盘退出
（7）原始图（如图2-5所示）
图2-5原始图
2.3注意事项
（1）SWS型多波列数字图象工程勘察与工程检测仪系精密贵重仪器，在使用﹑运输﹑保管和维护方面应按相关的规程规范和要求办理。
（2）SWS型仪器的供电系统为外接DC12V。
一般45安时至60安时的电瓶可满足一天连续作业使用。
仪器内设低电压报警装置。
电压不足时，仪器发出“嘟﹑嘟…”的报警声。
此时，应更换新电瓶，重新工作。
（3）SWS型仪器内设有电源正负极接错保护电路，若电源接错，面板上保险座内的保险管熔断，此时须改正接线，更换保险管。
（4）SWS型仪器的工具箱内装配有外置软驱及连线，起主要作用是仪器采集系统遭受病毒侵害工作不正常时，修复系统使用。
当然也可用作少量采集数据的软盘存储。
（5）SWS型仪器的工具箱内装配有数据传输线，连接面板上的对应插座与外置微机的并行口，可方便地传输采集的数据至处理微机。
3瞬态面波数据处理软件
3.1软件简述
3．1．1数据处理概要
面波测深数据处理是从现场采集的多道地震数据，提取面波的频散数据，对于层状的地层，再由频散数据进一步反演出地层的剪切波速（Vs）分层断面，达到测深的目的。
3．1．2SWS软件依据的原理
在原始地震数据中，除面波的能量外，还含有反射、折射和其他干扰波，其中有和面波在时间上不重合的部分，可以在时间距离（X-T）域，加适当的窗口来排除。
层状地层上的面波，又是由不同视速度和能量分布的多个模态合成的。
其中以基阶模态面波的频散规律，能最直观地反映地层的波速断面，也最易于据以作出地层的分层反演。
在频率波数（F-K）域中，不同视速度的地震波分别组成各自的能量轴，可以区分开面波的不同模态，以及靠时距窗口仍未排除的其他干扰，有利于提取基阶面波的频散数据。
目前的分层反演，利用的是基阶面波的频散规律，通过地层参数的优化拟合，在深度速度（Z-V）域作出。
3.2处理过程
SWS面波处理软件处理过程的操作安排在显示不同数据域的分页视窗中进行。
点击各个页面，可以随时了解当前的数据文件，浏览各个数据域的显示图形，反复调整处理参数。
页面具体分为：
文件处理流程，X-T域处理，F-K域处理，Z-V域处理，辅助页面（清理X-T文件，对比SWS文件，共用图形工具）。
3．2．1文件处理流程页面
文件处理流程页面：
管理单个和成批的原始（X-T）和频散（SWS）数据文件。
将它们打开后分别转入提取频散数据或分层反演的相应页面进行处理。
该页面内包含四个栏目框：
X-T顺序成批文件，SWS顺序成批文件，搜寻频散数据，反演波速分层。
（1）X-T顺序成批文件栏目框，管理成批的原始数据文件。
打开成批文件：
用框上方[打开X-T成批文件]按钮，打开[打开顺序X-T成批文件]窗口，确定成批文件的起始名、顺序数字方式和文件总数。
打开的成批文件在[总数]、[目录]、[文件名]等框内显示。
选择单个文件：
用[选择]框右方的左右按钮，选择该批文件中的单个文件，显示在黄框内。
检查排列参数：
用[检查排列]按钮，将选定的单个文件读入[检查X-T文件采集排列参数]窗口，检查排列参数。
用于搜寻频散数据：
用X-T顺序成批文件与搜寻频散数据两栏目框间的向右按钮，将选定的单个文件转入搜寻频散数据栏目框。
（2）SWS顺序成批文件栏目框，管理成批的频散数据文件。
打开成批文件：
用框上方[打开SWS成批文件]按钮，打开[打开顺序SWS成批文件]窗口，确定成批文件的起始名、顺序数字方式和文件总数。
打开的成批文件在[总数]、[目录]、[文件名]等框内显示。
关联命名文件：
在打开X-T成批文件后，按下SWS顺序成批文件与SWS顺序成批文件两栏目框间的向下按钮，就会按X-T成批文件的命名，关联命名SWS成批文件。
选择单个文件：
用[选择]框右方的左右按钮，选择该批文件中的单个文件，显示在黄框内。
检查文件内容：
用[检查内容]按钮，将选定的单个文件读入[SWS文件数据显示]窗口，查看选定文件的频散数据图形、分层波速断面和数据列表。
用于反演波速分层：
SWS顺序成批文件与反演波速分层两栏目框间的向右按钮，将选定的单个文件转入反演波速分层栏目框。
（3）搜寻频散数据栏目框，管理[X-T域处理]和[F-K域处理]页面的工作文件。
直接载入文件：
用框上方[载入X-T文件]按钮，打开[载入X-T文件]窗口，确定文件名，由磁盘直接读入。
成批文件转入：
将左方X-T顺序成批文件栏目框中的选定文件，用与本栏目框间向右的转移按钮，转入本栏目框，
转向设置窗口：
按下[X-T设置窗口]按钮，转到[X-T域处理]页面，检查或修改X-T时距窗口及频率范围。
转向搜寻频散：
按下[F-K搜寻频散]按钮，转到[F-K域处理]页面，圈定基阶频散的谱峰，并转成频散数据文件。
[SWS文件名]框内即显示此文件。
频散文件存盘：
按下[SWS文件存盘]按钮，将处理获得的频散数据文件存盘。
右方的[文件存盘]状态框，显示SWS文件是否存盘。
（4）反演波速分层栏目框，管理[Z-V域处理]页面的工作文件。
直接载入文件：
用框上方[载入SWS文件]按钮，打开[载入SWS文件]窗口，确定文件名，由磁盘直接读入。
成批文件转入：
将左方SWS顺序成批文件栏目框中的选定文件，用与本栏目框间向右的转移按钮，转入本栏目框，
频散文件转入：
将上方搜寻频散数据栏目框中的SWS文件，用与本栏目框间向下的转移按钮，转入本栏目框，
转向反演分层：
按下[Z-V反演分层]按钮，转到[Z-V域处理]页面，进行初始分层、调试拟合、自动优化等项操作。
在确认分层参数后，文件中将列入新的分层参数数据。
反演文件存盘：
按下[SWS文件存盘]按钮，将经反演并确认分层参数的文件存盘。
右方的[波速分层]及[文件存盘]状态框，显示供反演的SWS文件是否含分层参数及存盘。
3．2．2X-T域处理页面
X-T域处理页面包含三个栏目框：
X-T文件及窗口参数，设置X-T窗口，设置频率窗口/窄通带滤波测试。
（1）[X-T文件及窗口参数]操作页面：
[X-T-F窗口参数]为显示窗口参数的列表框。
当在其他页面改设参数后返回此页面，框内参数即更新。
选定窗口参数后，按下[用于F-K搜寻]按钮，即用当前的窗口参数，将原始地震道的数据转换为频率波数谱，供搜寻基阶频散数据。
（2）[设置X-T窗口]操作页面：
当前X-T（时距）窗口的参数，分别显示在[采用数据道]、[波速门限]和[激发周期]三个数据框内，同时也表现为波形图形上的黄色梯形框。
可以用参数框端的左右按钮，改变相应参数的设置，或者在显示图形的黄色边框线条上，按下鼠标左键拖动，直观地改变窗口形态，放开鼠标后，参数数值随即改变。
（3）[设置频率窗口/窄通带滤波测试]操作页面：
页面提供设置频率窗口和窄通带滤波测试两项处理。
当前设置的频率值显示在左方的[频率窗口Fmax]框内。
如果已作窄通带滤波，则滤波通带的参数显示在右方的[中心频率]和[频带宽度]框内。
3．2．3F-K域处理页面
F-K域处理页面的处理功能，包含以下内容：
圈出面波基阶模态能量峰：
基于频率波数谱的分辨能力，面波各个模态，以及各种干扰波的能量将分布在谱图的不同部位。
运用屏幕搜寻工具，可以单独圈出面波基阶模态能量峰的分布范围。
合成频散数据文件：
在圈定的范围内提取频率波数谱数据，计算出所圈定的面波波型频散数据，组成频散数据文件。
地层模型多阶正演对比：
在取得的频散数据文件反演分层后，可以用其分层参数，在右下方的五个处理操作页面上进行。
（1）[X-T数据]操作页面：
此页面上仅显示反映原始X-T文件及变换到频率波数域所用窗口的参数列表。
[X-T文件]为显示原始文件的记录头参数的列表框。
[X-T-F窗口]为显示当前频率波数变换窗口参数的列表框。
（2）[设置分辨率]操作页面：
在搜寻频散数据前，可以在当前频率波数变换窗口内，改变频率波数谱的纵横分辨率。
在改变设置的同时，程序自动重新计算并显示新的谱图数据，对于已经圈出的谱峰，则需重新圈定。
（3）[搜寻基阶模态]操作页面：
对于常见的地层条件，面波在频率波数谱图中的能量峰，一般表现为由谱图的左上向右下方延伸斜列的多个条带。
靠右上方（相速度较小）并相对连续明显的应属基阶模态能量峰（其右方经常出现弱的平行线条，属截断效应产生的次级峰）。
在谱图的左上角（低频、大波长），面波能量峰的延伸，应趋向座标的原点。
操作页面提供在谱图上用鼠标圈定能量峰的功能：
移动鼠标时，在[鼠标指向]框内显示指向谱图点的频率、半波长及相速度值。
按下鼠标左（或右）键，将出现的靶圈在谱图上拖动，即可完成圈定（或清理）面波能量峰的工作。
按下[重新搜寻]按钮，即清除全部已圈定的范围，重新开始。
按下[合成频散数据文件]按钮，即用圈定范围内的频率波数谱数据，计算出频散数据，组成频散数据文件。
（4）[频散数据文件]操作页面：
页面左方为已合成频散数据文件的列表框，列出文件中的处理参数和每个频散点的频率、相速度数值。
按下[文件存盘]按钮，打开文件名窗口，即可按右方格式选择框中选定的SWS或TEXT（文本）格式，将频散数据文件存盘。
按下[转入反演]按钮，即将内存中的频散数据文件（不一定已存盘），直接转到[Z-V域处理]页面上进行分层反演处理。
（5）[地层参数多阶正演对比]操作页面：
按下[载入地层反演文件（SWS）]按钮，打开文件名窗口，读入已经作过分层反演的SWS文件（此文件应存有分层参数，其频散数据应该与当前显示的频率波数谱源于相同的地震原始数据）。
载入后程序即将其分层参数，正演计算出基阶和一、两组高阶模态的频散数据，显示在当前的谱图上（基阶数据为白色点，高阶数据为灰色）。
[地层参数]为正演所用地层参数的列表框。
3．2．4Z-V域处理页面
Z-V域处理页面的处理功能，包含以下内容：
编辑频散数据点：
清理频散文件中的数据，确定用于反演分层的数据点。
拟定初始分层参数：
提供逐段分层和等厚分层两种方法，设定初始分层模型，作为后续人工调试和自动优化的出发基点。
人工调试分层参数：
分别调试各层的层厚（H）或剪切波速（Vs），根据正演基阶频散数据和实测数据的拟合度（Fitness），参考对当地地层的地质认识，确立恰当的分层参数轮廓。
自动优化分层参数：
可先后分别用单层参数优化、固定层厚优化和全部层参数优化方法，自动优化地层波速模型，提高模型正演数据的拟合度。
（1）[SWS文件]操作页面：
在屏幕图形上以蓝色显出原始文件中采用的频散数据点。
如果已经分层反演，将会显示红色的地层波速断面和分层参数数据表。
[频散文件内容]为原始频散数据文件的列表框，其中不予采用的频散数据标有*号。
按下[编辑频散数据]按钮，即打开[SWS文件频散数据编辑]窗口：
窗口在相速度（Vc）及半波长（L/2）座标中显示文件内的频散数据点，采用的数据点显示蓝色，暂不用的显示为红色。
十字光标标出其中一个数据点，用其下方的上下按钮，或用鼠标直接点击图中的数据点，可以移动光标，标出新的数据点。
用带伸缩标志的四个按钮，可调整纵横座标的比例尺。
按[不用/采用]按钮，改变标出数据点用或不用的标记状态。
按下[全部采用]按钮，将已标记不用的数据点全部恢复采用。
按下[确认]按钮，即肯定当前的编辑结果退出此窗口。
（2）[逐段分层]操作页面：
用图形显示框中的红色水平标志线，自上至下，参照频散数据的走向特征，逐段确定分层点。
[拟定分层点]显示与标志线相对应的频散点的视深度（半波长）及相速度。
用框端的上下按钮，移动拟定的分层点，也可以在标志线上用鼠标按下左键直接拖动。
由上至下对每一个拟定分层点，按下[确定分层点]按钮，屏幕图形上将逐层显出绿色的分层波速断面（初始分层模型），同时显示新层的层号、厚度和剪切波速。
显出分层波速断面后，按下[检查拟合]按钮，屏幕图形上将出现绿色的正演频散数据点（32点）和拟合度数值。
按下[重新分层]按钮，可重新进行以上分层操作。
检查拟合后，如果确认当前的初始分层参数，按下[转入调试拟合]按钮，即转入[调试拟合]页面，进行调试拟合，也可直接进行自动优化拟合。
（3）[等厚分层]操作页面：
将文件频散数据中的最大视深度（半波长）作为地层的总厚度，均分为4、8或16层等厚的分层模型，再经过固定厚度的波速自动优化后，作为初始地层分层参数。
[总厚度]即作为地层的总厚度的最大视深度,[共分层数]指出等分的层数，[xH]即为等分后各层的厚度。
用框端的左右按钮调整到拟等分的层数，同时屏幕图形上显出经初步优化的绿色的地层波速断面、正演频散数据点（32点）和拟合度数值。
按下[固定-H优化]按钮，可多次进行固定厚度的波速自动优化。
屏幕图形上将出现优化后的波速断面、正演频散数据点和拟合度数值。
优化拟合后，如果确认当前的等厚分层参数，按下[转入调试拟合]按钮，即转入[调试拟合]页面，进行调试拟合，也可直接进行自动优化拟合。
（4）[调试拟合]操作页面：
屏幕图形上显示蓝色的原始频散数据点，红色的波速断面、正演频散数据点和拟合度数值，并以红色的点网标出当前调试的一层以及层厚度、剪切波速的数值。
用[调试层号]框端的上下按钮，或直接点击图形上相应层断面的内侧，可以改换当前调试的层号。
用[H]、[Vs]框端的上下、左右按钮，增减被调试层的层厚或剪切波速，同时屏幕图形上显出增减该层参数后的波速断面，正演的频散数据点和拟合度数值。
用[分为两层]、[并入上层]或[并入下层]按钮，分别将被调试层等分为两层、或者合并入相邻的上下层位，同时屏幕图形上也显出改变层参数后的结果。
用[拟合点]框端的左右按钮，可以改变正演和计算拟合度所用的频散数据点数（32,64或128）。
（5）[自动优化拟合]操作页面：
在屏幕图形上用蓝色显示原始频散数据点，用红色显示优化过程中的波速断面、正演频散数据点和拟合度数值。
用[选择层号]框端的上下按钮，或直接点击图形上相应层断面的内侧，可以改换选择的层号。
屏幕图形上以红色的点网标出当前选择的一层，以及层厚度、剪切波速的数值。
用[H-Vs单层优化]按钮，单独优化被选择层的层厚和剪切波速两个参数。
用[固定-H优化]按钮，固定各层厚度，仅优化各层的剪切波速度参数。
用[全部H-Vs优化]按钮，优化地层断面包括层厚度和剪切波速的全部参数。
用[拟合点]框端的左右按钮，可以改变正演和计算拟合度所用的频散数据点数（32,64或128）。
（6）[文件存盘]操作页面：
在分层、拟合、优化后，必须按下[确认反演层参数]按钮，将最终的分层层参数，写入反演处理成果的频散数据文件（列入右方的文件列表框）。
按下[文件存盘]按钮，打开文件名窗口，将反演成果文件存盘。
右方的选择框，供选择存盘文件的类型（SWS数据文件或TEXT文本文件）。
（7）[图形存盘及打印]操作页面：
[调整图形大小]右方的两个框中，分别显示图形座标网格的纵横点数。
进入此页面时，均显示原来图形框中能容纳的最大座标网。
可用两框端的左右及上下按钮，调整所需座标网格的大小，再用左方显示控制框（蓝色）中的纵横伸缩按钮，将频散数据点和地层波速断面，调整到座标网格内的适当位置。
按下[图形存盘]按钮，即打开文件名窗口，将显出的图面存为位图文件。
按下[打印图形]按钮，即打开打印窗口，打印显出的图面。
3.2.5辅助页面（清理X-T文件，对比SWS文件，共用图形工具）
这三个页面为辅助工具，下面只进行简单介绍。
（1）清理X-T文件页面的处理功能，包含以下内容：
清除干扰波形：
将地震道内的
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