瞬态瑞雷波法在瀑河水库工程中的应用

刘国华

（河北省水利水电勘测设计研究院，天津 300250）

瀑河水库地跨河北省易县、徐水县，位于南水北调工程总干渠右侧，是南水北调中线工程向北京、天津供水的调蓄水库较为理想的库址，为此确定对瀑河水库进行加固处理并扩建水库规模。地质勘察的主要内容之一是了解天然铺盖的厚度及有无透水层（砂、卵石层）。以物探为主要勘察手段，采用瑞雷波勘探方法取得了令人满意的成果。

1 基本原理及野外工作方法

1.1 基本原理

众所周知，弹性波在到达弹性、速度或密度不同的介质界面时，不仅会产生反射波和折射波，而且还会产生瑞雷波，其具有如下特点：

（1）波动质点在垂直于波的传播方向的平面内振动；

（2）质点的振动轨迹为逆时针方向转动的椭圆，且振幅随深度呈指数函数衰减；传播速度略小于横波速度，且具有相关性；

（3）在分层介质中，具有频散特性。该类型波是英国学者瑞雷在理论上首先确定的，所以称其为瑞雷波。

瑞雷波沿地面表层由震源向外传播，其波阵面为圆柱面，同一频率的瑞雷波速度Vr在水平方向的变化反映出地质条件在水平方向的变化情况，不同频率的Vr的变化则反映出不同深度的地质情况。在地面上沿波的传播方向以某一道间距Δx设置N+1个检波器，就可以检测到瑞雷波在NΔx长度范围内的波场，设瑞雷波的频率为fi，相邻检波器记录的瑞雷波的时间差为Δt，则相邻道Δx长度内瑞雷波的传播速度为：

在满足空间采样定理的条件下，测量范围NΔx内平均瑞雷波速为：

在同一测点测量出一系列频率fi的Vri值，可以得到 Vr～f曲线，即频散曲线。Vr～f频散曲线的变化规律与地下介质条件存在着内在的联系，通过对频散曲线的反演解释，可得到地下某一深度附近的地质构造情况和不同深度的瑞雷波传播速度值。

理论研究表明，瑞雷波的穿透深度约为一个波长，即穿透深度与波长成正比，对于某一介质来说，穿透深度与频率成反比，即高频信号为浅层的反映，低频信号则反映较深部的地层情况。因此，瑞雷波勘探的实质为频率测深。

1.2 野外工作方法

本次测试野外采集使用的仪器为美国劳雷公司生产的SmartSeisTM12工程地震仪，由于使用多道检波器接收，首先进行了检波器道的一致性检查，在道的一致性检查合格后，开始进行以下附属设备和参数的选择。

1.2.1 震源方式的选择

与浅震相同，需要勘探的深度越大，震源激发的能量就要越强，激振的频率越低。本次经试验使用16磅铁锤锤击，保证激发的能量满足勘探深度的要求。

1.2.2 检波器的选择

为了保证勘探深度，本次使用6道4.8Hz低频检波器接收，其能更好地对较低的频率信号进行响应，在一定程度上起到压制高频信号的作用。

1.2.3 道间距的确定

道间距Δx一般结合勘探深度确定，勘探深度大，道间距也应放大，但不是越大越好，根据经验一般道间距应小于2倍的勘探垂向分辨率。根据任务要求，通过试验，本次选择Δx为4m。

1.2.4 偏移距的确定

采集数据的道间距和道数确定后，选择偏移距实际就是选择面波最佳接收地段，根据试验剖面，最好选取反射波和面波已经分离的地段进行接收，在高、基阶波可能分离的情况下，选取基阶面波明显的接收地段。通过试验分析，本次选择的偏移距为4m。

1.2.5 采样间隔、记录长度的确定

采样间隔与勘探深度有关，在满足抽样定理的前提下，一般勘探深度愈小，采样间隔也愈小，这样可以增加低频段的频道数，本次勘探采样间隔为250μs。采样长度以在时间剖面最后一道开始显示在记录长度的1/3～1/2处为宜。

在野外采集时，严格把住质量关，首先检波器与地面垂直插入且与地面紧密耦合，其次锤击时尽量保持用力均匀、垂直激发，然后进行2次甚至多次叠加以消除声波、反射波等的干扰，最后获得信噪比较高的具有 “扫帚”形状的能量极强的瑞雷波原始记录，并将其存盘。

2 资料整理及解释方法

瞬态瑞雷波的反演使用的是北京核工业物化探研究中心开发的SWS3.1A瑞雷波处理软件。将存入地震仪的瑞雷波数据文件拷贝到装有该软件的微机中进行处理，其过程为：装载文件→监视显示→距离—速度/频率→波速搜索→深度—速度反演→SWS数据文件存盘。即首先装入野外采集到的瑞雷波数据文件，然后显示和检查该数据文件，接着设置距离—速度窗口，在时间—空间域提取面波；对面波信号进行二维傅里叶变换；建立频率—波数域振幅谱等值线，然后在频率—波速搜索基阶瑞雷波组分的波数频散数据，通过滤波处理后，对频散曲线作地层深度—横波波速的反演。该反演为人机互动式，一般采用拐点法进行速度分层，得到较满意的结果后打印并存盘，否则将反复进行距离—速度窗口的设定及深度—速度反演，直到满意为止。

本次反演工作是在对若干钻孔处的瑞雷波资料进行反演的基础上展开的，通过对 SBZ2、SBZ4、SBZ6、SBZ8、SBZ10等钻孔处的瑞雷波数据进行反演得出横波速度Vs（利用瑞雷波与横波的相关性：Vr=［0.87+1.12σ/（1+σ）］Vs，σ为介质的泊松比，反演过程中已将Vr转化为 Vs，以便对地质问题进行评价）与地层岩性的物性参数如表1。

按照上面提到的解释过程，得出各测点瞬态瑞雷波的频散曲线，参考物性参数表进行地层划分。SBZ2孔的钻探各层厚度与瑞雷波反演解释的厚度比较如表2。

表1 岩性波速反演成果

表2 SBZ2孔的钻探与瑞雷波反演比较

从表2可以看到，两者的分层厚度的相对误差均小于6%，瑞雷波分层与钻孔分层很接近，具有较高的精度。

3 资料成果分析

本次瑞雷波勘探的测线共布4条，剖面方向为SW239°，线距150m，点距50m，每条测线长度约2km，剖面编号从北向南依次为纵Ⅰ到纵Ⅳ，每条测线的点号从东以1号点开始编号，如纵Ⅰ剖面的第5个测点为Ⅰ-5，利用瑞雷波处理软件处理得各测点的频散曲线，结合物性参数对照表得勘探成果表，根据该成果表绘制瑞雷波勘探剖面图。

从整个测区看：其大的地层结构分为三层即土—砂—卵石，局部有一些碎石土的透镜体，土层即测区的天然铺盖在整个测区的北东方向即东庄、曲城村附近较厚，最厚可达13.5m，为Ⅰ-13号点；测区的南西方向土层较薄，最薄的不到2m，为Ⅰ-27号点、Ⅲ-34号点；中间部分的厚度大部分在6～10m，在天然铺盖下面分布着一层厚薄不等的砂层，最厚的砂层达10m左右，Ⅰ-22号点、Ⅱ-17号点；最薄的3m左右，Ⅲ-24号点等；在砂层下均为卵石层。

4 结论与建议

（1）本次瑞雷波勘探达到了预期的目的，为地质、设计提供了可靠的第一手资料。

（2）库区内天然铺盖的厚度相对较薄，最厚的达13.5m，最薄的2m。

（3）库区内天然铺盖下均有一层具较强渗透性的砂层，而且在砂层下有一层更具渗透性的卵石层，这是在进行水平防渗处理时应考虑的关键所在。

（4）本次勘察中，对于10m以内的不同岩性的地层分辨率较高，由于当各层速度随深度增大，中间层厚度小于其顶面埋深时，在频散曲线上难以发现该层的存在，这样就会有一定埋深的某些薄层互层当成一层处理的现象发生；另外在埋深大于10m的勘探目的层中的低速夹层在频散曲线上也是很难发现的。

（5）建议瑞雷波勘探的测区内再布设若干钻孔对该成果进行进一步校验。

［1］杨成林.瑞雷波勘探［M］.北京：地质出版社，1993.

［2］王振东.浅层地震勘探应用技术［M］.北京：地质出版社，1994.

［3］宋先海.瑞雷波勘探理论及其应用［M］.北京：水利水电出版社，2010.

［4］祁生文，孙进忠，何华.瑞雷波勘探的研究现状及展望［J］.地球物理学进展，2002，17（4）：630-635.

［5］岩土工程手册编委会.岩土工程手册［K］.北京：中国建筑工业出版社，1996.