劉國華

（河北省水利水電勘測設(shè)計研究院，天津 300250）

瀑河水庫地跨河北省易縣、徐水縣，位于南水北調(diào)工程總干渠右側(cè)，是南水北調(diào)中線工程向北京、天津供水的調(diào)蓄水庫較為理想的庫址，為此確定對瀑河水庫進行加固處理并擴建水庫規(guī)模。地質(zhì)勘察的主要內(nèi)容之一是了解天然鋪蓋的厚度及有無透水層（砂、卵石層）。以物探為主要勘察手段，采用瑞雷波勘探方法取得了令人滿意的成果。

1 基本原理及野外工作方法

1.1 基本原理

眾所周知，彈性波在到達彈性、速度或密度不同的介質(zhì)界面時，不僅會產(chǎn)生反射波和折射波，而且還會產(chǎn)生瑞雷波，其具有如下特點：

（1）波動質(zhì)點在垂直于波的傳播方向的平面內(nèi)振動；

（2）質(zhì)點的振動軌跡為逆時針方向轉(zhuǎn)動的橢圓，且振幅隨深度呈指數(shù)函數(shù)衰減；傳播速度略小于橫波速度，且具有相關(guān)性；

（3）在分層介質(zhì)中，具有頻散特性。該類型波是英國學者瑞雷在理論上首先確定的，所以稱其為瑞雷波。

瑞雷波沿地面表層由震源向外傳播，其波陣面為圓柱面，同一頻率的瑞雷波速度Vr在水平方向的變化反映出地質(zhì)條件在水平方向的變化情況，不同頻率的Vr的變化則反映出不同深度的地質(zhì)情況。在地面上沿波的傳播方向以某一道間距Δx設(shè)置N+1個檢波器，就可以檢測到瑞雷波在NΔx長度范圍內(nèi)的波場，設(shè)瑞雷波的頻率為fi，相鄰檢波器記錄的瑞雷波的時間差為Δt，則相鄰道Δx長度內(nèi)瑞雷波的傳播速度為：

在滿足空間采樣定理的條件下，測量范圍NΔx內(nèi)平均瑞雷波速為：

在同一測點測量出一系列頻率fi的Vri值，可以得到 Vr～f曲線，即頻散曲線。Vr～f頻散曲線的變化規(guī)律與地下介質(zhì)條件存在著內(nèi)在的聯(lián)系，通過對頻散曲線的反演解釋，可得到地下某一深度附近的地質(zhì)構(gòu)造情況和不同深度的瑞雷波傳播速度值。

理論研究表明，瑞雷波的穿透深度約為一個波長，即穿透深度與波長成正比，對于某一介質(zhì)來說，穿透深度與頻率成反比，即高頻信號為淺層的反映，低頻信號則反映較深部的地層情況。因此，瑞雷波勘探的實質(zhì)為頻率測深。

1.2 野外工作方法

本次測試野外采集使用的儀器為美國勞雷公司生產(chǎn)的SmartSeisTM12工程地震儀，由于使用多道檢波器接收，首先進行了檢波器道的一致性檢查，在道的一致性檢查合格后，開始進行以下附屬設(shè)備和參數(shù)的選擇。

1.2.1 震源方式的選擇

與淺震相同，需要勘探的深度越大，震源激發(fā)的能量就要越強，激振的頻率越低。本次經(jīng)試驗使用16磅鐵錘錘擊，保證激發(fā)的能量滿足勘探深度的要求。

1.2.2 檢波器的選擇

為了保證勘探深度，本次使用6道4.8Hz低頻檢波器接收，其能更好地對較低的頻率信號進行響應(yīng)，在一定程度上起到壓制高頻信號的作用。

1.2.3 道間距的確定

道間距Δx一般結(jié)合勘探深度確定，勘探深度大，道間距也應(yīng)放大，但不是越大越好，根據(jù)經(jīng)驗一般道間距應(yīng)小于2倍的勘探垂向分辨率。根據(jù)任務(wù)要求，通過試驗，本次選擇Δx為4m。

1.2.4 偏移距的確定

采集數(shù)據(jù)的道間距和道數(shù)確定后，選擇偏移距實際就是選擇面波最佳接收地段，根據(jù)試驗剖面，最好選取反射波和面波已經(jīng)分離的地段進行接收，在高、基階波可能分離的情況下，選取基階面波明顯的接收地段。通過試驗分析，本次選擇的偏移距為4m。

1.2.5 采樣間隔、記錄長度的確定

采樣間隔與勘探深度有關(guān)，在滿足抽樣定理的前提下，一般勘探深度愈小，采樣間隔也愈小，這樣可以增加低頻段的頻道數(shù)，本次勘探采樣間隔為250μs。采樣長度以在時間剖面最后一道開始顯示在記錄長度的1/3～1/2處為宜。

在野外采集時，嚴格把住質(zhì)量關(guān)，首先檢波器與地面垂直插入且與地面緊密耦合，其次錘擊時盡量保持用力均勻、垂直激發(fā)，然后進行2次甚至多次疊加以消除聲波、反射波等的干擾，最后獲得信噪比較高的具有 “掃帚”形狀的能量極強的瑞雷波原始記錄，并將其存盤。

2 資料整理及解釋方法

瞬態(tài)瑞雷波的反演使用的是北京核工業(yè)物化探研究中心開發(fā)的SWS3.1A瑞雷波處理軟件。將存入地震儀的瑞雷波數(shù)據(jù)文件拷貝到裝有該軟件的微機中進行處理，其過程為：裝載文件→監(jiān)視顯示→距離—速度/頻率→波速搜索→深度—速度反演→SWS數(shù)據(jù)文件存盤。即首先裝入野外采集到的瑞雷波數(shù)據(jù)文件，然后顯示和檢查該數(shù)據(jù)文件，接著設(shè)置距離—速度窗口，在時間—空間域提取面波；對面波信號進行二維傅里葉變換；建立頻率—波數(shù)域振幅譜等值線，然后在頻率—波速搜索基階瑞雷波組分的波數(shù)頻散數(shù)據(jù)，通過濾波處理后，對頻散曲線作地層深度—橫波波速的反演。該反演為人機互動式，一般采用拐點法進行速度分層，得到較滿意的結(jié)果后打印并存盤，否則將反復(fù)進行距離—速度窗口的設(shè)定及深度—速度反演，直到滿意為止。

本次反演工作是在對若干鉆孔處的瑞雷波資料進行反演的基礎(chǔ)上展開的，通過對 SBZ2、SBZ4、SBZ6、SBZ8、SBZ10等鉆孔處的瑞雷波數(shù)據(jù)進行反演得出橫波速度Vs（利用瑞雷波與橫波的相關(guān)性：Vr=［0.87+1.12σ/（1+σ）］Vs，σ為介質(zhì)的泊松比，反演過程中已將Vr轉(zhuǎn)化為 Vs，以便對地質(zhì)問題進行評價）與地層巖性的物性參數(shù)如表1。

按照上面提到的解釋過程，得出各測點瞬態(tài)瑞雷波的頻散曲線，參考物性參數(shù)表進行地層劃分。SBZ2孔的鉆探各層厚度與瑞雷波反演解釋的厚度比較如表2。

表1 巖性波速反演成果

表2 SBZ2孔的鉆探與瑞雷波反演比較

從表2可以看到，兩者的分層厚度的相對誤差均小于6%，瑞雷波分層與鉆孔分層很接近，具有較高的精度。

3 資料成果分析

本次瑞雷波勘探的測線共布4條，剖面方向為SW239°，線距150m，點距50m，每條測線長度約2km，剖面編號從北向南依次為縱Ⅰ到縱Ⅳ，每條測線的點號從東以1號點開始編號，如縱Ⅰ剖面的第5個測點為Ⅰ-5，利用瑞雷波處理軟件處理得各測點的頻散曲線，結(jié)合物性參數(shù)對照表得勘探成果表，根據(jù)該成果表繪制瑞雷波勘探剖面圖。

從整個測區(qū)看：其大的地層結(jié)構(gòu)分為三層即土—砂—卵石，局部有一些碎石土的透鏡體，土層即測區(qū)的天然鋪蓋在整個測區(qū)的北東方向即東莊、曲城村附近較厚，最厚可達13.5m，為Ⅰ-13號點；測區(qū)的南西方向土層較薄，最薄的不到2m，為Ⅰ-27號點、Ⅲ-34號點；中間部分的厚度大部分在6～10m，在天然鋪蓋下面分布著一層厚薄不等的砂層，最厚的砂層達10m左右，Ⅰ-22號點、Ⅱ-17號點；最薄的3m左右，Ⅲ-24號點等；在砂層下均為卵石層。

4 結(jié)論與建議

（1）本次瑞雷波勘探達到了預(yù)期的目的，為地質(zhì)、設(shè)計提供了可靠的第一手資料。

（2）庫區(qū)內(nèi)天然鋪蓋的厚度相對較薄，最厚的達13.5m，最薄的2m。

（3）庫區(qū)內(nèi)天然鋪蓋下均有一層具較強滲透性的砂層，而且在砂層下有一層更具滲透性的卵石層，這是在進行水平防滲處理時應(yīng)考慮的關(guān)鍵所在。

（4）本次勘察中，對于10m以內(nèi)的不同巖性的地層分辨率較高，由于當各層速度隨深度增大，中間層厚度小于其頂面埋深時，在頻散曲線上難以發(fā)現(xiàn)該層的存在，這樣就會有一定埋深的某些薄層互層當成一層處理的現(xiàn)象發(fā)生；另外在埋深大于10m的勘探目的層中的低速夾層在頻散曲線上也是很難發(fā)現(xiàn)的。

（5）建議瑞雷波勘探的測區(qū)內(nèi)再布設(shè)若干鉆孔對該成果進行進一步校驗。

［1］楊成林.瑞雷波勘探［M］.北京：地質(zhì)出版社，1993.

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［3］宋先海.瑞雷波勘探理論及其應(yīng)用［M］.北京：水利水電出版社，2010.

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