地震面波,主要包括瑞雷波(Rayleigh waves)和勒夫波(Love waves),具有低速度、低频率、高振幅以及频散(相速度随频率变化)的特点。瑞雷波是由P波和SV波相互干涉形成,它同时具有纵向(振动方向平行于波的传播方向)及横向粒子运动(振动方向垂直于波的传播方向);勒夫波是由SH波的多次反射、折射干涉而形成,它仅包含横向粒子运动。在浅地表地震炮集记录中,高频面波信号占据了浅地表地震波场的主要能量,包含有丰富的地下剪切波(S波)速度信息。通过对高频瑞雷波和勒夫波信号处理和反演,我们可以获取浅地表S波速度结构。面波(包括瑞雷波和勒夫波)多道分析方法(Multichannel Analysis of Surface Waves,MASW;Multichannel Analysis of Love Waves,MALW)是目前最为流行的高频面波分析方法。由于具有无损、高效、高精度、低成本的特点,面波多道分析方法越来越受到浅地表地球物理及地质工程学界的重视。瑞雷波和勒夫波多道分析方法都是基于面波的频散特性,具有相似的数据处理及反演步骤。MASW/MALW方法主要分为三大步骤:1.高频率(≥2 Hz)宽频段瑞雷波/勒夫波的采集,野外勘探的观测系统包括多道地震仪、低频(4.5Hz)检波器、合适的偏移距、道间距以及检波器的排列长度等;2.提取瑞雷波/勒夫波的频散能量,目前常用的有五种方法,包括τ-p变换法、f-k变换法、相移法、倾斜叠加法和高分辨率线性拉东变换法,其中,高分辨率线性拉东变换法是现有方法中精度最高的,且它可以用来对面波频散能量中的基阶与高阶模式波进行分离,可实现数据在时间—空间域和频率—速度域之间的互换;3.反演频散曲线获得横波速度,面波频散曲线的反演问题是一个高度非线性化的多参数多极值的最优化问题,常用的面波频散曲线的反演方法包括最小二乘迭代反演方法和蒙特卡洛随机反演方法,联合反演基阶和高阶模式的面波可以使得反演精度进一步提高。重复上述三个步骤,可以得到一系列的一维横波速度随深度变化曲线,最终拼接这些横波速度曲线可获得拟二维S波速度剖面图。近20年来,国内外有大量关于瑞雷波的研究问世。如层状介质中面波的能量分布,讨论层状介质瑞雷波频散曲线正演计算、频散曲线反演,瑞雷波的数值模拟研究,瑞雷波的绕射和岩洞的探测,地形对瑞雷波传播的影响,瑞雷波波形反演,利用面波的振幅衰减信息获取浅地表品质因子Q,关于微动中面波的研究和应用,以及面波和其他地球物理资料联合反演等。和瑞雷波相比,勒夫波与P波速度无关,这使得勒夫波多道分析方法具有频散能量更为清晰,频散曲线更简单,反演更稳定等诸多优势。利用勒夫波振幅衰减获取浅地表品质因子,反演勒夫波波形获取浅地表横波速度均得到了较好的结果。联合分析利用瑞雷波和勒夫波信息来提高成像精度的潜力巨大。面波勘探作为地震勘探的一个重要分支,越来越多地被应用于解决浅地表地球物理和地质实际问题。(1)地层划分:通过对瑞雷波频散曲线进行定性及定量解释,得到各地层的厚度及弹性波的传播速度。(2)地基加固处理效果评价:通过实测地基加固前后的波速差异得到处理后的地基相对于处理前的物理力学性质的改善程度。(3)岩土力学参数原位测试:通过对实测资料的反演、解释,可以得到岩、土层的S波速度、P波速度及密度等参数。(4)公路、机场跑道质量无损检测:利用人工激发的高频瑞雷波,可以确定路面的抗折、抗压强度及路基的载荷能力,以及各结构层厚度。该方法用于机场跑道及高速公路的另一项意义是实现质量随年代变化的连续监控。(5)饱和砂土层的液化判别:根据一定场地内的饱和砂土层的埋深、地下水位的深浅等地质条件,可以计算出饱和砂土层的液化临界波速值。(6)场地类型划分:通过面积性的瑞雷波探测,再结合微动观测,可以更可靠地划分场地类型,或更大范围的地震区划。(7)油气勘探方面的应用:面波多道分析方法可以为其在浅地表改正等环节中提供准确的浅层地层信息,将浅地表的“毛玻璃”擦干净,从而更清晰地看到地下深处的信息。在以往大量的反射波及折射波数据中,面波一直被视为噪音而存在于那些资料中,我们可以用面波多道分析方法对这些资料进行重新处理,从而获得一些新的信息。(8)其他方面的应用:滑坡调查、堤坝危险性预测、基岩的完整性评价和桩基入土深度探测、地下隧道空洞探测、水文调查、考古调查、军事调查等等。浅地表介质是地球最复杂、最敏感和最脆弱的部分,与人类的生产和生活息息相关。浅地表介质具有极端不均匀性,并进行着快速和复杂的物理和/或化学性质变化。如何精确刻画复杂浅地表地质结构并获取其波速信息是目前高频面波分析方法的研究重点和前沿。传统的面波分析方法实际上是一维的方法,这是因为反演频散曲线获取横波速度是基于水平层状介质假设的。在实际环境中,这种方法通常忽略介质的横向变化,从而得到地下介质的简化模型。然而,介质的横向变化会引起反演所得横波速度的扰动,因此,这种一维的方法仍然被用于探测并恢复介质的二维横向变化。换句话说,面波分析方法的数据处理和反演是一维的,但在最终的解释中可以恢复介质的二维横向变化。在这种情况下,评价面波多道分析方法的水平分辨能力具有极其重要的意义。目前,面波多道分析方法大多用于一维和二维地下结构探测,如果能够联合利用瑞雷波和勒夫波多道分析方法确定浅地表三维横波速度结构并评价介质参数,则可以极大地推动高频面波方法理论和应用研究的发展,对于实现浅地表复杂介质高精度探测具有重要意义。复杂的浅地表介质使得面波各模式之间相互接触,面波频散能量更加复杂。当地下介质存在低速夹层时,面波频散能量出现“跳跃”现象,即随着频率的增高,频散能量从基阶向高阶跳跃,并在高频部分趋向于较高的相速度。前人针对面波在低速夹层中的传播特性以及反演存在的问题做了大量研究。这些研究是基于:当理论计算的频散曲线与波动方程数值模拟的频散能量不能一一对应时,人们认为是频散曲线正演出了问题,通过改进频散曲线正演方法使其结果可以与频散能量一一对应。然而,理论计算的频散曲线与波动方程数值模拟的频散能量不能一一对应以及引起频散能量不连续分布的本质原因尚未被解释清楚。上述关于瑞雷波的研究中,大多基于垂向检波器接收的瑞雷波。瑞雷波不仅具有垂向分量,同时具有径向分量。在某些情况下,瑞雷波径向分量可以提供更多的地下介质信息,联合利用瑞雷波水平和垂向分量可以提高横波速度的勘探精度。瑞雷波的水平-垂向振幅谱比(Horizontal-to-Vertical Spectral Ratio,HVSR,又称H/V谱比,与瑞雷波的椭圆极化率相联系)对地下介质层界面更加敏感,联合分析瑞雷波的频散特性及H/V谱比可以获取更准确的地下介质信息。浅层面波勘探方法正在从较低的分辨率向高分辨率,简单的一维水平层状介质向复杂的三维非层状介质,单一分量的面波勘探向多分量面波勘探,单一的属性反演向多属性联合反演的方向发展。目前,三维面波多道分析方法仅限于理论研究,利用面波勘探获取地下三维剪切波速度结构的实例并不多见。多分量面波联合分析的优势并未得到充分发挥。本文在前人的研究基础之上,对复杂浅地表弹性介质环境中面波分析方法进行理论和应用研究,评价解释复杂地质环境下的面波勘探特性,发展多分量面波分析方法,提高浅层勘探的探测精度(空间分辨率)及反演结果的可靠性,从而指导实际浅层勘探,为复杂浅地表地质条件下面波勘探提供理论基础和技术指导。本文主要研究内容包括:(1)首次在水文地球物理试验场地(Boise Hydrogeophysical Research Site,BHRS)同时采集了三维瑞雷波和勒夫波数据,获取了浅地表三维米级横波速度结构,精确勾绘了地下低速异常区(沙通道)的边界,并与测井和探地雷达(GPR)结果进行对比,通过瑞雷波和勒夫波反演结果的对比,确定了浅地表径向各向异性的存在,该研究是利用瑞雷波和勒夫波多道分析方法获取浅地表三维横波速度结构和各向异性信息的先例。(2)定量分析确定了面波多道分析方法的水平分辨率,这是利用面波多道分析方法探测二维横向异常体的前提。本文给出了利用数值模拟方法评价面波多道分析方法水平分辨率的一般步骤,并根据影响水平分辨率的不同因素,对不同的二维含异常体模型进行了数值实验,通过比较拟二维横波速度剖面中异常体的恢复情况,评价其水平分辨能力,并通过两个实例对结果进行了验证。(3)深刻分析了含低速夹层模型中瑞雷波和勒夫波频散能量特点,通过低速层导波特性解释频散能量跳跃现象,比较了不同频散曲线正演方法所得理论频散曲线与波动方程数值模拟所得频散能量的差异,从本质上解释了低速夹层模型频散能量与理论频散曲线不能一一对应的问题,分析了基于不同低速层模型导致的低速层导波对瑞雷波和勒夫波模式识别不同程度的干扰。(4)基于对低速层频散能量特点的分析,本文利用基于频散方程的矩阵行列式目标函数(不需要模式识别,可避免模式误判)对多模式瑞雷波和勒夫波频散曲线进行反演,准确获取了低速层信息。通过两个理论模型和两个实例证实了该方法反演瑞雷波和勒夫波获取浅地表低速层模型的有效性。(5)提出了联合反演瑞雷波和勒夫波频散曲线获取浅地表横波速度和径向各向异性信息。该方法不仅可以综合利用瑞雷波和勒夫波的优势,而且考虑了实际介质中瑞雷波所得Vsv与勒夫波所得Vsh存在差异的情况,本文引入了一个径向各向异性参数,将Vsv和Vsh联系起来,并在反演过程中对它们进行约束。(6)提出了从主动源地震垂向和径向分量记录中计算瑞雷波的H/V谱比,将被动源中的H/V谱比法推广到主动源地震勘探中。本文指出从主动源地震记录中直接计算瑞雷波的H/V谱比是不可行的,证实了通过模式分离计算瑞雷波的H/V谱比的可行性,并在强速度差异模型和非层状模型中进行了测试,讨论了瑞雷波的H/V谱比曲线峰值频率和低谷频率与模型参数的相关性。本文研究得出如下结论:(1)利用瑞雷波和勒夫波多道分析方法可以精确获取浅地表三维横波速度结构以及各向异性信息。在水文地球物理试验场地的测试结果表明,面波多道分析方法所获取的横波速度与测井结果基本一致,对于速度突变的层界面,面波结果相比于测井结果提供了一个较平滑的速度模型。面波所确定的低速区域边界与探地雷达结果高度一致。瑞雷波与勒夫波多道分析方法获取的横波速度相差15%左右,表明该区域介质的正的径向各向异性特性(Vsh>Vsv)。(2)面波多道分析方法水平分辨率随深度的增加而降低,近似为可探测该深度的瑞雷波最小波长的一半。拟二维横波速度剖面中的异常体速度值受多种因素的影响,如果异常体的水平长度小于检波器排列长度,则拟二维横波速度剖面中不能完全恢复异常体的真实速度。(3)低速夹层模型中会产生低速层导波,在频散能量图中,低速层导波会干扰正常的瑞雷波和勒夫波。低速层导波的每一阶在高频部分会缺失能量,使得频散能量发生“跳跃”现象,这是由于低速层导波的短波长成分不能传播到地表造成的。如果低速层的横波速度比表层高,则低速层导波只污染常规面波的高阶能量,不会与基阶面波交叉;如果低速层的横波速度比表层低,低速层导波能量会与基阶面波交织在一起。这两种情况都会引起面波的模式误判。(4)利用矩阵行列式目标函数,避免模式识别和误判,可以实现低速层面波频散曲线的反演,并准确获得低速层信息。对瑞雷波进行反演时,需要选择合理的模型边界。由于勒夫波目标函数的特殊性,使得其反演更不依赖于初始模型。(5)联合反演瑞雷波和勒夫波频散曲线不仅可以结合瑞雷波和勒夫波各自的优势,而且可以同时获取横波速度和径向各向异性信息。联合反演提供了更好的约束,其结果比各自单独反演更精确。(6)从主动源地震记录中计算H/V谱比是可行的,但必须先进行面波模式分离,模式分离依赖于在频散能量图中准确识别各阶能量。当模型中存在强速度差异分界面时,会出现模式接吻,但模式接吻不影响H/V谱比曲线的低谷。该方法对于横向变化的非层状模型同样适用,所计算的H/V谱比含有地下介质横向变化的信息。H/V谱比的峰值和低谷频率对模型参数非常敏感,用于探测和重建浅地表二维结构的潜力巨大。本文整体结构如下:引言部分主要介绍高频面波方法的发展历程,基本原理、方法,应用领域,以及存在的问题,从而引出本文的研究内容。第一章首先展示了博伊西水文地球物理试验场地的三维试验,简要介绍了该试验场地进行瑞雷波和勒夫波三维试验的优势,数据采集过程,详细阐述了该三维试验的数据处理结果以及与测井和探地雷达结果的对比,讨论了瑞雷波与勒夫波以及测井所得横波速度的差异性。第二章讨论了面波多道分析方法的水平分辨率问题,首先给出了利用数值模拟手段研究其水平分辨率的一般步骤,然后分别对影响二维异常体成像精度的检波器排列长度、异常体水平长度、异常体厚度、异常体埋深、异常体与围岩的速度差异、多个异常体情况以及低速异常体模型进行数值模拟实验,分析评价其水平分辨能力与上述影响因素的关系,并通过两个实际例子加以说明,讨论了各影响因素与面波多道分析方法水平分辨率的内在联系。第三章针对低速夹层模型进行讨论,首先通过三个模型数值模拟结果的频散能量对比给出了低速夹层模型情况下瑞雷波和勒夫波频散能量特点,然后引入低速层导波,通过波场快照和理论频散曲线对比证实了低速夹层模型中低速层导波的存在,分析了低速层导波的特点,解释了频散能量“跳跃”现象的本质原因,并通过三个模型展示了由低速层导波引起的正常的瑞雷波和勒夫波的模式误判。第四章紧接第三章讨论低速夹层模型的瑞雷波和勒夫波频散曲线反演问题,由于低速层导波的存在会引起瑞雷波和勒夫波频散曲线的模式误判,本章首先介绍了频散方程矩阵行列式目标函数以及利用该目标函数可以不用区分各阶频散曲线,从而避免模式误判的基本原理,然后通过两个理论的低速夹层模型验证该反演方法的有效性,最后展示了两个应用实例,并将反演结果与钻孔资料进行对比。第五章讨论瑞雷波和勒夫波联合反演的问题,首先引入径向各向异性系数,给出联合反演的目标函数以及本文使用的反演方法,然后通过两个各向同性、两个各向异性的理论模型验证了该联合反演方法的有效性,对比展示了瑞雷波和勒夫波联合反演的优势,最后展示了一个应用实例,并将反演结果与测井结果对比。第六章引入瑞雷波的径向分量,讨论主动源瑞雷波H/V的计算问题,首先通过一个理论模型展示了直接计算瑞雷波H/V存在的问题,然后讨论了通过模式分离计算H/V的可行性,并讨论了强速度差异模型和二维横向不连续模型情况下的H/V计算,最后讨论了H/V曲线峰值频率和低谷频率与模型参数之间的相关性。第七章对全文进行总结。