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user: 4. 面波勘探技术国内外发展历程及现状 4.1. 主动源面波 4.1.1. 国外发展历程及现状 主动源面波最早的应用是稳态法，60年代由美国人提出，并将此方法应用于地基勘察。上世纪80年代，日本经过多年的研究试验，发明了GR-810佐藤式全自动地下勘探机，其原理就是基于稳态面波勘探的方法，但由于仪器极为笨重，不利于搬运，因而限制了其使用范围。到了80年代中期，英国人成功研制了轻便灵活的GDS连续表面波系统，为稳态面波法勘探提供了较好的设备支撑 [ 43 ]。进入90年代以后，由于稳态面波勘探自身的不足，瞬态勘探应运而生，最早应用的瞬态方法是表面波谱方法，由Stokoe提出，他通过试验并利用2个检波器之间波的相位关系求得了面波的相速度 [ 25 ]。同年，Nazarian S等用SASW法对高速公路路面及路基进行了探测，为瞬态面波在工程中的应用奠定了基础 [ 26 ] [ 27 ]。但是此方法由于检波器的数量较少，使得干扰波较多，给后期的处理带来一定的麻烦。20世纪90年代初，多道瞬态瑞雷面波勘探由美国堪萨斯大学提出并开始应用，相对于表面波谱法，它能很好地将噪声压制，目前此方法也是主动源面波勘探最常用的方法之一，广泛应用于工程的各个领域。如：Yilmaz等利用多道瑞雷面波勘探技术反演得到土耳其Izmit市浅层横波速度(图4)，并且利用横波速度对此地区进行了地震区划划分 [ 44 ]。Beaty等利用多道瞬态瑞雷面波勘探方法，对加拿大Alberta Edmonton大学周边的地区进行了二维横波速度勘探，并研究了不同方法对提取频散曲线的影响 [ 45 ]。Ivanov等利用美国亚利桑那州一个沙漠采集到的数据，进行面波和折射波联合分析，利用面波反演得到的速度信息约束折射波的走时，可以降低多解性问题，为工程勘探提供可靠的参数支持 [ 46 ]。伴随着多道瞬态面波勘探方法的日趋成熟，一些提取频散曲线的方法也在实际应用中得到了验证及改进，如：Gabriesls提出频率波数法以后，用于提取多模态的面波频散曲线，并得到了较好的勘探效果 [ 47 ]。Park等提出的相移法是在频率波数法上进行改进，不同之处在于直接利用了空间相位信息来计算相速度，在实际工程应用中提高了计算效率 [ 33 ]。此外还有 τ - p 法、倾斜叠加法等不同频散曲线提取方法在实际的应用研究中被提出 [ 12 ]，这些处理技术的出现及提升，推动了面波勘探技术向着解决更加复杂地质问题、提高勘探精度的方向发展。 图4. 土耳其Izmit市浅层S波速度与P波速度对比(Yilmaz et al.， 2006) 4.1.2. 国内发展历程及现状 我国工程界在上世纪70年代初开始对稳态面波进行测试试验研究，由于当时的技术条件不太成熟，无法对地基土进行分层，因此，对这种方法的研究沉寂了一段时间 [ 48 ]。到了80年代后期，稳态面波法试验研究在我国悄然兴起，杨成林等研制了一套稳态瑞雷波勘探系统，并将其应用在岩土工程勘察和地基地层划分 [ 3 ]。此后，各个研究院及高校均开展了应用开发研究。由于稳态法自身的限制，到了90年代初，我国开始对瞬态面波勘探中的表面波谱法进行试验研究。如：任青文等对表面波谱方法的基本原理进行了讨论，并且对此方法的应用前景进行了评价 [ 49 ]。浙江大学陈云敏等利用表面波谱方法检测了公路结构层的刚度，判断了设计施工是否满足要求 [ 50 ]。赵占竹等用表面波谱分析方法评价了地基下的暗塘，并得到了钻井较好的验证 [ 51 ]。虽然此方法90年代在工程上应用较多，但是由于数据采集一直沿用2个垂直分量检波器接收，道数较少，干扰波相对较多，使勘探精度及深度受到了限制。到了21世纪初，表面波谱法在工程中的应用逐渐减少，多道瞬态面波勘探应用逐渐增多。我国刘云祯和王振东是最早对多道瞬态瑞雷面波勘探法研究及应用的学者，并成功研制出SWS瞬态面波勘探仪，此仪器对推动我国瞬态面波勘探技术的发展及应用起到了至关重要的作用。借助SWS瞬态面波勘探仪，任健等对山西某引水工程进行了第四季地层划分及寻找基岩面的研究，探测到基岩面风化线的位置剖面，分辨率较高，并且得到了钻井资料的验证 [ 52 ]。向晓松等利用多道瞬态瑞雷面波勘探技术，对北京通州某建筑场地液化程度进行判别，并且通过面波速度计算标准贯入锤击数，达到定量评价地基液化状况和处理效果的目的 [ 53 ]。张淑婷等利用多道瞬态面波勘探技术，并采用频率波数法对余山水库坝体基底面进行了探测(图5)，划分了坝基底部风化层和含水层的位置 [ 54 ]，为后面的施工处理提供较好的参数支持。 图5. 余山水库坝基面波勘探剖面图(张淑婷等，2013) 多道瞬态瑞雷面波勘探技术除了以上在不同工程领域的应用之外，近些年我国对各种处理方法的应用及改进也做了很多的研究。如：李欣欣等对能谱上的振幅值求n次幂，增强了次峰的振幅，提高了F-K法对高阶面波的分辨能力 [ 55 ] (图6)。伍敦仕等将传统的频率–波数域波数形式改造成频率-速度域形式，然后引入多重信号分类算法将空间谱相关矩阵分解为信号子空间和噪声子空间两个部分，最后利用噪声子空间部分生成最终的面波频散图像，通过理论数据原始数据的对比分析，可以得到较高精度的相速度图像 [ 56 ]。同年，伍敦仕等根据传统的相移法提出一种新的方法-互相关相移法，该方法通过将互相关引入，提高了面波成像质量 [ 57 ]。宋先海等对 τ - p 法进行了改进，相对于传统的 τ - p 法，改进后的 τ - p 法对于提取瞬态瑞雷波频散曲线具有失真小、可靠性高、压制假频和端点效应好等优点 [ 58 ]。伴随着不同方法的改进及优化，并且有实际工程钻井资料的验证，经过这些年的发展，使得多道瞬态瑞雷面波有了一套较为成熟的勘探系统，为我国工程勘探领域做出了巨大的贡献。 图6. 传统F-K法(a)与改进F-K法(b)在实际单炮能量图中的对比(李欣欣等，2017) 4.2. 被动源面波 4.2.1. 国外发展历程及现状 被动源面波勘探除了采集方式与主动源方法不同以外，其处理流程与主动源基本一致 [ 59 ] [ 60 ]。被动源方法最早由Aki提出，并在之后做了系统的研究。上世纪60年代，利用被动源面波反演地壳或上地幔横波速度结构的理论方法被提出，并在之后的研究中得到广泛应用，如：Forsyth等利用单台法中76条路径所得到的面波群速度和相速度，研究太平洋东部地区洋壳的演化史 [ 61 ]。Wiggis等通过研究面波与地球自由震荡的一般线性反演问题时，发现只利用瑞雷波或勒夫波的一种时几乎不能得到关于地球密度结构的信息，除非两者同时利用 [ 62 ]。Burkhard等研究了面波反演与上地幔密度的关系，发现上地幔的密度很难确定，并且对面波的反演影响很大 [ 63 ]。松岛健等利用长周期面波对日本的石狩平野及十胜平野地区进行S波速度反演，推断了深层地基构造特点 [ 64 ]。被动源面波的研究在国外一直就没有间断过，到了90年代开始用于浅层勘探，特别是日本，较早的就开展了利用天然源面波探测阪神地区浅地表结构的研究，并在之后的工程勘查中取得了较好的勘探效果。进入21世纪以后，被动源面波勘探技术已经相当的成熟，并广泛应用于浅地表工程勘探，如：Hiroshi等利用HV法对三分量微动记录资料进行反演，得到浅地表的S波速度结构后，与测井资料进行对比，其误差小于0.1 km/s [ 65 ]。Scherbaum等利用单台和台阵采集的微动资料测定了德国Cologne市附近的浅部横波速度剖面 [ 66 ]。Estrella等用通过空间自相关法对微动数据进行处理，反演得到了墨西哥城一所大学场址2 km深度范围内的浅层速度结构，与F-K方法探测的结果基本一致 [ 67 ]。Javad等通过对不同环境噪声与地面震动所产生的被动源面波研究，发现被动源实测结果和主动源勘探结果有很大的相关性 [ 68 ] (图7)。目前，被动源面波勘探在工程的安全评价、施工规范设计中发挥了不可替代的作用，它突破了源的限制，使得在嘈杂的城市环境中也能发挥较好的勘探效果，不会受到其他噪音的干扰，让城市勘探变得更加容易。 图7. 主动源与被动源面波反演对比图(Javad et al.， 2018) 4.2.2. 国内发展历程及现状 我国对被动源面波的研究也相对较早，20世纪60年代初，宋仲和等就利用了面波的群速度对我国的地壳厚度进行研究 [ 69 ]，之后石耀林等利用勒夫波频散曲线反演地壳结构 [ 70 ]，以及现在赵建忠等利用背景噪声成像技术反演南壳幔结构的研究，利用被动源面波对地球结构的研究就从来没有间断过 [ 71 ]。在20世纪90年代初，我国开始对被动源面波勘探技术进行研究，并且当时在工程上也有了一些成功的应用，如对北京某地区地热探井进行了地层层位预测 [ 72 ]。进入21世纪以后，由于主动源炸药震源的限制，近几年国内对被动源方法的应用在逐渐增多，如：刘宏岳等利用微动技术探测了福州地铁一号线地下孤石的分布情况，为前期的施工准备提供了数据支撑 [ 73 ]。李翀等利用被动源面波勘探的方法对南昌某研究区进行了地层的划分，并结合相关资料推测了古河道的大体位置 [ 74 ]。赵东等利用被动源空间自相关方法调查了煤炭采工区，并通过反演的横波速度划分低速区，精确地得到了采空区的位置 [ 38 ]。丰赟等利用被动源与主动源面波联合勘探技术，对西南某水电站坝址场地进行反演，得到横波速度并根据不同岩层与速度的对应关系进行地质分层 [ 75 ] (图8)。我国被动源面波勘探不仅工程上有成功的应用，在硬件设施的研究以及方法技术的改进中都有了一些突破。如：刘云祯团队经过几年的软硬件开发及程序的调试，研究开发出一套具有自主产权的天然源智能采集系统-WD智能勘探仪，目前在很多勘探领域推广及应用，并得到了钻井资料的验证 [ 72 ]。程浩等改进了传统的被动源数据稀疏反演一次波估计问题的求解方法，将被动源稀疏反演一次波估计求解问题转化为双凸L1范数约束的最优化求解问题，使得成像质量得到改善，反演结果更加可靠 [ 76 ]。李欣欣等通过改进F-K方法，提高了频散曲线的频带宽度，并且增加了对高阶面波拾取的精度 [ 55 ]。于东凯等通过改进蜂群算法，提高了在迭代过程中快速收敛到全局最优解的速度，使得反演的结果更加可靠 [ 77 ]。近几年来利用微动台阵观测技术测定地层速度结构已成为我国地球物理勘探研究热点之一，相关的研究成果也不断涌现 [ 78 ] [ 79 ]，给工程勘探带来了巨大的效益。 图8. 横波速度剖面图(丰赟等，2018) 4.3. 主动及被动源面波勘探国内外的继承性及差异性 4.3.1. 继承性 国内面波勘探技术很多延续并利用了国外的技术及方法。1) 在主动源面波勘探方面，我国继承了国外面波勘探发展过程中从稳态到瞬态，从表面波谱法发展到多道瞬态的过程。稳态面波技术在国外发展十年左右之后，我国开始引进稳态面波勘探技术，在原来的基础上研究了一套稳态面波勘探系统，并广泛应用于浅地表土层划分。到了20世纪90年代，伴随着瞬态表面波法的兴起，我国开始对瞬态面波勘探中的表面波谱法进行试验研究，并将此方法应用于公路、地基等地下结构探测。在多道瞬态面波勘探技术兴起以后，多种提取面波频散曲线的方法被提出，包括频率波束法、相移法、 τ - p 法等，后来这些方法逐渐被国内引入，并且部分方法在此基础上进行了改进，如李欣欣改进了频率波束法，提高了高阶面波的分辨率。2) 被动源面波的研究国内外起步时间差不多，主要依据的是Aki的理论。和国外的研究过程相似，我国最早利用面波研究壳幔结构。到90年代以后，我国开始利用被动源面波研究浅地表结构并用于工程勘探，研究开发出一套具有自主产权的天然源智能采集系统。 4.3.2. 差异性 国内外对于面波勘探的研究虽然顺序基本是一样的，但仍然存在较多的差异。1) 国内对于面波的研究普遍比国外要晚，很多理论方法大多是在国外被提出，然后被引进国内，经过实践应用，不断的完善并达到勘探以及科研的目的。2) 在目前应用较多的主动源多道瞬态面波勘探技术中，国内外的研究基本上是同时起步的，但处理方法却不一样。国外以美国堪萨斯大学为首，并提出相移法，研究出一套自己的多道瞬态瑞雷面波勘探系统。而我国则以刘云祯和王振东学者为首，研制出SWS多道瞬态面波采集系统，广泛应用于工程勘探。3) 在主动源面波频散曲线的提取方法中，我国相对于国外做出了很多改进，大大提高了频散曲线的提取精度，并且对于高阶面波的提取精度也有较大的改善。4) 国内外对于被动源面波的研究起步基本相同，但是相对于国外而言，我国大多是利用被动源面波研究地壳结构，对于浅地表地层结构的探测应用较少，近几年随着仪器灵敏度、精度等方面的提高，利用被动源面波进行浅地表勘探已经在工程上得到成功的应用并推广开来。