地震仪

⾯波勘探全能王：Sigma4+地震仪

概述

本⽂重点介绍瑞雷⾯波的勘探⽅法及应⽤领域。⽂中⾸先介绍了⾯波勘探的基本流程、⼏种常见的⾯波勘探⽅法，以及

在不同领域的应⽤，最后介绍了美国SeismicSource公司的Sigma4+地震仪，该产品在⾯波勘探领域具有良好的普适

性。

随着⼯程建设场地复杂程度以及施⼯难度的提⾼，岩⼟⼯程的施⼯与设计对地下层位的厚度、横波速度、岩⽯物理学参

数提出了更⾼的精度要求。

⾯波勘探技术具有探测精度⾼、⼟层划分较精细、⼲扰⼩、成本低等特点，近⼏⼗年发展迅速，并⼴泛应⽤于浅地表勘

查。

⼀⾯波勘探的主要技术⽅法

⾯波勘探的研究始于上世纪60年代。经过⼏⼗年的发展，⾯波勘探技术和处理⽅法已经相当成熟。主动源⾯波勘探由稳

态发展到瞬态，再由瞬态的表⾯波谱⽅法发展到多道瞬态⾯波勘探⽅法，勘探精度及勘探效率也在逐渐提⾼，应⽤的领

域也越来越⼴泛。

与主动源不同，被动源⽅法在⼯程应⽤⽅⾯起步较晚，但发展速度较快，⽅法也越来越成熟，包括空间⾃相关法、频率

波数法、HV谱⽐法等。

1.1主动源⾯波勘探⽅法

1.1.1稳态⾯波法

稳态⾯波的应⽤相对较早，它主要是通过激振器发出某⼀频率的正弦波，然后使接收点的距离等于激发频率对应的波

长，此时⽰波器将显⽰相同相位的波形。将检波器移动到n倍波长时，n个测点连成的时距曲线的斜率就是对应频率的⾯

波速度。通过激发不同频率的信号，然后将这⼀系列频散点连接起来即为频散曲线。在得到频散曲线后，根据瑞雷波与

剪切波的速度关系，以及⾯波反演中的半波长法，就可以得到⼆维横波速度剖⾯。该⽅法由于采⽤的是经验法得到的横

波速度结构，因此存在⼀定的误差。由于稳态⾯波法设备笨重，在地形复杂地区很难操作，给施⼯带来⼀定的⿇烦，后

来这种⽅法的应⽤逐渐减少。

1.1.2表⾯波谱分析⽅法(SASW)

表⾯波谱分析法通过震源激发地震波信号以后，将会产⽣⼀较宽频带的信号，然后利⽤两个检波器进⾏接收，并根据两

个检波器的距离以及单⼀频率的相位差，可求得此频率的相速度，进⽽得到频散曲线。SASW⽅法可以同时检测多层介

质中各层的厚度及速度，测量速度快，精度相对较⾼。但由于⼯区噪声、信号衰减、以及空间假频和近场效应的影响，

⼀般测得的数据频带范围⼴。为了提⾼频带的分辨率，实际数据采集过程中，要调整近源检波器与源的距离，使其和道

间距相等。表⾯波谱法相对于稳态法⽽⾔，施⼯简便，更能适应地形的复杂多变，但是由于⼀直沿⽤2个垂直分量检波

器接收，道数较少，在⼲扰波复杂的地区很难达到较好的勘探效果。

1.1.3频率波数法(F-K)

频率波数法是通过⼆维傅⾥叶变换将频率空间域的信号转化成频率波数域，然后得到⼀个炮集记录的能量分布情况，再

根据振幅能量最⼤的特点提取频散曲线。但传统的频率波数法存在⼀定的缺陷，对⾼阶的能量分⽐率较差，进⼊21世

纪以后，在传统⽅法的基础上对其进⾏了改进优化：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，⼤⼤提⾼了精度。经过改进后的频率波束法，可以提⾼⾼阶⾯波的分辨率，但是由于对于检波器的要求⽐

较⾼，采集过程中检波器必须沿着测线等间距分布，中间不能有空道，否则就会影响其成像精度。

1.1.4τ-p法

τ-p法是⼀种离散化的线性拉东变换。它将时间和空间域的地震数据按照不同的截距时间τ和斜率p作切割线，然后倾斜

τ-p法是⼀种离散化的线性拉东变换。它将时间和空间域的地震数据按照不同的截距时间τ和斜率p作切割线，然后倾斜

叠加投影到τ-p域，接着进⾏⼀维傅⾥叶变换，将τ-p域结果映射到f-p域，再根据速度与慢度的关系，将f-p域的结果

映射到f-v域，就可以看到⾯波能量的频散现象，并根据能量团最⼤的特点提取频散曲线。

τ-p法对⾯波⾼阶的分辨率较⾼，并且经过改进之后，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。

1.1.5相移法

该⽅法可以说是频率波数法的改进，它的不同在于未变换到波数域⽽直接利⽤了空间相位信息来计算相速度。具体做法

是把变换到频率域后的⾯波记录表⽰成振幅与相位的乘积，然后将振幅项进⾏归⼀化处理，此时会形成单炮的频散能量

图，依据能谱提取频散曲线。相移法对基阶⾯波频散曲线的提取效果较好，并且经过伍敦仕改进之后的互相关相移法，

提⾼了常规相移法在⾯波频散成像⽅⾯的品质，更加能适应对基阶⾯波的分辨。

1.1.6倾斜叠加法

倾斜叠加法只和偏移距有关，与检波器的排列⽅式⽆关，该⽅法利⽤频率扫描函数与炮集记录进⾏卷积将频率分解，把

时间变为频率，接着⽤倾斜叠加的⽅式得到每个速度的叠加能量值，使瑞雷波频散曲线的精度得到较⼤幅度的提⾼。倾

斜叠加法为三维⾯波勘探的理论打下了基础，未来更加能够适应三维⾯波勘探任务。

1.2被动源⾯波勘探⽅法

1.2.1空间⾃相关法(SPAC)

空间⾃相关法关键在于计算⾃相关系数，然后根据系数计算相速度，⽬前主要分为时域计算和频域计算两种⽅式。时域

计算⾸先是将连续记录的数据进⾏截取，分成若⼲的道集记录；然后对每⼀道数据进⾏窄带滤波，计算不同频率时圆⼼

与圆周上各点的空间⾃相关系数，并且进⾏⽅位平均；最后使⽤不同观测半径的⾃相关系数计算相速度。频率域的计算

过程是去掉了窄带滤波这个过程，只进⾏⼀次傅⾥叶变换就可以在时域⾥进⾏计算，⼤⼤提⾼了计算效率。SPAC⽅法

只需较少的接收点就能反映较宽的频率范围，特别是对低频段的信息分辨率较⾼，但很难分辨⾼阶⾯波。

1.2.2频率波数法(F-K)

F-K法相对于传统SPAC法，台阵布设⽐较灵活，⼗字型、L型、圆形等都可以。传统的频率波数法是利⽤中⼼频率不同

的窄带滤波器，提取相似性较好的各数据段中不同频率的F-K功率谱，根据功率谱上最⼤的峰值坐标，计算得到不同频

率的相速度值。由于被动源波场⼀般都⽐较复杂，F-K频谱上经常会出现多个峰值，使得分辨率降低，给提取频散曲线

带来⼀定的困难。后来在此基础上对传统的⽅法进⾏了改进，主要是将各个⽅向上的F-K频散谱叠加，然后在叠加后的

频散谱上提取频散曲线。具体的做法是将连续记录的数据截取成记录长度⼀样的道集记录，然后经过⼆维波场变换⽣成

频散谱，再将所有⽅向上的频散谱叠加合成新的频散谱。F-K法能分辨⾼阶⾯波，但采集过程中需要较多的接收点，⽽

且当信号源来⾃各个⽅向时，分辨率会显著降低。

1.2.3HV谱⽐法(HVSR)

HVSR法主要是在⾃相关分析的基础上，计算同⼀观测点⽔平分量和垂直分量的谱⽐，并依据谱⽐估算地下横波速度特

征，同时可以根据谱⽐峰值对应的卓越频率推测地层地下构造，是⼀有效的半定量的地震场地评价⽅法。HV谱⽐法相

对于其他⽅法，采集相对⽅便，能适应各种的地形，但是不能完全定量的反演地下横波速度结构，⽬前国内外的应⽤还

⽐较少，⼤多⽤在区域地质构造调查中。

⼆⾯波勘探的基本流程

⾯波勘探主要是应⽤其频散特性，即在均匀⽔平层状介质中，其速度会随着频率变化，频率越低，传播的速度就会受到

越深的地层介质的影响。其基本流程包括三⽅⾯(如图1)：通过野外观测获得不同频率的⾯波数据；再利⽤⼀定的处理⽅

法提取频散曲线；最后经过反演⽅法获得⼆维横波速度结构，从⽽得到不同深度的介质属性。

2.1⾯波数据采集

原始数据采集时要根据勘探深度及⽬的来设定，主动源⾯波勘探主要以线型为主(如图2)，道间距要⼩于最⼩勘探深度；

偏移距⼀般根据地层波速来设定；最⼤源检距采集到的⾯波要保证能被记录到；最佳激振⽅式(锤击、炸药)要根据勘探

深度和薄层厚度来确定。⽽被动源数据采集⼀般要布设台阵(如图3)，台间距的1~5倍为有效探测深度（此处不同⽂献描

深度和薄层厚度来确定。⽽被动源数据采集⼀般要布设台阵(如图3)，台间距的1~5倍为有效探测深度（此处不同⽂献描

述各不相同，仅做参考）。同时，台阵有⽅向选择性，对于平⾏于排列⽅向的波的分辨⼒最好，因此⽬前圆形台阵与三

⾓形台阵在实际应⽤中⽐较常见。

#图1⾯波勘探基本流程

#图2主动源⾯波数据采集⽰意图

#图3空间⾃相关法台阵布设

2.2频散曲线提取

频散曲线的提取是⾯波勘探最关键的⼀步，其精度的⾼低将直接影响后⾯的反演。⽬前主动源⾯波频散曲线提取的⽅法

⽐较多，但每⼀种⽅法有⾃⼰的优缺点，⽐如τ-p法对⾼阶模态的提取效果较好，⽽相移法对基阶模态的提取效果较

好，实际应⽤中两者可以优势互补。F-K法对⾼阶⾯波敏感程度更⾼。倾斜叠加法可为三维⾯波勘探提供⽅法技术⽀

持。⾼分辨率线性拉东变换可以降低噪声模型的数据限制，提⾼能量谱的分辨率。被动源⾯波中SPAC法应⽤的较多，

这主要是因为它对低频段信息分辨率⾼，⽽且频率范围宽；F-K法能够区分⾼阶⾯波，但要求的接收点较多，⽽且当信

号源来⾃各个⽅向时，分辨率会显著降低。HV谱⽐法采集相对⽅便，能适应各种的地形，但不能完全定量的反演地下

横波速度结构。

2.3横波速度反演

最早⾯波反演⽤的是半波长经验法，这种⽅法算出的结果⼀般误差较⼤，后来发展为通过建⽴正演模型不断进⾏拟合，

调整与实际频散曲线的误差，得出反演结果的⽅式。随着近些年最优化理论的发展，⽬前反演⽅法主要分为最⼩⼆程法

和全局搜索算法，前者对初始模型要求⽐较⾼，后者较低，但收敛速度会变慢。实际应⽤时应根据⼯区的地质情况和勘

探⽬的，合理的选择反演⽅法。

三Sigma4+地震仪

Sigma系列地震仪是SeismicSource公司出品的性能极为优越的⽆线连续记录地震系统，该系列最新型号Sigma4+可在

⽆需任何数字传输电缆的情况下，可完美地实现传统设备所有功能，包括震源控制系统、灵活的数据采集系统、GPS时

间同步系统、远程控制系统、数据记录质量检查系统、以及地震数据收集功能。

Sigma4+地震仪

Sigma4+地震仪

Sigma4+地震仪包括3通道和4通道两种型号，可选外接任意主频检波器或内置2Hz主频检波器，多台设备可组合扩展⾄

数百个通道，该设备轻便⼩巧，坚固耐⽤，通过连接不同主频检波器，可完美兼容所有的⾯波勘测⽅法，其⽆线设备特

性可不受地形约束展开阵列，灵活开展测量。

应⽤领域

•油⽓勘测

•诱发地震监测

•地质岩⼟⼯程

•振动/声学监测

•地震监测

解决⽅案

•油⽓勘测⽤户：反射波法

•诱发地震监测⽤户：长期/短期监测、地⾯测量-井中监测、地⾯测量-注⼊监测（⽔⼒压裂、废液注⼊/处理）

•地⾯测量：矿井挖掘监测

•⼯程地震⽤户：反射波法、折射波法、MASW、RiMi、SPAC、HVSR

•振动/声学监测⽤户：有⼈值守/⽆⼈值守监测、速度/加速度监测、强震动监测

•地震监测⽤户：宽频带地震仪

Sigma4+已经⼏乎被⽤于所有类型的记录⼯作：结合多种震源，从简单的2D测线到复杂的3D成像应⽤。Sigma的独特

特性使其可以完美地应⽤于三分量测量、单点接收、地质技术、被动源勘探、微震、以及永久监测。Sigma可以在多种

震源下单独应⽤或与有线设备联合部署使⽤。

本⽂主要参考⽂献：

[1]夏江海,⾼玲利,潘⾬迪,等.⾼频⾯波⽅法的若⼲新进展[J].地球物理学报,2015,58(8):2591-2605.

[2]尹晓菲,胥鸿睿,夏江海,等.⼀种基于层析成像技术提⾼浅地表⾯波勘探⽔平分辨率的⽅法[J].地球物理学报,2018,

61(6):2380-2395.

[3]杨成林.瑞雷⾯波勘探原理及其应⽤[J].物探与化探,1989,13(6):465-468.

更多Sigma4+地震仪信息，请咨询欧美⼤地。

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