1.试验目的
本次试验的目的是采用浅层地震勘探的方法对于软土、硬土以及基岩面的划分，设备采用重庆顶峰地质勘探有限公司生产的SDZ-24A数字工程地震仪（图1.1），该设备采用当今国内外先进电子技术和设计理念，并结合国内许多用户的使用习惯设计的一款集多功能、高精度、高速度、高可靠性于一体，具有良好的人机交互界面及可扩展性的国内领先地震仪。仪器可使用锤击、落重、电火花、雷管（炸药）爆炸等作为激励震源，勘探深度可达上千米，野外勘探方法有：反射勘探、折射勘探、面波（瑞雷波）勘探、多波地震映像勘探、地脉动（常规微动）测量、建筑和场地震动安全评估、基桩检测、跨孔层析成像（CT）测量及井中剪切波测量等地震勘探方法，广泛应用于交通、水电、路桥、城建等领域的工程地质勘探，也适用于油气、煤田、矿产及地下水等领域的资源勘查。
图1.1 浅层地震法仪器设备以及现场布设
2 浅层地震法原理
本次工作主要采用面波法（采用低频4Hz检波器）以及地震映像法（采用高频频100Hz检波器）进行数据处理与解释。
2.1主动源面波
2.1.1原理
面波是一种沿地球表面传播的地震波，不同频率成分的面波携带了地下不同深度处的介质信息，因此可以利用面波传播的运动学与动力学特性对地下介质结构进行探测。研究区由于风化岩石风化，地层岩石和土层的地震波速度及密度差异大，风化壳层直接与岩石地层接触以及发育的裂隙，会形成一个明显的波阻抗界面，这为本研究应用面波方法探测提供了很好的物性前提。按能量源不同，面波勘探可分为主动源面波和被动源面波勘探。本次工作采用主动源面波进行勘探。
2.1.2主动源面波频散曲线提取方法
面波在介质中传播时，不同频率成分的面波具有不同的穿透深度，携带了不同深度的地层信息，通过对频散信息进行分析，可以达到探测地下介质结构的目的，因此，面波的频散特性是其对地下介质结构进行探测的基础。鉴于此，本项目研究了主动源面波的频散曲线提取方法，为面波频散曲线反演提供技术支撑。
MASW法采用多道检波器采集面波信号（如图2.1），把面波信号中时间-距离域的信号记录转换到频率-速度域，根据频谱图的极值提取面波频散曲线。
图2.1 MASW方法探测示意图
假设 u(xj,t) 为多道面波记录，其中xj = x1 + (j–1)dx是距离冲击载荷点到第j个检波器的距离，t是时间。对每条信号记录进行傅里叶变换，则有：
频率域的面波记录可以表示为：
=Aj(ω)e-iΦj (ω)
其中Aj（ω）和Фj（ω）为幅值和相位，相位项由每个频率分量c（ω）和偏移量xj的特征相速度确定。振幅在偏移量和频率维度上进行归一化，以消除几何扩展和衰减的影响。
对于给定的相速度cT和频率ω，相移可以表示为：
每对cT和ω对应的叠加振幅可以表示为：
在设定的瑞雷波相速度测验范围内对所有不同频率分量进行振幅叠加，通过绘制频率-相速度域中的振幅叠加图，即可获得频散曲线（图2.2）。
图2.2 频散曲线提取
2.1.3面波频散曲线反演方法
面波频散曲线反演是根据频散曲线求解出地下介质速度结构（如图2.3）。具体流程为：首先建立介质的初始模型，然后依据介质中的面波频散方程求取理论频散曲线，再将理论频散曲线与观测的频散曲线进行拟合匹配来调整速度模型，当拟合误差在设定范围内时，该模型即为反演结果。目前面波反演中利用的搜索方法主要有两类：一类是基于优化设计的最小二乘方法反演及阻尼最小二乘法反演，另一类是基于全局搜索的算法（如遗传算法、神经网络算法）。两类算法相比，最小二乘法在反演过程要用到导数信息，对初始模型要求较高，而全局算法不需要求导，对初始模型要求不高，但全局捜索会使收敛速度变慢。通过比较分析，本次工作采用Knopoff改进的Thomson-Haskell计算方法求解地层结构的理论面波频散曲线，采用阻尼最小二乘和遗传算法进行联合反演。
图2.3 频散曲线反演流程
2.2地震映像法
2.2.1原理
地震勘探是通过观测和研究人工地震（爆炸或锤击）所产生的地震波在地下传播的规律来解决地质或工程问题的一种地球物理方法多炮检距地震映像法是地震映像法的一种，二者原理相同。弹性波在介质中传播时，遇到物性分界面或物性突变点将发生反向或绕射及频散现像。地震映像法是利用反射波和绕射波的特性，记录波的旅行时间和动力学特征（见图2.4）。根据波的运动学和动力学特征，反演介质的物性参数，获取物性分界面或突变点的双程旅行时间和埋深。
反射波的时距曲线方程可表示为：
式中
—炮检距，为一定值；
—界面深度；
—介质的纵波速度。
图2.4 地震映像法工作原理示意图
地震波中含有大量的地质信息，构造、岩性变化、矿层、层厚度变化、分岔合并等均会引起地震波的变化 ，其变化主要包括密度、速度及其它弹性参量的差异，这些差异导致了地震波在传播时间、振幅、相位、频率等方面的变化。因此，风化壳裂隙发育时则反射波凌乱、一定范围内的反射波同相轴向下错动，呈现出松散、塌落的形态；风化壳裂隙不发育时，则发射波的同相轴完整，地层均匀。
2.2.2地震映像法工作流程
多炮检距地震映像法采用的是锤击法（见图2.5）的流程：(多次覆盖观测系统) 具体过程如下：
1.在矿区选择地势平坦（尽量避开碎石堆）的地面布置适合长度的测线。
2.各个检波器的的间距为1m，楔入地面（尽量确保检波器不松动）。
3.利用导线把检波器连接起来并接入仪器（每次24个检波器），并把锤击装置接入仪器。
4.第一次锤击在距第一个检波器前2m位置处并由12个检波器进行接收产生的地震波，得到该测线第一条共炮点的地震记录，然后挪动锤击装置至下一个检波器处，并将其移除后在此位置上再进行锤击，其后12个检波器在接收地震波……这样依次滚动锤击接收地震波，不够12个检波器接收的以锤击点后的检波器个数接收，直到最后只剩一个检波器接收时，则此条测线结束。如果需要更长的测线就需要在此条线的基础上向前延伸，挪动仪器、重新依次布置检波器，利用上述方法进行工作。
5.将野外所测得的数据传入电脑，对该测线上各条共炮点地震记录合并进行抽到处理，利用抽道软件对所测的数据进行抽道，即可得到不同炮检距的地震映像图，根据风化壳的地震波特性，选择最佳炮检距的地震映像图进行构造裂隙的圈定与划分。
图2.5地震映像法工作示意图
2.2.3地震映像法数据处理
数据处理采用专业软件进行数据整理，排序合并之后抽道（图2.6），然后根据显示结果进行分析解释结果（图2.7）。
图2.6地震映像法数据处理
图2.7地震映像法成果图
3 试验设计与成果
本次试验现场选取典型的软土、硬土、基岩分界限比较典型的区间进行，参数采用1m极距，2m炮检距，合计24道，单炮接收12道，滚动采集方式。依据《浅层地震勘查技术规范》（DZ/T 0170-2020） 进行数据采集与处理。
图3.1试验现场
本次综合物探采用浅层地震面波法与地震映像法相结合的技术手段，通过系统解译获得了测区地层结构与岩性特征的精细化成果（图3.2）：
3.1 地层结构解析
依据面波频散曲线反演与地震映像时频特征，测区地层呈现典型三层结构：
- 表层软土层：埋深0-2m，横波波速Vs=400-500m/s，表现为松散沉积特征
- 中部硬土层：埋深2-6m，横波波速Vs=600-700m/s，显示中等固结特性
- 下部基岩层：埋深＞6m，横波波速Vs=800-900m/s，呈现刚性介质特征
3.2 构造特征解译
地震映像剖面显示基岩界面存在明显波形畸变与同相轴错断现象，结合速度结构横向突变特征，揭示测区基岩受构造活动影响，发育多组裂隙系统，导致岩体完整性系数降低。
本次试验成果与实际地质剖面结果一致，说明采用浅层地震勘探可以对软土、硬土、基岩进行划分，并且也能刻画出基岩的裂隙。
图3.2 综合解释结果图
4 结论
1.本试验采用 SDZ-24A 地震仪联合面波法（4Hz）与地震映像法（100Hz），实现软土、硬土及基岩的高精度分层，，与实际结果相吻合，验证了方法组合的有效性。
2.基于 MASW 频散曲线反演（阻尼最小二乘 - 遗传算法联合）与地震映像波场分析，建立三元速度结构模型，揭示硬土 - 基岩界面波速突变梯度＞50m/s。
3.试验证明浅层地震勘探可有效划分层状介质识别基岩裂隙发育带（定位误，其宽频组合（低频穿透 + 高频分辨）技术突破传统方法瓶颈，成果满足《浅层地震勘查技术规范》一级精度要求，具有工程推广价值。