瑞利波的故事——神奇的波.doc

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1、瑞利波的故事--神奇的波之二方謙光有一次大文學(xué)家蘇東坡和妹夫秦少游在湖邊散步，隨手撿起了一塊小石子兒扔進(jìn)平靜的湖水之中，水中激起一朵小小的浪花，隨後形成一道道的圓形的波紋，一圈圈地不斷擴(kuò)大向四周散去。於是蘇東坡指著這一圈圈的波紋對(duì)秦少遊說：「你知道什麼是『波』嗎？波乃水之皮也」。秦少遊說：「如果說『波』乃水之皮，那麼『滑』是不是水的骨頭呢」？這麼大的一位蘇學(xué)士一時(shí)被問的語塞。暫且不論「波」是不是水的皮和「滑」是不是水的骨頭，在自然界確實(shí)存在著那麼一種類似於在液體表面受到擾動(dòng)後形成的波，一般稱之為「面波」。這種波沿著與大氣層接觸的地表面滾動(dòng)著向四周傳播，因此也稱之為「

2、地滾波」。地滾波攜帶著巨大的能量，因此在地震發(fā)生時(shí)給地面建築物造成極大程度破壞的就是這種地滾波。在19世紀(jì)末英國物理學(xué)家瑞利(Rayleigh)研究發(fā)現(xiàn)在半空間(上部接觸大氣層的地表面)存在著一種類似於在液體表面上形成的波。這種波是由自由介面半空間內(nèi)傳播的縱波與橫波相互選加形成的一種特殊的振動(dòng)，振動(dòng)的方向是以逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)，呈橢圓軌跡傳播，此橢圓水準(zhǔn)軸與垂直軸之比為2/3。人們?yōu)榱思o(jì)念這位物理學(xué)家就把這種波定名為「瑞利面波」，簡稱「瑞利波」。通過進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)瑞利波有很多奇特的性質(zhì)：首先是瑞利波沿自由表面?zhèn)鞑サ乃俣扰c橫波的速度相當(dāng)，大約是橫波速度的0.9倍，是縱波

3、速度的0.5倍。從儀器上可以清楚地觀察到，首先到達(dá)是縱波，其次是橫波，最後到達(dá)的波才是瑞利波。從能量上來看，瑞利波占震動(dòng)總能量的67%，橫波占總能量的26%，縱波只占總能量的7%，因此從儀器記錄到的波形記錄上，從振動(dòng)的幅度就很容易識(shí)別出瑞利波、橫波和縱波。當(dāng)瑞利波垂直自由表面向下傳播時(shí)，最多只能傳播到一個(gè)波長的深度，其中的大部分能量都集中在1/2波長的深度範(fàn)圍之內(nèi)，人們由此就想到可以利用不同波長的瑞利波來探測不同深度的地層。同時(shí)瑞利波還有一種特殊的性質(zhì)，就是當(dāng)瑞利波向下傳播到兩種物質(zhì)的分介面(如土層和巖石)時(shí)，瑞利波就分解成了縱波和橫波。這種波的散射現(xiàn)象又叫做「頻散

4、」，是瑞利波的重要特徵之一，人們正是利用觀察到的頻散現(xiàn)象，來區(qū)別和劃分地層。既然弄清楚了瑞利波的這些特徵，瑞利波又有什麼用途呢？首先人們想到利用瑞利波的這些特性進(jìn)行地質(zhì)探測。1940年前後，美國軍方曾研究利用瑞利波來進(jìn)行飛機(jī)場地下探測，不知是什麼原因，沒有能取得什麼成果，後來就放棄了。1976年日本地球物理學(xué)家佐藤長範(fàn)經(jīng)過了十八年的努力，終於研製成功了第一臺(tái)完全利用瑞利波原理的探測儀器--佐藤式全自動(dòng)地下探查機(jī)，於1985年第一次運(yùn)到北京來表演和公開展示，引起了國內(nèi)工程物探界的重視。我剛剛調(diào)到鐵道部的基本建設(shè)總局，負(fù)責(zé)物探專業(yè)，因此對(duì)一些新的方法技術(shù)當(dāng)然格外留意。我

5、詳細(xì)地考察了這個(gè)佐藤式全自動(dòng)地下探查機(jī)的結(jié)構(gòu)和原理。這架機(jī)器有點(diǎn)向一個(gè)車載的物理實(shí)驗(yàn)室，車上裝有一部大功率的汽油發(fā)電機(jī)提供電力，儀器的震源是一個(gè)自重為350公斤，能夠產(chǎn)生250公斤激振力的電磁式激振器，可以根據(jù)需要產(chǎn)生穩(wěn)定的電磁振動(dòng)，頻率範(fàn)圍從3000周/秒~0.5周/秒連續(xù)可調(diào)，其作用是能使得被探測地層產(chǎn)生固定頻率的強(qiáng)迫振動(dòng)。其接收系統(tǒng)是兩個(gè)能把振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏餍盘?hào)的檢波器，這兩個(gè)檢波器安裝在震源的同一側(cè)，三點(diǎn)一線一字在地面上排開，始終保持固定的距離。當(dāng)激振器產(chǎn)生振動(dòng)時(shí)離震源較近的檢波器A先接收到振動(dòng)信號(hào)，離震源較遠(yuǎn)的檢波器B後接收振動(dòng)信號(hào)，這兩個(gè)電流信號(hào)同時(shí)被

6、輸入到裝在車上的地震儀裏，人們可以通過雙線的示波器同時(shí)觀察到一前一後的兩個(gè)信號(hào)，同時(shí)可以在演算器裏把這兩個(gè)信號(hào)之間的時(shí)間差計(jì)算出來，送給電腦。既然兩個(gè)檢波器間的距離是固定的而且已知，又有了從A到B之間的時(shí)間，根據(jù)時(shí)間和距離很容易地求出波傳播的速度。震源振動(dòng)的頻率是人為事先設(shè)定的，是已知數(shù)，因此就可以根據(jù)頻率和波速很容易求出波的長度。前面我們已經(jīng)提到過，瑞利波的主要能量都集中在向下傳播的1/2波長的深度之內(nèi)，由此可以認(rèn)定1/2波長為瑞利波探測的深度。通過儀器內(nèi)的電腦簡單的計(jì)算之後把結(jié)果通過印表機(jī)，列印到記錄紙上。在記錄紙上的橫座標(biāo)表示速度，縱座標(biāo)垂直向下反應(yīng)勘探深度。

7、在速度一定的情況下頻率越高波專越短，反應(yīng)的勘探深度越淺，反之，頻率越低波專越長，反應(yīng)勘探深度也就越大?？梢妰x器的整個(gè)操作過程是人為控制儀器激振的頻率，從高到低，也就是3000周/秒開始為第一個(gè)點(diǎn)，使儀器產(chǎn)生3000周/秒的強(qiáng)迫振動(dòng)，待振動(dòng)穩(wěn)定之後，通過檢波器接收電流信號(hào)輸入電腦進(jìn)行多次採樣和計(jì)算，把相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果，即深度--速度的座標(biāo)點(diǎn)，列印到記錄紙上。當(dāng)這一頻點(diǎn)的記錄完成之後，再變轉(zhuǎn)一個(gè)頻率，例如第二點(diǎn)的頻率人為選定為2800周/秒，再記錄下第二個(gè)點(diǎn)，依次降低頻率，一直到0.5周/秒，這時(shí)的瑞利波記錄也就是由若干個(gè)點(diǎn)所連成的一條曲線，人們便可以通過這條曲線看出