声-地震耦合测试实验系统

　　土壤由固、液、气三相组成，土壤气相填充于土壤骨架之间的空隙中。当声波从空气传播到地面时，大部分能量被反射回空气中，小部分能量通过动量作用以及空气与土壤粒子的粘滞摩擦作用，以地震波的形式耦合到土壤中，这种现象称为声 - 地震耦合。地震波在土壤中传播，引起土壤粒子振动; 同时，由于土壤的分层结构及不均一性，地震波在土壤中发生复杂的反射、散射及其干涉作用，最终表现为地表震动速度的复杂变化。

　　如果地震波所到位置存在声阻抗不同于周围土壤的埋藏物，则会改变地震波的传播状态; 倘若埋藏物( 例如地雷) 柔量较大，能在地震波作用下与其上方土壤构成质量 - 弹簧共振系统，发生谐振作用，最终使地表震动发生明显的变化，可用于地雷的探测研究[1 -2]。此外，声 - 地震耦合与土壤参数( 如孔隙度、含水量等) 有关，在研究土壤性质方面亦存在应用前景[3]。

　　国外对声 - 地震耦合现象已有数十年的研究，并在实验室条件下用于地雷无损探测[1 -3]。本文在简述声 - 地震耦合及地震波传播特性基础上，构建一个声 - 地震耦合测试实验系统，测出一定频段内的地表震动速度的频率 - 功率谱幅值曲线，并采用相长干涉原理，对实验数据进行解释。

　　1 声 - 地震耦合基本模型

　　当几千赫兹以下的低频声波由空气入射到地面时，大部分能量因空气与地面土壤固相基质的声阻抗差较大而反射回空中，但还有一部分能量因与土壤流体相的声阻抗差相对较小而耦合到地下，并与土壤固相基质发生动量和粘滞摩擦作用，最终形成瑞利面波、纵波、横波等多种成分的地震波( 如图1 所示)[4]，并引起地表的震动。声波耦合的地震波本质上仍是声波，是声波的另一种形式。瑞利波是一种表面波，沿着地表传播。声波耦合的能量主要集中在纵波，根据传播速度的大小，纵波可分为快纵波和慢纵波。

　　研究表明，快纵波和慢纵波同时在土壤固相和孔隙流体中传播，引起土壤粒子、孔隙流体的振动位移。但是，2 种纵波的传播特性有很大区别。图2 是2 种纵波在某种土壤中传播时分别引起的土壤固体粒子和孔隙流体振动位移之比[5]。从图中可以看出，低频时，快纵波引起的土壤粒子和孔隙流体震动位移基本相等，而慢纵波传播时引起的土壤粒子震动位移仅相当于孔隙流体震动位移的千分之一。因此，对于慢纵波来说，其能量主要集中于孔隙流体的震动，即慢纵波主要在孔隙当中传播; 快纵波的能量主要体现于固体粒子震动，即快纵波主要在土壤固相中传播。慢纵波在孔隙中传播时，由于周围土壤颗粒的粘滞摩擦作用，衰减很明显，且其传播速度会随传播距离的增加而下降。慢纵波的能量在传播过程中，会逐渐耦合到土壤固相中，或者转化为热能。J. M. Sabatier 等[5]曾研究过快纵波和慢纵波的衰减系数与频率的关系，发现快纵波衰减系数数值较小，随着频率增加而微小变化; 对于慢纵波，其衰减系数数值很大，随着频率增长，其波速虽有增加，但是衰减系数变得更大。因此，慢纵波会向地下传播，随着深度的增加，逐渐衰减消失。声 - 地震耦合对于地表震动速度的影响，主要是通过快纵波的传播来实现。当然，有浅层埋藏物存在时，慢纵波会被其反射或者与其发生谐振，此时应考虑慢纵波的影响。