面波频散曲线提取方法对比分析

高频面波方法是以瑞雷波和勒夫波为研究对象,在水文、工程和环境研究中具有广泛的应用,其主要思想是利用面波的频散特性来反映浅层地质问题,提取高质量的频散曲线成了面波勘探中的一个重要步骤.本文通过对理论模型研究说明,利用τ-p变换与F-K变换两种方法均能有效地进行频散能量成像,其效果在高频范围差别不大,在低频范围F-K变换提取频散曲线更为精确;与瑞雷波记录相比,勒夫波记录信噪比较高,通过对同一地区采集的瑞雷波和勒夫波进行频散分析可知,瑞雷波记录频散能量成像效果差,频散能量出现间断、跳跃的现象,而勒夫波记录频散能量连续、集中,相速度分辨率较高,提取频散曲线简单清晰,可为反演地表横波精细速度结构提供更好的频散曲线数据.     

微动中多模式面波频散曲线的映射式提取方法

为了避免微动勘探技术中因忽略高阶模式瑞雷波而影响反演精度的不足,提出从微动面波中提取多模式瑞雷波频散曲线的映射式方法.该方法从微动信号入手,首先通过相关法提取多半径台阵的相关系数曲线,然后建立从多条相关系数曲线到多模式瑞雷波频散曲线的映射模型,最后采用分区拟合准则优化实现模型结构,达到提取微动面波中多模式瑞雷波频散曲线的目的.为验证方法的有效性,通过有限差分方法数值计算实际近表面应用中三种常见典型地质结构中的微动信号,采用映射式方法提取微动面波中多模式瑞雷波频散曲线,将提取结果和理论值进行对比分析.结果表明,映射式方法提取微动面波中多模式瑞雷波频散曲线可以满足反演地质结构的要求.     

多地震叠加提取双台间面波频散信息

利用中国HIA台和哈撒克斯坦BRVK台的甚宽频地震仪记录的2011年日本MW9.0大地震及3次MW6——7强余震数据, 采用互相关法提取了双台间的瑞雷波群速度频散曲线．研究发现, 对于同一台记录的大地震和强余震激发的瑞雷波, 其主要能量的周期范围明显不同, MW9.0大地震面波主要能量周期长(70 s以上), 而强余震面波的主要能量周期相对较短（10——50 s）．单独利用大地震数据无法提取60 s以下的群速度频散, 而单独利用强余震数据无法提取100 s以上频散．将双台记录的特大地震、强余震数据进行互相关叠加, 可以提取出较为可靠的宽频带瑞雷波群速度频散曲线（10——200 s）．      

利用改进的F-K变换法提取瑞雷波的频散曲线

瑞雷波成像能够有效的探测近地表的横波速度结构,准确的提取瑞雷波的频散曲线是该技术的关键.F-K变换法是一种常见的提取频散曲线的方法,然而传统的F-K变换法由于受到震源频带范围和介质滤波作用的影响,计算的频散能量通常集中在较窄的频带范围内,其余频带的能量受到压制,因此提取出的频散曲线频带范围较窄,高阶模式不易识别,为了克服这种缺陷,我们提出一种改进的F-K变换法,提高了该方法提取高阶模式频散曲线的能力.在本文中,我们首先介绍了改进的F-K变换法的原理与计算步骤,然后分别利用传统的和改进的F-K变换法对理论模型正演模拟和实际采集的瑞雷波数据进行处理,将两种方法得到的频散能量图进行对比,结果表明改进的F-K变换法能够呈现出分辨率更高的频散信息,保证了高阶模式频散曲线的有效提取.     

基于广义模式识别面波基模式频散曲线反演研究

面波多道分析方法(MASW)是获取垂向剪切波速度剖面的一种有效方法。频散曲线反演是MASW中关键的一步。由于瑞雷波频散曲线反演具有非线性、多参数和多极值的特征,这对于常规的局部线性化反演方法是极大的挑战。为此,本文采取确定性的全局优化算法,广义模式识别算法(GPS)对瑞雷波频散曲线进行反演。其原理可以简述为:算法首先通过模式以确定性的方式对目标函数进行采样来搜索一个点序列;然后使序列中每一个点到下一个点的目标函数值逐渐减少,从而使点序列逐渐逼近全局最优解,最后的解便为待求的最优模型参数。为验证GPS的有效性,首先利用设计的3种典型的6层地质模型通过快速矢量传递算法正演模拟产生基模式频散曲线(频率范围为5~101Hz,频率间隔为2Hz,频点数为49),并对理论频散曲线进行反演。反演结果表明,模型的真实值已经被高度精确地重建。说明GPS可以用于实际勘探中的基模式频散曲线反演。为进一步验证GPS的有效性,在吉林大学校园采集瑞雷波实测数据,并提取基模式频散曲线,应用GPS进行反演。反演重建的横波速度剖面与先验的地质信息吻合得很好。理论模型和真实数据的反演结果表明,GPS可以应用在瑞雷波频散曲线非线性反演中。      

利用地脉动台阵观测推算Love波频散曲线

土层剪切波速结构是工程场地条件的重要的基本参数，许多研究者关注利用从地脉动台阵中推得的Rayleigh波或Love波的相速度频散曲线反演实际工程场地剪切波速度结构。探讨从地脉动台阵观测的记录中提取Love波相速度的频散曲线的方法，从厦门某工程场地的地脉动台阵观测三分量记录中提取了Love波相速度的频散曲线，将提取的结果与根据实际场地资料构成的水平成层介质模型计算的Love波相速度的频散曲线进行了对比，为下一步的反演奠定了基础。     

基于互相关相移的主动源地震面波频散成像方法

以多道面波分析技术(MASW)为代表的主动源面波方法已经在地表勘探领域获得越来越多的应用.准确的面波相速度频散成像是利用主动源面波法进行近地表横波速度反演的必要条件.本文提出了一种新的主动源面波频散成像方法—CCPS(Cross-Correlation and Phase-Shifting)法.首先,将单炮面波记录由时空域变换到频率空间域并消去振幅谱的影响,得到归一化频谱.然后,依次将每道信号与整个记录进行互相关的同时进行相速度扫描叠加.最后经过一次求和过程即得到最终的频散图像.通过理论数据、实际工程地震面波资料和石油勘探面波资料比较了普通相移法和CCPS法的频散成像效果.研究表明:新方法相对于普通相移法而言,明显提高了频散图像的质量,相速度聚焦性能和背景噪声压制能力有显著改善.     

基于MF-J变换的DAS观测高阶面波提取和浅地表结构成像

分布式声波传感(DAS)技术可以将现有城市通信光缆转化为密集宽频带地震观测系统,利用城市通信光缆进行主/被动源面波成像为城市浅地表结构成像和地下空间探测提供了新手段,具有广阔的应用前景.近年来大量研究表明,充分利用高阶面波信息能显著提升面波结构成像效果.为探索DAS记录中的高阶面波提取和利用的可行性,本文推导了适用于DAS系统地震记录提取多模式面波频散曲线的 MF-J变换公式,并成功应用于白家疃光纤实验的主动源观测数据,提取了多模式频散曲线并反演构建了研究区高分辨、高精度的横波速度结构剖面.研究结果表明,MF-J方法能有效地从DAS主动源记录中提取多模态频散曲线,并能去除传统 F-J方法中的交叉假频现象;基于多模式面波频散曲线反演的速度结构分辨率和置信度都明显优于只用基阶模态的反演.本文的研究结果揭示了利用城市通信光缆实现低成本高分辨率地下结构探测的可能性.     

基于洗牌蛙跳算法的瑞雷波非线性反演（英文）

目前,各种主、被动源瑞雷波勘探方法在近地表探测中扮演着日益重要的角色,利用瑞雷波频散曲线反演可以得到近地表横波速度信息,但是瑞雷波频散曲线反演问题是高度非线性的全局优化问题。为了缓解陷入局部最优解的风险,本文将一种新的全局优化方法一洗牌蛙跳算法引入到瑞雷波频散曲线反演中。洗牌蛙跳算法是一种群智能优化算法,通过模拟青蛙种群的觅食行为来实现最优化问题的求解,具有计算速度快,需要调整的参数少,全局寻优能力强的优点。为了检验洗牌蛙跳算法的可靠性和计算能力,首先对不含噪声和含噪声的四层理论模型进行了反演试算。然后,利用不含噪声数据对洗牌蛙跳算法与粒子群优化算法进行比较分析。最后,对实际数据进行反演,以检验洗牌蛙跳算法的实用性。理论地层模型和实际数据的测试结果表明:洗牌蛙跳算法可以有效地定量解释瑞雷波频散曲线,收敛速度、反演精确总体优于经典粒子群优化算法与改进粒子群优化算法,具有很大的发展潜力。     

用面波估计浅土层的品质因子

根据一个55 m测线记录到的瑞雷波,利用多通道记录处理方法得到5～40 Hz内的相、群速度频散,并由速度频散反演得到深度35 m以上土层的剪切波速度结构;同时,计算出基阶瑞雷波振幅谱的空间分布,以线性回归方法得衰减系数频散曲线;最后,反演得到各土层的Q结构．结果表明: 在软沉积层里Q＜10;而在风化基岩里Q为30左右．      

利用背景噪声数据提取地震台站间面波的可靠性分析——以中国大陆中东部地区的宽频带台站为例

利用中国大陆中东部地区以国家台网为主的100个分布均匀的宽频带地震台记录到的21个月的连续波形数据,经过单台数据处理和互相关叠加计算后,由时频分析法提取了研究区各台站对间瑞雷波的格林函数.为了检验经验格林函数的可靠性和稳定性,对沿部分路径的经验格林函数和频散曲线进行了质量评估.检测结果表明,自21个月叠加的台站对间背景噪声中提取的经验格林函数与实际的地震面波一致,提取的格林函数可靠.此外,统计了使用从3 21个月不同长度数据叠加后,经验格林函数信噪比大于10的频散曲线数目.结果表明,至少要使用12个月的数据才能提取到信噪比足够大,数目足够多,可用于反演面波速度结构的经验格林函数;12个月的叠加时长,可以保证30 s以下周期的频散曲线在时间上稳定.     

改进的等效半空间法及瑞雷波频散曲线反演

层状模型的理论频散曲线表明,层状模型表面瑞雷波同一频率对应的相速度具有多值特点,这就是所谓的瑞雷波多阶性. 面波的多阶性导致了实测频散曲线的复杂性,当地层中存在软弱夹层时这一问题尤为突出,从而给实测频散曲线的解释带来了困难. 本文从工程实用的角度出发,根据等效半空间理论,提出了一种计算理论频散曲线的新算法——改进的等效半空间法,避开了面波多阶性这一复杂问题. 由此方法计算得到的面波相速度并不同于某个具体阶数的面波,而是对多阶面波的综合反映. 按照改进的等效半空间法编制了拟合反演程序,并在工程中进行了运用,取得较好的效果.     

利用背景噪声数据提取地震台站间 面波的可靠性分析 以中国大陆中东部地区的宽频带台站为例

利用中国大陆中东部地区以国家台网为主的100个分布均匀的宽频带地震台记录到的21个月的连续波形数据, 经过单台数据处理和互相关叠加计算后, 由时频分析法提取了研究区各台站对间瑞雷波的格林函数. 为了检验经验格林函数的可靠性和稳定性, 对沿部分路径的经验格林函数和频散曲线进行了质量评估. 检测结果表明, 自21个月叠加的台站对间背景噪声中提取的经验格林函数与实际的地震面波一致, 提取的格林函数可靠. 此外, 统计了使用从3—21个月不同长度数据叠加后, 经验格林函数信噪比大于10的频散曲线数目. 结果表明, 至少要使用12个月的数据才能提取到信噪比足够大, 数目足够多, 可用于反演面波速度结构的经验格林函数; 12个月的叠加时长, 可以保证30 s以下周期的频散曲线在时间上稳定.      

横向非均匀介质多道瑞雷波频散曲线正演

作为近地表横波速度结构成像的主要手段之一,面波多道分析法的正问题研究对现场观测系统设计及后续反演计算具有重要意义.目前面波频散曲线的正演主要分为两类:一是对水平层状介质中面波的本征值问题进行求解,该类方法计算效率高但较难考虑地下介质在横向上的不均匀性;二是基于波动方程的全波场模拟,该类方法在理论上可考虑任意复杂的地质模型但计算成本相对较高.本文基于振幅归一化加权的聚束分析,提出了一种适用于横向非均匀介质模型的多道瑞雷波频散曲线正演方法.首先,基于聚束分析的计算公式推导得到了经振幅归一化加权后输出功率谱中相速度与局部相速度之间的关系,然后通过黄金分割极值搜索算法计算得到了多道瑞雷波数据的理论频散曲线.数值分析结果表明,该算法能够快速地实现横向非均匀介质中多道瑞雷波频散曲线的正演计算,所求取的频散曲线与采用二维弹性波时间域有限差分模拟分析得到的结果误差较小,这在一定程度上说明了该计算方法的可靠性,从而可为面波多道分析法中的观测系统快速优化设计以及横向非均匀介质中频散曲线的反演解释提供理论支撑.     

利用噪声记录估计福建地区中上地壳体波速度结构

本文利用福建地震台网25个宽频带台站的噪声记录提取瑞利波和勒夫波频散曲线反演地壳波速结构,并利用爆破观测结果对该速度模型进行检验.结果表明:利用该方法得到的地壳波速结构在浅部分辨率较好,深部波速结构的反演结果精度较低,这主要是由于本文所选台站间距较小,提取得到的面波频散曲线在短周期部分精度较高,而长周期部分面波频散曲线的偏差较大.综合噪声反演结果与传统反演结果,本文最终给出了一个新的速度模型,利用该模型计算得到的理论走时与爆破观测走时具有很好的一致性.     

基于频率-贝塞尔变换法的关东盆地S波速度成像

将一种新的方法——频率-贝塞尔变换法（F-Jmethod）应用于日本NIED在关东盆地布设的MeSO-net台网的背景噪声数据中,证明频率-贝塞尔变换法可以有效地从背景噪声中提取高阶频散曲线.利用提取的基阶和高阶频散曲线反演关东盆地区域的沉积层和地震基岩层的S波速度结构,并将我们反演得到的S波速度结构与Koketsu等提出的日本综合速度结构模型进行对比讨论.我们的例子证明,在基阶面波的基础上,高阶面波能减少在反演中的非唯一性,得到更为准确的S波速度结构.     

大别-苏鲁及其邻近地区基于背景噪声的瑞雷波和勒夫波相速度层析成像

采用与作者2014年发表的“大别-苏鲁及其邻近地区基于背景噪声的勒夫波群速度成像”文章相同的资料,用频时分析提取5 000余条瑞雷波和4 000余条勒夫波相速度频散曲线,反演得到了8—32 s的瑞雷波和勒夫波相速度分布图像．结果显示,瑞雷波与勒夫波相速度分布具有很好的一致性．8 s的相速度分布与地表构造特征相吻合,造山带与隆起区均表现为高速,盆地因其规模不同而显示不同程度的低速．随着周期的增大,大别 苏鲁的高速带由强变弱,但始终存在．16—24 s的高速可能主要受到中地壳高速的控制,而32 s的高速则可能与上地幔顶部的高速有关．比较大别造山带与苏鲁造山带的平均频散曲线,发现大别造山带和苏鲁造山带的勒夫波频散曲线均高于AK135模型计算的理论频散曲线,而瑞雷波则没有这一现象. 这可能意味着两个地区有比较强烈的径向各向异性．      

利用多重滤波方法提取面波频散曲线

多重滤波方法已被证明在分析面波的频散特性时是一种有效而快速的方法。本文用单个台站的单次地震事件记录,应用MFT(Multiple Filter Technique)方法提取了内华达地区的面波频散曲线并分析了其特征,认为其具有大陆基振型瑞利波频散曲线的典型特征。还利用广义反透射系数法快速计算了瑞利面波频散曲线,尤其是基阶瑞利波相速度及群速度频散曲线;并且在由振型叠加方法合成的理论地震图的基础上,通过比较理论频散曲线和MFT方法得到的频散曲线,研究了多重滤波的可靠性。     

改进蜂群算法及其在面波频散曲线反演中的应用

应用改进蜂群算法反演面波频散曲线以获得近地表横波速度剖面.蜂群算法属于群智能算法中的一种,灵感来源于蜜蜂群体特定的觅食行为,在该算法的基础上结合粒子群算法中的全局最优解引导思想,同时引入遗传算法中交叉运算操作,即采用基于交叉操作的全局人工蜂群算法对面波频散曲线进行反演研究.改进蜂群算法在继承传统算法精于探索特性的同时,针对其疏于开发的缺陷着重加强了算法对全局的探索能力.使用理论和实测瑞雷波数据,本文研究了改进蜂群算法在推导近地表横波速度分布的有效性和适用性.在反演中,目标函数的收敛性好,改进算法在迭代的过程中能够快速收敛到全局最优;模型参数的概率分布高,即在寻找到全局最优解的同时,能够确保解中每个参数同时达到最优,保证了反演的结果可靠度,使其能有效地应用于瑞雷波频散曲线的反演和解释中.     

根据瑞雷波确定近地表品质因子Q

反演高频率(≥2Hz)的瑞雷波的相速度可得到分层地球模型从地表到地下30m以内的剪切(S)波速度。如果已知S波速度VS、压缩(P)波速度VP和瑞雷波速度,通过反演瑞雷波衰减系数就可以获得分层地球模型的P波品质因子QP和S波品质因子QS。模拟结果证明,根据瑞雷波衰减系数反演品质因子QS是可行的。当VS/VP达到0.45时,不能忽略QP对瑞雷波衰减系数的贡献,这种情况在近地表构造中并非罕见。从某些地质构造中的瑞雷波衰减系数反演得到QP是可能的,这是一种不同于一般认为的观点,即相对于P波的品质因子QP,瑞雷波的衰减系数对S波的品质因子QS更为敏感。在亚利桑那沙漠,采集了60道的面波数据。对一个层厚度超过20m的10层模型,首先利用多道面波分析(MASW)方法反演数据得到S波速度,然后通过反演衰减系数确定品质因子。