高精度瑞雷波有限差分数值模拟及波场分析

应用2×12阶高精度交错网格有限差分法,建立了震源位于自由表面时模拟瑞雷波的边界条件,通过对均匀半空间模型模拟得到的结果与解析解完全一致,证明了波场模拟的正确性.针对模拟得到的波场记录,从瑞雷波的传播速度、传播深度、能量衰减和频散特性等几个方面进行了分析,从波场模拟的角度完全证实了弹性波传播理论中的瑞雷波传播特征,加深了对瑞雷波传播过程的认识.在均匀介质模拟的基础上,对含有软弱夹层的三层介质模型进行了模拟,获得了更加接近实际情况的地震记录.为进一步开展对高模式下瑞雷波的反演研究和促进对瑞雷波勘探的应用提供了有益的帮助.     

黏弹性介质瑞雷波有限差分模拟与特性分析

本文通过数值模拟研究了介质黏弹性对瑞雷波传播的影响.模拟采用结合了交错Adams-Bashforth时间积分法、应力镜像法和多轴完美匹配层的标准交错网格高阶有限差分方案.通过模拟结果和理论结果对比,测试了方法的精度,验证了结果的正确性.在均匀半空间模型中,分别从波场快照、波形曲线及频散能量图三个角度,对黏弹性介质瑞雷波衰减和频散特性进行了详细分析.两层速度递增模型被用于进一步分析瑞雷波在黏弹性层状介质中的特性.结果表明：由于介质的黏弹性,瑞雷波振幅发生衰减,高频成分比低频成分衰减更剧烈,衰减程度随偏移距增大而增强;瑞雷波相速度发生频散,且随频率增大而增大,频散能量的分辨率有所降低;黏弹性波动方程中的参考频率,不会影响瑞雷波振幅衰减和相速度频散的程度,但决定了黏弹性和弹性介质瑞雷波相速度相等的频率位置.本研究有助于人们更好地理解地球介质中瑞雷波的行为,并为瑞雷波勘探的应用和研究提供了科学和有价值的参考.     

利用广义反射-透射系数方法求解含低速层水平层状介质模型中面波频散曲线问题

在计算面波频散问题的广义反射-透射系数方法基础上研究了含有低速层的均匀平层固体地球模型的面波的频散曲线以及简正振型的计算问题. 当不存在低速层时，仅利用陈晓非1993年提出的单一的久期函数对求解这两个问题已经足够. 但是当模型中存在低速层时，该单一久期函数在数值求解较低阶模式很困难. 本文提出用久期函数族代替该单一久期函数、对不同的简正振型模式采用对应的久期函数来求解的方法，从而更加容易有效地求解较低阶的模式，完善了利用广义反射-透射系数方法求解面波频散问题的理论和算法.     

波在多层弹性介质中一些特性的研究

本文根据弹性力学理论计算出波在多层弹性介质上的反射和透射系数,给出计算反射和透射系数的源程序和框图,并对波在多层弹性介质中的特性进行了一些研究。     

微动多阶瑞雷波SPAC系数反演方法及应用研究

为充分利用微动信号中基阶和高阶模式瑞雷波,本文研究了基于多阶瑞雷波SPAC系数直接反演的方法.该方法首先基于地层介质响应计算多阶瑞雷波的能量占比,考虑实际观测台阵有限台站个数对SPAC系数影响,正演计算多阶瑞雷波SPAC系数,再采用快速模拟退火算法对其反演以获得地下介质横波速度结构.在此基础上,本文通过数值模拟验证该方法的可靠性,分别选取三种典型地质模型,基于模式叠加算法合成理论微动信号,采用本文方法计算其理论多阶瑞雷波SPAC系数并反演,给出反演结果与真实模型对比.我们将该方法应用于上海中心城区的地质调查中,通过与钻探结果对比,进一步验证该方法的有效性.本文理论与实际应用研究表明,基于多阶瑞雷波SPAC系数直接反演的微动探测方法有助于提高反演结果的可靠性,尤其对含软硬夹层的复杂地层介质,可提高探测精度.     

基于快速广义反射透射系数方法的面波群速度计算

在利用实际地震资料反演地球内部结构时,群速度往往比相速度更有意义.本文在水平层状均匀介质模型中,用快速广义反射透射系数方法（Pei,2008）计算了基阶瑞雷面波的群速度,并推导了Chen(1993) 4×4 层矩阵E的逆的解析表达式.文中用数值实验的方法合成了两个典型模型的群速度频散曲线,并与复合矩阵方法计算的结果进行了对比,结果表明本文的方法是切实可行的,与广义反射透射系数方法相比明显地提高了计算效率,尤其是在高频、层厚度大和层数多的情况下表现得更为突出.     

基于人工蜂群算法的瑞雷波多阶模式非线性联合反演研究

由于瑞雷波存在多个导波模式,仅用基阶模式波频散数据反演而忽略高模式波,会影响反演精度.本文利用高阶模式瑞雷波频散数据与基阶模式频散数据互相独立的特性,构建瑞雷波基阶波、一阶高模式波和二阶高模式波的联合反演目标函数.通过增加反演变量,利用权系数调节各变量对反演结果的影响,实现同步联合反演,从而保证反演稳定性.使用人工蜂群智能算法求解目标函数,有效解决了传统反演方法将非线性问题线性化处理产生的细节信息丢失问题,提高了反演精度.经过对较为复杂的四层含低速夹层和四层含高速夹层理论模型和实例数据的反演验证,表明基于人工蜂群算法的瑞雷波多阶模式波非线性联合反演能够提高反演的稳定性和精度.     

瑞雷波勘探的研究现状及展望

作为一种新兴的岩土工程地球物理勘探方法，瑞雷波勘探具有其它方法无法比拟的优点，国内外关于瑞雷波勘探方面的实践和理论研究目前日益增多。本文对国内外瑞雷波勘探方法研究进行了综述，从正演、频散曲线的求取、反演三个方面对瑞雷波勘探的研究现状进行了详细总结，并探讨了当前瑞雷波勘探中存在的实践和理论问题，展望了该方法的发展趋势。     

各向同性薄层反射理论地震图

本文在各向同性介质假设下,计算了薄层顶、底反射P波和PS波的理论地震图.理论模拟发现薄层的反射P波与PS波是一复合波,包括层内的多次透射和反射转换波型,且具有类似单一界面反射的、脉冲式的波形特征.两类薄层反射整体振幅随着薄层厚度的降低而缩小;在地震子波主频40 Hz条件下,2 m左右厚度的薄层反射相比单一界面反射具有等同的振幅水平.1 m以下极薄层仅有弱反射甚至无反射;薄层反射复合波振幅与炮检距的关系依然成立,但不惟一;单界面反射AVO原理、方法不适用于薄层反射解释与反演.     

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。     

陕西及邻区瑞雷波相速度层析成像

本文利用布设于陕西及其邻区的喜马拉雅二期流动地震台阵和区内的固定地震台网共计257个台站于2014—2015年记录到的连续波形资料,采用基于图像分析的相速度提取方法,得到了7 185条瑞雷波相速度频散曲线,反演获得了周期为5—40 s的瑞雷波相速度分布图像,其最小分辨率约为20 km。结果表明:各周期瑞雷波相速度图像具有明显的横向不均匀性,能够较好地反映出地壳及上地幔顶部的地质构造特征。周期为5—10 s的瑞雷波相速度分布与地表地质构造密切相关,且高低速异常的分界线与地块边界高度吻合;周期为15 s的瑞雷波相速度分布图像显示出,大部分断陷沉积盆地（渭河、天水等盆地）表现为低速异常,表明此区域的沉积层厚度较大;周期为20—40 s的相速度分布则受地壳厚度影响较大,青藏高原东北缘始终呈现出明显的低速异常,鄂尔多斯地块中、下地壳以高速异常为主,但周期为20—30 s的相速度低速异常区分布于青藏高原沿六盘山逆冲褶皱带并一直延伸至鄂尔多斯内部,由此推测该区域地下介质中存在一定程度的物质交换和融合。      

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。     

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．      

基于EMD的瑞雷波信号提纯新方法

为了能够从地震勘探记录中提纯出瑞雷波信号,基于信号经验模态分解的自适应特征,将经验模态分解应用到瑞雷波信号提纯研究中。介绍了瑞雷波勘探实测信号的经验模态分解计算过程,通过仿真实验及工程实例,说明经验模态分解能够有效应用于瑞雷波的提纯,分析比较了经验模态分解提纯方法和其他方法的优缺点,认为经验模态分解方法具有可靠性和稳定性。提出下一步的研究方向是在经验模态分解后直接利用Hilbert变换求得信号的瞬时频率,从而求解出频散曲线。     

基于层状双孔介质的地震波反射和透射系数频散特性研究

本文研究了纵波垂直入射情况下两种介质分界面处的纵波反射和透射系数的频散特性,分界面上下两侧分别为层状双孔页岩介质和层状双孔砂岩介质.当纵波沿垂直于分界面的方向传播至分界面处时,会在上层双孔介质中产生三类反射纵波,在下层双孔介质中产生三类透射纵波.基于层状双孔介质的特性,给出了分界面处的六个边界条件.根据层状双孔介质的波动方程,利用平面波分析得到了纵波的反射和透射系数.结果表明：当多孔介质中存在流体时,纵波的反射和透射系数与频率相关,即存在频散现象.波致流体流动是造成纵波反射和透射系数频散的主要原因.此外,结果还表明局部流体流动引起地震频带内反射和透射系数的频散,宏观Biot流引起超声频带内反射和透射系数的频散.本文同时对岩石参数对反射和透射系数频散曲线的影响进行了研究.     

四种典型地层的瑞雷波“之”字型频散曲线数值模拟研究

虽然MASW技术已经广泛地应用于地基检测中,但由于缺少大量理论指导,特别是数值模拟方面的研究,其应用受到限制.本文基于有限元软件LS-DYNA,通过数值模拟研究了四种典型地层（递增型地层、含软弱下伏层地层、含软弱夹层地层和硬夹层地层）由MASW方法提取的瑞雷波频散曲线的“之”字型特征.发现对于递增型地层,频散曲线不会出现“之”字型,对于其他三种地层,频散曲线则会出现不同类型的“之”字型,其中含软弱夹层地层“之”字型的位置和尺寸与软夹层的位置和层厚有较好的对应关系.本文的研究结果为实际工程中利用瑞雷波频散曲线的形状判定地层类型和软弱夹层位置提供了重要参考.     

复杂构造地震波场分析(英文)

在我国的西部地区,地震波场十分复杂,信噪比低。本文采用波动方程正演模拟的方法研究复杂波场的形成原因。在模拟物性差异较大介质中的地震波场时,密度的影响不可忽略,因此,本文用含密度项的声波方程的交错网格有限差分法模拟地震波场并进行分析。设计了一个具有起伏地表、低速覆盖层和高速地层出露的复杂构造,从瞬时波场分布分析了形成复杂波场的原因。低速层对地震波场的影响明显,低速层中产生很强的槽波,低速层顶底形成的多次反射向地下传播又形成了复杂的反射波场。为了验证波场模拟结果的可靠性,对模拟波场用与正演模拟不同的算法进行叠前深度偏移,得到了与已知构造相同的偏移叠加剖面。     

海底强地面运动计算

本文将计算综合地震图的广义反射、透射系数矩阵和离散波数方法进行了推广,使之适合于计算海底地面运动的位错点源格林函数。通过对数值例子的分析表明,理论模拟方法可以用于研究海水层和沉积层性质对海底运动的影响,以根据陆地上的资料来定性地获得海底强地面运动的信息。     

具有饱和土沉积层的充水河谷对平面瑞雷波的散射

针对具有饱和土沉积层的充水河谷对平面瑞雷波的散射问题,把半空间场地用单相弹性介质模拟,河谷中的饱和土沉积层用Biot饱和多孔介质动力理论模拟,河谷中的水假定为无黏性流体（理想流体）,利用波函数展开法在频域内给出了具有饱和土沉积层的圆弧形充水河谷对平面瑞雷波散射问题的解析解答.文中给出了算例,计算了不同输入频率和高宽比时河谷谷底的位移幅值.算例表明由于具有饱和土沉积层的充水河谷存在,使得河谷谷底的位移幅值放大4倍多,并且它的幅值随着河谷谷底位置的不同而产生较大的变化.     

基于Aki公式的主动源瑞雷波频散曲线提取方法研究

瑞雷波成像是一种有效探测近地表横波速度结构的方法,准确提取频散曲线是该方法的关键。本文提出了利用噪声理论中的Aki公式提取主动源瑞雷波频散曲线的方法,在频率域中,两道记录互相关后的频谱能够被贝塞尔函数所描述,利用频谱实部的零点与贝塞尔函数根的对应关系,即可以获得离散频点处的相速度值,进而提取出频散曲线。首先介绍了Aki法应用于主动源瑞雷波数据的理论基础与计算流程;然后,利用该方法对三组理论模型数值模拟记录进行了计算,得到了与理论频散曲线一致的结果;最后,对一组实际采集的瑞雷波数据进行处理得到相速度剖面,并与多道面波分析方法得到的剖面结果对比,验证了Aki法在主动源数据处理中的有效性与适用性。与多道面波处理技术相比,Aki法的优势在于仅利用单炮记录中的两道数据进行相速度的计算,当某炮记录的采集道数不足或存在坏道时,可以保证提取的频散曲线的质量。