新的瑞雷波多模式频散曲线反演目标函数

反演瑞雷波频散曲线能有效地获取横波速度和地层厚度,传统的多模式瑞雷波频散曲线反演需要正确的模式判别.然而,当地层中含有低速软弱夹层或高速硬夹层等复杂结构时,瑞雷波可能会出现"模式接吻"和"模式跳跃"等现象,这些现象极易造成模式误判,进而导致错误的反演结果;同时,传统的频散曲线反演方法需要进行求根运算,进而导致现有的瑞雷波非线性反演速度慢,运算时间长.鉴于此,对传统的Haskell-Thomson频散曲线正演模拟算法进行了改进,提出了一种新颖有效的目标函数.该目标函数直接利用实测频散曲线与迭代更新模型频散函数表面形状进行最佳拟合,无需将多模式频散数据归于特定的模式,可有效避免多模式瑞雷波频散曲线反演模式误识别;同时,该目标函数不需要求根运算,进而大大加快了非线性反演速度.基于粒子群优化算法,利用实际工作中经常遇到的3种典型理论地质模型和某一高速公路路基实测资料进行了理论模型试算和实例分析,检验了本文提出的瑞雷波多模式频散曲线反演新方法的有效性和实用性.      

利用瑞雷波法评价既有铁路路基

根据瑞雷波频散相速度能够反演地层的剪切波速度结构 ,瑞雷波的特性使得瑞雷波法具有良好的场地适应性 ,在望京至和平里的既有铁路路基探测中 ,结合反射波法的CDP技术和瑞雷波谱分析技术 ,获得了 2 -D剪切波速度剖面 ,根据剪切波速度与轻型动力触探击数的一致性 ,从而能够在垂直和水平两个方向上对铁路路基进行评价     

多层层状介质的瑞利面波频散特性

采用传递矩阵法对多层各向同性的层状弹性固体介质瑞利波相速度频散特性及自由表面的垂直位移强度特征进行研究,便于今后对实测频散曲线有更清楚的认识和更合理的反演解释.设计多组含4层或5层介质的层状介质模型,利用传递矩阵法计算它们的相速度频散曲线、各阶模式的地表垂直位移曲线和其合并化的频散曲线,从而了解含有绝对或相对软弱夹层的地基模型、正常地层顺序地基模型的频散特性.根据模拟计算结果可知,当地层中存在绝对软弱夹层或相对软弱夹层时,其合并化频散曲线一般会出现"之"字形现象,但二者位移曲线的特征是不同的;含绝对软弱夹层时,位移曲线是各模式分段占优,而含相对软弱夹层时,位移主要还是以基阶模式为主;对于多层介质的正常地基模型而言,其位移曲线也主要是以基阶模式为主,但其合并化频散曲线有时也会出现"之"字形现象,这主要与各介质层的层速度等参数有关.     

基阶和高阶瑞雷波频散曲线反演对比分析

通过瑞雷波频散曲线反演,可以建立近地表横波速度模型。瑞雷波频散曲线具有多个模态,一般情况下,基阶模态是具有最大能量的模态。目前对瑞雷波频散曲线的反演大多数是基于基阶模态,对于高阶模态的反演比较少。通过对基阶和高阶瑞雷波频散曲线反演对比分析,认为高阶模态和基阶模态频散曲线反演有比较好的一致性趋势,相对而言高阶模态频散曲线反演的横波速度比基阶要高;高阶和基阶模态能量加权反演,不仅保留了频散曲线基阶模态能量强,勘探深度深的特点,而且对浅层低速层也具有更好的响应,可有效提高反演的精度。     

VTI介质瑞雷波频散曲线特征与对比分析

在近地表瑞雷波勘探中,介质的各向异性对瑞雷波传播有着明显的影响。为了研究横向各向同性(vertical transverse isotropy,简称VTI)介质各向异性参数对瑞雷波的影响,以各向异性弹性波理论为基础,利用应力镜像法为边界条件,实现了VTI介质中瑞雷波的正演数值模拟,并利用相移法提取瑞雷波频散曲线。将层状各向同性介质和VTI介质瑞雷波频散曲线作对比,研究结果表明:(1)瑞雷波各阶模式相速度随纵波变异系数δ的增大而减小,随纵波各向异性强度参数ε的增大而增大;(2)随着纵波各向异性强度参数ε的减小和纵波变异系数δ的增大,会引起瑞雷波各阶模式相速度减小和瑞雷波频散曲线各阶模式主要能量所在频带范围减小;(3)当纵波各向异性强度参数ε减小和纵波变异系数δ增大到一定程度后,在速度递增的层状介质中会引起瑞雷波出现"之"字形频散曲线,在含软弱夹层的层状介质中会出现各阶模式频散曲线混淆的现象。     

多道瞬态面波在复杂地形条件下岩层划分中的应用研究

在复杂地表条件下,利用瑞雷面波进行勘探时,需要考虑地形对瑞雷波场传播地影响。针对倾斜地表两层地质模型,通过设计不同展布方向的检波器排列进行瑞雷波信号采集,利用高精度交错网格有限差分法,讨论经过快速傅里叶变换后的地震记录F-V频率谱,通过对比信号频率谱与理论多阶频散曲线,分析在不同地形条件下瑞雷波传播能量的变化特征,并提取叠加频散曲线;运用遗传算法对采集到的地震记录进行基阶与高阶瑞雷波联合反演得到目的层厚与初始模型层厚进行误差对比;并对理论正演初始模型的频散曲线与各地质模型利用F-K法提取的频散曲线进行全局拟合误差计算。分析表明:倾斜地形进行多道瞬态瑞雷面波勘探,相对于下部激发、上部激发会产生高阶频散趋势,因此对下部激发的地震记录进行反演产生的厚度误差相对较小。     

地质条件复杂地区瑞雷波勘探正演模拟

为研究复杂地质条件对瑞雷面波频散曲线的影响,采用有限差分地震数值模拟方法,对3种模型进行正演模拟,得出了某一时刻的波场快照与单炮记录。对模拟记录进行频散分析的结果表明:单层均匀介质没有频散现象;起伏地表两层均匀介质的频散曲线相速度只和介质本身的参数有关,不受地形的影响;水平地表含软夹层介质中,瑞雷波频散现象非常明显。      

粘弹介质勒夫波频散曲线研究及应用

研究表明,与瑞利波方法相比,勒夫波具有频散曲线求解更加简单、数据信噪比更高、频散曲线反演对初始模型的依赖程度更低等优点,已开始在众多领域得到应用和推广。但还存在一些亟待解决的问题,比如在实际的地球模型中,地层介质是具有粘弹性的,尤其是近地表第四系软土对地震波的吸收衰减作用更为显著。因此,开展粘弹介质勒夫波理论频散曲线研究具有重要的现实意义。本文通过求解频散方程获得勒夫波理论相速度频散曲线,采用高阶有限差分模拟得到粘弹介质情况下的勒夫波单炮记录,并从中提取对应的频散曲线。通过理论模型提取得到频散曲线与理论频散曲线相对比,证明了本文频散曲线计算的正确性,并讨论了粘弹性介质对勒夫波频散曲线的影响,介质的粘弹性会导致勒夫波相速度的高频极限要比完全弹性介质的相速度略高。然后,通过最小二乘法反演,验证了算法程序的稳定性和可行性,结果表明采用粘弹介质频散曲线反演所得横波速度精度更高,最后通过野外实际数据反演结果进一步验证了本文方法的有效性和实际应用效果。     

Rayleigh面波各阶模式频散曲线对横波速度和层厚的敏感性探讨

Rayleigh面波勘探的目的在于有效利用频散曲线反演地层厚度及横波速度,而不同模式的频散曲线对横波速度和层厚的敏感性不同。通过求取介质参数变化10%后与参数不变化时的二组频散曲线的差值,得到各阶模式的频率～相速度差曲线,分析了Rayleigh面波各模式频散曲线对横波速度、层厚的敏感性。试验结果表明,基阶模式对于浅层的横波速度和层厚比较敏感,敏感区域主要集中在较窄的频带范围内。而高阶模式对于相对较深层的横波速度和层厚比较敏感,且频率范围分布较大,敏感性强的频段分布比较分散。研究结果可以为Rayleigh面波多模式联合反演提供理论依据。     

瞬态瑞雷波反演横波的SVD算法及其应用

利用奇异值分解算法对瑞雷波频散曲线进行反演,提高横波速度的反演精度,引入权重矩阵提高数据分辨率,采用自适应修改阻尼因子提高迭代效果并协调分辨率与解的关系.某高速公路软土路基实测资料试算结果表明,用该算法对瞬态瑞雷波频散曲线进行反演,不但具有稳定性好、精度高、分辨能力强的特点,而且能自动分层和反演地层参数,在高速公路软土路基探测等领域中具有广阔的应用前景.     

Test of the upper mantle low velocity layer in Siberia with surface waves

The existence of the upper mantle low velocity layer (LVL) below 100 km depth in cratonic areas is tested with surface waves dispersion curves. Given the ambient noise we find that a pronounced LVL (80 km thick and 2% velocity reduction or 40 km thick and 5% velocity reduction) can be distinguished from a constant velocity model by comparison of the fundamental mode group velocities, whereas a thin LVL (less than 40 km thick) with small velocity contrast (less than 2%) cannot be resolved. The fundamental modes of Love and Rayleigh waves have similar properties and, in general, the phase velocity differences are smaller than the standard error. Phase velocity alone cannot discriminate between the models, and the group velocity is in general more sensitive to the velocity structure than the phase velocity. The higher modes at short periods could potentially determine a LVL but in reality it is difficult to obtain sufficiently accurate measurements. We invert the synthetic dispersion curves by the non-linear Hedgehog inversion method. A pronounced LVL (more than 40 km thick and with a strong velocity contrast of about 5%) is detectable by the non-linear inversion but for a thin LVL with a strong velocity contrast it is not possible to resolve both velocity and thickness. In the inversions all solutions include a LVL for models with a pronounced LVL, whereas the solution space includes models with and without a LVL for models with a zero or positive gradient velocity–depth structure.We invert also real data with travel path across the Siberian craton with the Hedgehog method. Almost all solutions include a LVL in the depth range of 80–150 km with a velocity contrast up to 2% to the surrounding intervals. Hence, the LVL appears to be a common feature of the Siberian upper mantle, although a constant velocity at the same depth range cannot be totally excluded. Despite low resolution at large depth, a pronounced asthenospheric LVL below a depth of about 225 km is a constant characteristic of the set of solutions.     

S-wave velocity structure of the crust and upper mantle under southeastern China by surface wave dispersion analysis

Group velocity dispersion data of fundamental-mode Rayleigh and Love waves for 12 wave paths within southeastern China have been measured by applying the multiple-filter technique to the properly rotated three-component digital seismograms from two Seismic Research Observatory stations, TATO and CHTO. The generalized surface wave inversion technique was applied to these group velocity dispersion data to determine the S-wave velocity structures of the crust and upper mantle for various regions of southeastern China. The results clearly demonstrate that the crust and upper mantle under southeastern China are laterally heterogeneous. The southern China region south of 25°N and the eastern China region both have a crustal thickness of 30 km. The eastern Tibet plateau along the 100°E meridian has a crustal thickness of 60 km. Central China, consisting mainly of the Yangtze and Sino-Korean platforms, has a crustal thickness of 40 km. A distinct S-wave low-velocity layer at 10–20 km depth in the middle crust was found under wave paths in southeastern China. On the other hand, no such crustal low-velocity layer is evident under the eastern Tibet plateau. This low-velocity layer in the middle crust appears to reflect the presence of a sialic low-velocity layer perhaps consisting of intruded granitic laccoliths, or possibly the remnant of the source zone of widespread magmatic activities known to have taken place in these regions since the late Carboniferous.     

F-K域三层对称模型洛夫型导波频散分析

导波(分瑞利型和洛夫型2种)在波导层中传播时,其能量持续时间长,而且传播过程中携带着波导层的结构信息。基于多道分析的F-K方法(频率波数域二维傅立叶变换),分析研究了3层对称模型中的洛夫型导波的频散特性,计算了理论频散曲线,并据此合成了特定频率的导波记录。通过对合成记录的F-K域分析,获得了理论模型的速度参数。从分析结果来看,速度参数与理论合成参数相一致,说明F-K方法可作为导波的频散分析。      

Single-station ellipticity retrieval and its joint inversion with dispersion curve,for a borehole test site

To obtain the shear wave velocity profile for engineering application to near-subsurface, many geophysical techniques are used. The dispersion curve alone is unable to provide deeper shear wave velocity information for deep soil deposit; therefore, a joint inversion of dispersion curves with the horizontal over vertical (H/V) (i.e., apparently ellipticity) curve is recommended. The H/V curve obtained from the microtremor recording contains a major part of Love wave contribution to the noise wavefield horizontal component. Due to this presence of Love wave fraction, the H/V curve does not completely replicate the ellipticity of Rayleigh wave. In this study, we try to compare the Rayleigh wave ellipticity obtained from the borehole velocity model to the H/V curve obtained at the same locality from seismic ambient noise recording. Two different techniques available for the Love effect minimization are tested and compared with the borehole ellipticity. Finally, the joint inversion of H/V and dispersion curve is made, which shows great correspondence with the previous measurement at the site.     

基于时频域极化滤波的勒夫型槽波提取

矿井槽波地震勘探数据中,含有多种类型地震波,包括线性极化的纵波、横波、勒夫型槽波和椭圆极化的瑞利型槽波。由于槽波频散现象严重,不同类型槽波互相重叠,在地震记录上难以区分,合理地进行波场分离是槽波数据处理的重要环节。根据不同类型槽波振动极化特征,提出基于S变换的时频域自适应协方差矩阵极化滤波方法;在时频域中,针对槽波水平双分量信号建立自适应协方差矩阵;利用矩阵对应特征值和特征向量,计算椭圆率和方位角参数来描述槽波极化振动特征;依据极化参数建立极化滤波函数,对槽波地震信号进行波场分离。经过理论合成信号和实际数据测试表明,该方法可以有效地从槽波地震记录中提取出勒夫型槽波,避免其它类型地震波在槽波数据处理过程中产生的干扰,为槽波地震勘探数据处理提供新的技术手段。      

利用地脉动台阵记录反演场地浅层Vs结构

比较了影响Love波相速度频散曲线的主要因素,通过虚拟反演,说明了利用Love波相速度反演浅层剪切波速度结构的可行性,以地脉动台阵3分量观测记录提取的Love波相速度频散曲线为目标函数,利用遗传算法与单纯形法混合算法,分两种情况反演了某实际工程场地的浅层剪切波速度结构。结果表明,利用从地脉动台阵3分量观测资料中提取的Love波相速度反演工程场地浅层的剪切波速度Vs结构是一种很有前景的技术方法。     

面波多模频散曲线的敏感性及特征分析

面波勘探现在已经被广泛应用于工程选址及地震安全评价等方面,但其大多是针对Rayleigh波的应用,对Love波的关注较少.针对面波信息中的两种主要成份Rayleigh波和Love波对速度递增模型和存在低速层模型进行多模频散曲线的敏感性和特征分析,得到了多模式波对半空间介质模型和多层介质的响应特征,而且还对其基模式波和高模式波在高频和低频上的速度趋势进行了分析,细化了高频时的多模式波的理论最低速,得出了一些具有普遍性的结论,并为面波信息的综合利用提供了有力支持.