基于广域次声传感器网络的地震本地次声波监测

通过提出应用于广域次声传感器阵列的最小方差法信号源定位模型, 分析了阵列信号相关系数特征和本地次声波实时大气传播特性, 对阵列阵元数量、阵元组成结构引起的定位误差以及本地次声波的真实大气传播射线进行仿真, 并利用中国境内布置的广域次声传感器网络监测到了2013年4月20日四川芦山(雅安)地震的瑞利波激发的本地次声波, 验证了上述模型和仿真, 结合中国地震台网的国内的地震监测台站数据, 从信号走时、信号互相关系数、小波时频图、质点运动轨迹等方面进行了分析与对比, 并使用广域最小方差法搜索的算法对次声波和地震波进行定位, 结果显示: 各次声站点接收到由地震瑞利波引起次声站附近地表震动产生并垂直地表向上传播的次声波, 在地震瑞利波之后到达, 而且相关系数都达到0.6~0.9, 计算得到次声波源方位角为230°(以北京为原点), 距离震中小于150 km, 而且本地次声波受大气传播影响较小, 能够较容易的被广域次声阵列探测到, 因此地震本地次声波监测能够作为地震监测、研究地面起伏运动与大气波动关系的有效手段.      

芦山地震前后次声波及重力波信号分析

2013年4月20日芦山地震（MS 7.0）发生前后,位于三峡库区的次声监测阵列记录下了一系列的次声波与重力波信号。文中首先对不同类型的地震次声波以及重力波做出概念上的区分,然后处理、分析采集到的信号,一一判定信号的类型,厘清次声信号、重力波信号与地震事件间的联系。文中讨论了次声压和大地垂直起伏运动之间的线性耦合,使用简正波叠加的方式生成了仿真地震波,并与次声波进行比较,判定4月20日接收到的地震次声波为本地次声波,次声波形与大地垂直运动速率的波形具有极高的相关度。文中还使用基于S变换的时频分析、基于互相关系数的时差计算以及三角阵定向等方法,对4月18日及22日接收到的重力波做了来波定向。经计算,4月22日来波方向约为254.3°,波速约为9 m/s,关联度最强的地震事件为21日凌晨发生的芦山地震余震（MS 4.9）,三角阵对芦山地震震中的反方位角为267.7°,方位角误差为13.4°;18日来波方向约为220.2°,波速约为28 m/s,关联度最强的地震事件为4月17日发生的云南大理地震（MS 5.1）及其余震,三角阵对此震中的反方位角为244.7°,方位角误差为24.5°。     

基于粘滞性声波方程的吸收补偿方法

通常地层介质都是粘滞性的,由于地层的吸收作用,地震波在向下传播过程中能量被衰减,特别是高频能量的衰减,使反射信号频带宽度变窄。为了补偿被吸收的能量,笔者采用粘滞声波方程波场延拓方法进行能量吸收和衰减补偿。首先,从粘滞性波动方程波场延拓函数理论出发,推导了波场延拓函数稳定性条件;其次,对其有效性进行了测试和分析;最后,通过设计数值模型进行正演模拟对比试验,证明了基于粘滞性声波方程的吸收补偿方法能够很好地对粘性介质吸收衰减进行能量补偿,改善处理效果。     

TTI介质拟声波方程数值模拟

TTI介质qP波数值模拟方法因为考虑了倾角因素,可以比VTI介质qP波数值模拟方法更加准确地描述各向异性介质中地震波场的传播规律。文中用拟声波方程对TTI介质中的地震波场进行了高阶有限差分数值模拟,在改进衰减函数分布方式后,通过坐标变换,利用改进的完全匹配层(perfectly matched layer,PML)边界控制方程对波场边界进行吸收处理,取得了良好的效果;然后分析了拟声波方程数值模拟中的稳定性问题,并对波场中的伪横波进行压制。通过对不同模型的数值模拟,验证了文中使用的TTI介质拟声波波动方程的稳定性以及所采用的PML边界控制方程的可靠性和适用性。     

表面源激发的瑞利波传播特性分析

自由状态下层状介质中平面瑞利波相速度与频率及层状介质特性参数有关,表面源激发的瑞利波以柱面波阵面传播,传播速度不仅与频率有关,而且还与传播距离有关,这样,自由状态下层状介质中平面瑞利波传播特性理论不能有效地用于激发瑞利波相速度分析。以薄层法得到的圆盘状表面垂直源激发瑞利波位移响应为基础,导出激发瑞利波相速度,比较激发模态与简正模态相速度差异,分析激发模态空间特性,揭示这种空间特性形成机制。结果表明:源对激发模态传播影响距离不超过一个波长,波场距源越近,激发模态竖直振动传播速度越低;在多模波场,激发模态间相长相干或相消相干导致表观相速度具有较明显的空间特性。该研究可为发展考虑瑞利波频率及空间特性反演数学模型及算法提供指导。     

准P波方程紧致交错网格井间地震波场模拟及边界条件

研究井间地震波场的形成过程以及波场的传播机理、规律,对于指导实际井间地震勘探有着重要的意义.基于具有垂直对称轴的横向各向同性(VTI)介质中的一阶准P波方程,应用具有无条件稳定性质的紧致交错网格隐式差分格式求解该方程.重点研究了紧致交错网格求解该方程的完全匹配层(PML)吸收边界条件,在此基础上实现了VTI介质中一阶准P波方程的井间地震波场的正演模拟.数值算例表明:紧致交错网格能精准模拟VTI介质中准P波的传播过程,得到高精度的正演结果.一阶准P波方程能以足够的精度描述VTI介质中准P波特征.完全匹配层吸收边界能有效地解决人工边界问题,是一种高效的边界吸收算法.     

浅水域可控源海洋电磁测量中空气波的渐近表达与波场分离方法

可控源海洋电磁(MCSEM)勘探中空气波对海底电磁响应的影响已为业界所重视, 它是由水平电偶极子源发射的电磁信号沿空气-海水界面传播与来自海底地层的有效信号相互作用产生的。在浅水域勘探时, 空气波淹没来自地层的有效信号, 使浅水域MCSEM实现油气层识别产生困难。基于层状介质模型, 采用电磁场的模式分解理论导出了半空间电阻率模型的空气波表达式, 利用该式将空气波在海水层的传播近似用海水-空气界面与海底地层之间的多次鸣震表达。结合源和接收器两边电磁场的传播特征, 导出了有限水深时空气波近似关系, 用于近似模拟空气波响应。为了对比不同方法压制空气波的效果, 基于上行波场和下行波场的分解方法, 获得了含油气高阻储层上上行波的异常幅度增大数倍的结果, 显示了波场分解方法压制空气波的良好效果。最后, 利用不含油气层的背景模型和含油气储层模型电磁响应的数值模拟结果, 比较空气波渐近表达和波场分离2种空气波压制方法可知:对于水平层状模型后者效果更好;前者可适用于崎岖海底地层的数据处理, 后者只适用于水平海底地层。     

消除近地表地震散射噪音的方法

假设近地表垂直点力产生的地震波场由入射波场和散射波场组成。散射波场由深层散射和浅层散射两个部分组成，若只考虑消除近博区域的面波散射对地震资料的影响，则通过地震散射模型来估算近地表散射波分布。由波动理论建立近地表传播和散射模型，并在平行地表的一个网格面的各个节点上设置波阻抗差函数来近似地表的非均匀性。散射波场是入射波场与波阻抗差函数的函数。在这样的模式下，由炮集记录提取入射波场，进而通过最小二乘法，求解波阻抗差函数，最终得到散射波场的估计。从炮集记录中减去散射波场，实现地震散射噪音的衰减。     

SH波作用下岩质边坡响应规律的解析探讨

基于弹性力学理论,推导了弹性波动方程,并给出了位移势函数的表达式.根据应力波传播理论建立了边坡中应力波传播模型,以SH波为例详细说明了边坡中不同部位的应力波叠加情况.将边坡的坡面和坡顶自由面解耦为2个相互独立的自由面,分别分析了2个自由面附近应力波场的叠加,并据此研究了边坡中波函数幅值变化情况,得到了边坡水平向动力放大...     

二阶弹性波动方程高精度交错网格波场分离数值模拟

给出了一种等价的二阶弹性波动方程,以解决弹性波场中完全弹性波动方程不能完全分离耦合的纵、横波波场问题.应用高阶交错网格有限差分法求解该波动方程,并使用通量校正技术(FCT)进一步压制频散,采用均匀介质模型和层状介质模型进行波场分离数值试验,精确得到了混合波场、完全分离的纯纵波及纯横波波场.数值结果分析表明,本文方法在均匀介质情况下准确可靠,在分离后的纯纵、横波波场中可观察到较为丰富的能量转换信息,这对认识复杂弹性波的传播规律及弹性波理论具有重要意义.     

典型岩石破裂产生次声波试验研究

在刚性材料试验压力机上对花岗岩、灰岩、红砂岩、砂岩、千枚岩及泥岩6种典型的岩石试样进行了单轴全过程加载试验,通过自主研制的数字化次声波探测系统对加载过程中的岩石破裂发射出的次声波信号进行了实时探测。为了研究岩石微破裂过程是否存在发射低频次声波现象及其频率分布等特性,通过小波阈值去噪、短时傅立叶变换（STFT）时-频分析和时域累计振铃计数的方法对数字次声波信号进行了处理与分析。研究结果表明：①岩石在破坏前加载过程中存在明显的发射次声波现象;②岩石破裂产生突出次声信号的频率主要分布在2.0～6.0 Hz之间;③在结构较完整的情况下,硬岩（如花岗岩、灰岩）在变形破裂过程中产生的次声信号数量要比软岩（如泥岩）多。与一般声波相比,因次声波具有不容易衰减,不易被水和空气吸收,波长很长可绕开大型障碍物等独特性质,结合其他方法对岩石破裂产生次声波现象的进一步研究可为岩石（体）稳定性监测提供重要的研究方法和技术手段。     

深层高压注浆加固古滑坡滑动带试验及效果分析

通过深层高压注浆法加固混碎石黏土古滑坡滑动带的成功工程实例,结合各种检测手段及有限元弹塑性分析,阐述对混碎石黏土古滑坡滑带土实施深层高压注浆加固的机制;测试和分析了滑动带压力注浆前后物理力学参数的变化特征;计算了注浆前后滑坡的剩余下滑力及安全系数。电镜观测表明,水泥浆液对于滑动带岩土体的充填置换率可达到5%～10%;土工试验结果显示,滑动带土体黏聚力由20.20 kPa提高到39.54 kPa,内摩擦角由16°升高到21.30°;声波CT扫描试验表明,滑动带土体的声波波速增长约为31%。有限元弹塑性分析计算表明,滑坡由注浆前的不稳定状态变为注浆后的基本稳定状态,边坡剩余下滑力大幅减小,为支挡结构设计提供了优化依据。试验及计算分析结果表明,高压注浆法用于加固滑动带岩土体是可行的,经注浆加固后的滑动带岩土体的力学性能得到了明显改善,边坡安全性得到了提高。     

The characteristics of the seismic signals induced by landslides using a coupling of discrete element and finite difference methods

Landslide seismic signals support researchers to estimate magnitudes and locations of landslides. They can serve as a crucial data for landslide warning systems. However, the randomness of landslide locations makes the acquisition of landslide-induced seismic signals difficult and limits the number of available field data. The objectives of this study are to establish a numerical modeling approach to examine the characteristics of seismic signals induced by landslides and perform parametrical study. The two-dimensional particle flow code (PFC) and Fast Lagrangian Analysis of Continua (FLAC) are coupled to simulate the landslide process. The force and velocity data at the coupled interfaces of FLAC and PFC are transferred back and forth via a Socket I/O connection. Four locations were monitored for the induced vertical seismic signals, including velocity, acceleration, and stress histories. The signals were analyzed by Hilbert-Huang transform to obtain the time-frequency spectrograms for examining the characteristics of the signals. The particle size, wall friction, particle friction, and parallel bond of PFC input parameters were parametrically investigated. The Xiaolin landslide in 2009 was successfully simulated, and the characteristics of the seismic signals were studied and compared with the data from a broadband seismic station. These results demonstrate that terrain and transition in the movement type of a complex landslide do influence the seismic signals. A landslide with larger rock particles generates lower-frequency content seismic signals. Also, there can be approximately 40 s to escape before a large-scale landslide hits if seismic instrumentation is installed. The method proposed can be further applied for studies on many other large-scale rock avalanches to verify recorded signals and further correlate the signals with the landslide characteristics.     

岩土灌浆技术在滑坡治理中的应用

结合广西壮族自治区桂梧高速公路钟山至马江段百花滩2号滑坡治理的工程实例,介绍了岩土灌浆技术在滑坡治理工程中的具体应用。在了解滑坡成因的基础上,经过科学论证,优选滑坡治理方案。通过灌浆试验研究,得出灌浆的各项设计参数,并将岩土灌浆技术在滑坡治理工程中成功应用,收到了满意的效果。     

基于红外热成像技术的抗滑桩土拱效应模型试验研究

采用模型试验是研究滑坡及其抗滑结构的一种有效方法,红外热像仪在滑坡模型试验中的应用是基于红外检测和热成像原理,利用红外热像仪对滑坡模型抗滑桩区域坡表温度进行有效、准确、实时地检测并记录,有助于分析滑坡破坏过程中抗滑桩所在区域温度场的变化规律,从能量的角度对抗滑桩土拱效应进行研究。试验结果揭示了滑坡抗滑桩区域温度场的分布规律,从温度场方面证实了土拱效应的存在,并揭示了土拱形成过程及其机制;抗滑桩有效地阻止了滑坡推力向桩前发展,发挥了抗滑效果;滑坡发生过程中岩土体应力场、位移场和能量变化是息息相关的。红外热成像技术的应用为抗滑桩土拱效应的研究提供了一种新的研究方法,使得从能量变化的角度研究抗滑桩等防治结构作用机制成为可能,其可行性和可靠性在模型试验中得到了验证。     

Monitored and simulated variations in matric suction during rainfall in a residual soil slope

This research combines field, laboratory and numerical investigations to estimate the development of a wetting front within a 1.2 m residual soil mantle on a steep forested slope during rainfall events. The field-monitored variations in matric suction due to rain-water infiltration during various events revealed that the maximum infiltration rate was much higher when the wetting front resided in the upper 20 cm of soil compared to the case when the wetting front advanced to depths > 20 cm. Laboratory investigations on soil hydraulic properties (i.e., soil water characteristic curve, and hydraulic conductivity) were useful to establish the parameters of a multilayer finite-element model for one-dimensional vertical infiltration. These parameters were subsequently calibrated by matching the predicted and field measured transient pore water pressure responses during actual rainstorms with irregular rainfall patterns. The calibrated simulation model was used to assess the migration of the wetting front under uniform rainfall with different intensities. Based on the numerical results, a hyperbolic equation was developed to predict the duration of uniform rainfall required for the propagation of wetting front to a certain depth for a given rainfall intensity. The proposed equation was subsequently tested against field-monitored advancements of the wetting front during real rainstorms with variable rainfall intensity.     

复杂地层方形抗滑桩旋挖成孔工艺及工程应用

为提高方形抗滑桩开挖成孔效率,研究适用于复杂条件岩质滑坡抗滑桩快速成孔的工艺,以成都东部某大型岩质滑坡101根大截面抗滑桩为对象,通过现场调查、理论分析及工程试验等方法,研究了方形抗滑桩工程成孔工艺、施工特征和不同地层成孔工艺适用体系。研究表明,研制的“旋挖钻孔+人工辅助清边”成孔工艺作业效率大大提高,在该抗滑桩工程中实施达到日平均进尺2.0 m高效率,顺利达到工期要求,进而解决了岩石成孔效率慢、工艺落后的问题;根据滑坡所处条件选择合适的施工工艺对抢险救灾工程至关重要,对于交通条件好、工期要求高的大型滑坡治理工程,优先考虑“旋挖钻孔+人工辅助清边”工艺;对于交通条件差、作业受限的小型滑坡治理工程,采用风镐开挖土体、水磨钻开挖岩石成孔工艺。     

GPS PPP技术用于滑坡监测的试验与结果分析

为了研究全球定位系统(GPS)精密单点定位(PPP)技术用于滑坡等地质灾害监测时可能达到的精度和可靠性等问题,结合某类滑坡的大型物理模型试验,在滑坡体上布设了若干GPS监测点进行连续实时动态监测,利用PPP技术对该滑坡从稳定、开始滑动直至产生破坏的全过程监测数据进行了处理与分析,并与GPS单历元差分定位、载波相位实时差分定位技术监测结果进行了对比。结果表明:GPS PPP技术监测结果的内符合精度约为10 mm,外符合精度约为40 mm,且GPS PPP技术具有一些差分GPS无法比拟的优势,如无需基准站支持、作业成本低、效率高、可直接获取监测点在国际地球参考框架下的绝对坐标等。该技术完全可用于滑坡等地质灾害的实时动态监测和预警。     

频率域单程方程三维叠前正演中的波场替换

利用定位原理进行三维叠前正演,仅靠单程声波方程的延拓即可形成复杂地质条件下的正演记录,运算效率高无多次反射出现。但速度模型中对于过大或过小的速度常使波场在延拓时有频率和波数成分的损失,这种损失引起波场畸变并严重影响正演记录的质量。本文采用波场替换技术,在每次延拓时用零相位子波形成一个同时保留了原波场的动力学特征与空间位置信息的新波场,然后用新波场取代原畸变波场并参与正演记录合成。在频率域单程方程三维叠前正演中特别适合做波场替换,因为震源脉冲与接收响应(均可视为点脉冲)的延拓波场在形态上相似,而且在延拓波场中每道记录之振幅包络只有一个极值点。理论试算结果表明,采用波场替换技术后最终正演记录质量比替换前有了很大改善。