利用多种面波数据研究沙漠区表层结构

浅层面波法调查表层速度结构多用于非沙漠区的工程与环境领域。本文利用多道面波分析(MASW)技术针对塔克拉玛干沙漠地区特殊地质情况,对所采集的浅层多道面波资料进行处理分析得到沙漠区表层速度结构;同时对该地区所获得的地震大炮记录上的面波进行了处理、分析和对比,探讨了沙漠区利用大炮面波法调查表层结构的可行性。实践表明,多道面波资料可以得到很好的浅层速度结构,而大炮记录则可得到详尽的深层地质结构,将二者相结合便得到测区表层60m范围内的速度结构信息,也证明了在沙漠区利用大炮面波记录提取表层地下介质结构是可行的。     

用瞬态多道瑞利波法研究夏垫隐伏断裂附近的浅层速度结构变化

用瞬态多道瑞利波法,对夏垫隐伏断裂附近的浅层速度结构进行了调查研究,利用f-k域分析方法提取瑞利波频散曲线,分别用遗传算法和半波长方法反演,得到断裂附近的横波速度结构和瑞利波相速度分布剖面。反演结果与钻孔资料的对比表明,瞬态瑞利波法对于探测上断点埋深较浅的隐伏断裂是有效和可靠的。     

Multichannel analysis of surface wave method with the autojuggie

The shear (S)-wave velocity of near-surface materials and its effect on seismic-wave propagation are of fundamental interest in many engineering, environmental, and groundwater studies. The multichannel analysis of surface wave (MASW) method provides a robust, efficient, and accurate tool to observe near-surface S-wave velocity. A recently developed device used to place large numbers of closely spaced geophones simultaneously and automatically (the ‘autojuggie’) is shown here to be applicable to the collection of MASW data. In order to demonstrate the use of the autojuggie in the MASW method, we compared high-frequency surface-wave data acquired from conventionally planted geophones (control line) to data collected in parallel with the automatically planted geophones attached to steel bars (test line). The results demonstrate that the autojuggie can be applied in the MASW method. Implementation of the autojuggie in very shallow MASW surveys could drastically reduce the time required and costs incurred in such surveys.     

基于矢量波数变换法(VWTM)的多道Rayleigh波分析方法

在近二十年来,多道面波分析法(MASW)由于其便捷、高效等特性在浅层地震勘探领域得到了广泛的应用.本文基于多道面波勘探的采集方式,提出了一种新的面波多道分析方法——矢量波数变换法(VWTM).该方法通过对震源的近似,基于水平层状模型得到台站与震源间近似格林函数,然后进行矢量波数变换得到含有高阶模态Rayleigh波(频率-相速度)频散能量图.本研究首先利用合成地震数据到频散能量图与理论频散曲线进行叠加分析该方法的有效性和正确性;然后与相移法进行对比分析,我们发现在频散能量图中VWTM法对基阶、高阶模态成像均具有更高的分辨率和成像质量;最后我们将其应用于实际多道瞬态面波探测中,通过与相移法进行对比分析,发现VWTM法是一种方便、实用、有效的Rayleigh波频散提取方法.VWTM法提取多模态的Rayleigh波频散特征具有巨大潜力,可为基阶、高阶面波频散联合反演提供丰富的高阶模态频散信息.     

A comparison of methods for the analysis of compressional,shear, and surface wave seismic data,and determination of the shear modulus

The seismic refraction method is commonly used to determine the lithology and stratigraphic geometry of geological sites. Beyond this application there is also the potential to extract additional velocity-related information such as mechanical properties of soils and rocks. However, this requires a reliable model of the subsurface velocity variations. Refraction data, P- and SH-wave first arrivals, and surface waves were analyzed using three different techniques: delay-time in combination with ray-tracing, tomography and multichannel analysis of surface waves (MASW). Results from the first two techniques were compared, which showed that sharp high-contrasting layering is best imaged by the traditional method, delay-time followed by ray-tracing. The tomographic method was unable to detect the water table in the P-wave survey but resolved near-surface gradational velocity changes. On the other hand, in the SH-wave survey the traditional method was not useful because of gradually increasing velocities, which were better suited to the tomographic method. Furthermore, to produce spatially detailed velocity-variation models the tomographic or the MASW methods are applicable. The MASW model showed somewhat lower velocities compared to the SH-refraction tomographic model and, in contrast, showed inverted velocity gradients. This study also presents a comparison between the shear moduli measured in situ, i.e. calculated from shear wave velocities, and determined using empirical relationships. The empirical relationship for sand gives higher values for shear moduli than those measured in situ.     

一种基于层析成像技术提高浅地表面波勘探水平分辨率的方法

在高频面波方法中,水平分辨率是指水平方向上分辨异常体的能力.异常体在水平方向上的长度可用水平方向上横波速度的异常尺度来确定.面波多道分析（MASW）方法被广泛应用于浅地表横波速度结构的探测,然而该方法确定的横波速度是整个检波器排列的平均计算结果,因此水平分辨率较差.另外,采用共中心点（CMP）多次覆盖的方式采集数据亦增加了野外的工作量.我们在MASW方法的基础上,应用面波层析成像方法,提出一套提高面波勘探水平分辨率的完整方法的技术流程.首先,利用波场分离技术获得准确的基阶或高阶模式面波,采用相位扫描的互相关方法测量多道面波记录中任意两道之间的面波走时;然后根据面波层析成像方法,获得高分辨率的各目标网格内的纯路径相速度频散曲线;最后反演所有目标网格内的纯路径相速度频散曲线,得到研究区域的拟二维横波速度结构.这套方法具有一定的抗噪能力,理论上它可以准确地提取相邻两道之间面波的相速度频散曲线;同时由于该方法最少只需要1个排列就可以获得拟二维横波速度结构,因此它显著减小了野外工作量.理论模型和实际资料都证实了这套方法可有效提高面波勘探的水平分辨率.     

浅层地震资料解释陷阱(英文)

高分辨率浅层地震方法是在近地表调查中使用最为广泛的方法。然而,在许多情况下,地震资料的解释经常会出现错误。在本文中,我们介绍了三个例子,分析了造成P波,SH波,多道的面波(MASW)地震资料解释的错误原因,大都是由于在表面或地下条件约束不确当引起的。第一个例子是P波反射剖面上的一个波的特征被解释为浅层断裂带,但后来证实它是由高水平的背景噪音引起的,因为采集测线通过了一个公路交叉口。第二个例子是SH波反射地震剖面上一个波特征被解释为是逆倾向滑断层,但有针对性的钻探表明,它是一个侵入到基岩面的一个深层局部侵蚀。最后,第三个例子,MASW调查剖面上,一个陡倾特征一开始被解释为基岩谷。然而,后来的钻探表明这是一个非常软的湖泊沉积物,后者严重损坏了应用面波频段。虽然最初的解释是不正确的,但这刺激地球物理学家和地质学家之间的讨论,并强调地球物理数据采集的时候,采集之前以及采集之后需要科学家之间有意义的合作与讨论。     

倾斜边坡多道面波分析中的最小偏移距估计方法

为减小倾斜边坡中能量较强的近场体波对面波识别的干扰,确保多道面波分析方法接收到的瑞雷波分量具有较强的能量,本文通过分析地下震源在倾斜边坡产生的瑞雷波及其传播规律,基于几何地震学提出了在倾斜地表生成瑞雷波的最小偏移距的经验公式,建立了界面起伏的层状倾斜边坡模型,从而获得模拟共炮点记录,并将基于共炮点记录得到的地表质点运动...     

The use of MASW method in the assessment of soil liquefaction potential

The multi-channel analysis of surface wave (MASW) method is a non-invasive method recently developed to estimate shear wave velocity profile from surface wave energy. Unlike conventional SASW method, multi-station recording permits a single survey of a broad depth range and high levels of redundancy with a single field configuration. An efficient and unified wavefield transform technique is introduced for dispersion analysis and on site data quality control. The technique was demonstrated in the assessment of soil liquefaction potential at a site in Yuan Lin, Taiwan. The shear wave velocity and liquefaction potential assessments based on MASW method compares favorable to that based on SCPT shear wave measurements. Two-dimensional shear wave velocity profiles were estimated by occupying successive geophone spreads at several sites in central western Taiwan, at some of which sand boils or ground cracks occurred during 1999 Chi Chi earthquake. Liquefaction potential analysis based on MASW imaging was shown to be effective for estimating the extent of potential liquefaction hazard.     

浅地表地球物理技术在岩土工程中的应用与挑战

地球物理勘探方法在岩土工程的应用已有很长一段时间,但其成效与工程师的期待往往有不小的落差,以致于在一般的工程应用上仍不普遍.近年来浅地表地球物理技术有显着的进展,特别是在走时速度层析成像(Traveltime Tomography)、电阻率层析成像法(Electrical Resistivity Tomography)及多道瞬态面波法(Multichannel Analysis of Surface Wave).本文首先介绍这些方法在台湾岩土工程的应用,主要包括地层土壤液化潜能评估、坝体的安全检测、土壤与地下水污染调查及地基改良的质量管控等,应用案例以台湾常使用的地球物理勘探方法逐一介绍.虽然许多成功案例与新的应用方向对于浅地表地球物理技术在岩土工程应用的推广起了鼓舞作用,本文从工程师的角度提出地球物理勘探工程大量应用的挑战与瓶颈,包括如何提升探测数据的客观性、数据反演非唯一性问题、探测深度与分辨率的限制、实际条件违背反演基本假设的情况、以及地物性质与工程性质链接的不确定性问题,并进一步针对这些问题说明相关研究的进展与实务对策.希冀透过上述探讨,降低物探师与工程师认知上的差距,提升地球物理勘探在工程的应用的合理性与普及性.     

Imaging shallow structure with active-source surface wave signal recorded by distributed acoustic sensing arrays

Distributed acoustic sensing (DAS) is one recently developed seismic acquisition technique that is based on fiber-optic sensing. DAS provides dense spatial spacing that is useful to image shallow structure with surface waves. To test the feasibility of DAS in shallow structure imaging, the PoroTomo team conducted a DAS experiment with the vibroseis truck T-Rex in Brady’s Hot Springs, Nevada, USA. The Rayleigh waves excited by the vertical mode of the vibroseis truck were analyzed with the Multichannel Analysis of Surface Waves (MASW) method. Phase velocities between 5 and 20 Hz were successfully extracted for one segment of cable and were employed to build a shear-wave velocity model for the top 50 meters. The dispersion curves obtained with DAS agree well with the ones extracted from co-located geophones data and from the passive source Noise Correlation Functions (NCF). Comparing to the co-located geophone array, the higher sensor density that DAS arrays provides help reducing aliasing in dispersion analysis, and separating different surface wave modes. This study demonstrates the feasibility and advantage of DAS in imaging shallow structure with surface waves.     

用微动中的面波信息探测地壳浅部的速度结构

本文介绍了利用地脉动中的面波信息探测地壳浅部横波速度结构的观测方法、仪器设备、野外数据采集和用空间自相关方法测定相速度及相关的数据处理方法，并给出了在两个场地的探测实例. 通过与钻探结果对比表明，由该方法推测的地壳浅部1～2 km 深度范围的浅层横波速度结构，对于确定物性差异大的地层界面是有效和可靠的. 由于该方法使用的是地脉动噪声中的面波信息，不需要专门的震源， 因此具有经济快捷、应用范围广泛等优点，将可能成为一种新的具有很好应用前景的地球物理勘探方法.     

利用深反射地震数据构建的多阶面波频散曲线反演近地表横波速度结构——以跨班公湖—怒江缝合带深反射地震资料为例

深反射地震剖面法为了获取深部结构特征常常采取大的偏移距采集数据.目前公开发表的相关资料中,鲜有利用深反射地震炮集数据获取近地表的结构特征.为此,本文通过正演测试了相关数据处理流程,即利用有限差分正演了起伏地表模型的大偏移距地震单炮弹性波场特征,通过共检波点域面波信号F-K频谱叠加构建新方法,从深反射地震数据集中提取了高品质的多阶面波频散曲线,再利用多阶面波联合反演获得了近地表的结构特征.在前述正演流程基础上,利用跨越班公湖—怒江缝合带的SinoProbe深反射地震剖面中的实际炮集数据,求取了基阶和一阶瑞利波频散曲线,联合反演后得到近地表横波速度结构.该结果与初至波走时反演获取的纵波速度结构具有较好的一致性,且在近地表的浅层分辨率较纵波速度结构特征更高,而更与已有地质认识相吻合.本文提供的相关数据处理流程表明利用深反射地震炮集数据,也能够获取近地表浅层的横波速度结构.     

分布式光纤声波传感系统在近地表成像中的应用Ⅰ：主动源高频面波

近年来发展的新型地震观测系统--分布式光纤声波传感器(DAS,Distributed Acoustic Sensing)可以实现低成本高密度观测,有望提高浅层结构成像的精度以及分辨率.最近国内研发了一系列具有自主知识产权的DAS设备,为验证国产设备在浅层结构研究中的可行性以及应用效果,2018年7月我们开展了一次DAS观测实验.实验采集了50kg落锤震源激发的地震信号,并采用多道面波分析方法提取了8~20Hz频段的主动源Rayleigh波相速度频散曲线,得到了实验区浅层30m的S波速度结构.获得的主动源面波频散曲线与共址检波器的结果吻合,也与背景噪声提取的结果具有较好的一致性,表明国产设备的可靠性和DAS在浅层结构主动源面波成像研究中的可行性.     

2015年8月12日天津化学爆炸产生的多模式面波分析及其应用研究

2015年8月12日天津滨海新区发生的强烈化学品爆炸造成了巨大的经济损失和社会影响.天津爆炸产生了清晰的大振幅面波信号,分析结果表明这组信号由基阶和高阶面波组成,可以追踪到约135 km外的远处台站.利用这组面波信号分别开展了以下研究：（1）利用附近三个台站记录的四个单频基阶Rayleigh波信号对爆破事件的绝对位置进行了网格搜索,结果与利用GPS测量的位置相差仅0.498 km;（2）分别利用网格搜索和主事件定位法,对两次子事件的相对位置进行了确定,距离约75 m左右,与前人研究结果吻合;（3）从面波记录中测量到36条基阶Rayleigh波、49条第一高阶Rayleigh波、9条基阶Love波和29条第一高阶Love波的频散曲线,并进一步反演获得研究区域地下4 km内的S波速度结构.反演结果显示地表处S波速度低至0.375 km·s^-1,在小于1 km的浅地表速度梯度较大,符合典型的盆地结构特征.本文的研究结果为类似爆炸等突发事件快速定位提供了新的思路,有助于灾后救援的迅速展开;同时得到天津滨海新区及周边浅层精细的速度结构,对于地震灾害评估有很大帮助.     

Research on the middle-of-receiver-spread assumption of the MASW method

The multichannel analysis of surface wave (MASW) method has been effectively used to determine near-surface shear- (S-) wave velocity. Estimating the S-wave velocity profile from Rayleigh-wave measurements is straightforward. A three-step process is required to obtain S-wave velocity profiles: acquisition of a multiple number of multichannel records along a linear survey line by use of the roll-along mode, extraction of dispersion curves of Rayleigh waves, and inversion of dispersion curves for an S-wave velocity profile for each shot gather. A pseudo-2D S-wave velocity section can be generated by aligning 1D S-wave velocity models. In this process, it is very important to understand where the inverted 1D S-wave velocity profile should be located: the midpoint of each spread (a middle-of-receiver-spread assumption) or somewhere between the source and the last receiver. In other words, the extracted dispersion curve is determined by the geophysical structure within the geophone spread or strongly affected by the source geophysical structure. In this paper, dispersion curves of synthetic datasets and a real-world example are calculated by fixing the receiver spread and changing the source location. Results demonstrate that the dispersion curves are mainly determined by structures within a receiver spread.     

利用面波和接收函数联合反演滇西地区壳幔速度结构

考虑到面波频散对介质S波速度、接收函数对界面深度的各自敏感性优势,综合利用面波和接收函数资料实现联合反演,求取滇西地区壳幔速度结构. 本文利用适配滤波频时分析技术处理覆盖滇西地区的长周期面波资料,获得105～1050s周期范围内的面波群速度频散,进而利用分格反演方法提取研究区内1°×1°网格纯路径频散;基于滇西地区宽频带三分量远震记录,经反褶积后得到台站下方的远震P波接收函数. 联立面波纯路径频散信息和接收函数资料建立系统方程,利用阻尼最小二乘法实现联合反演,从而获得滇西地区壳幔S波速度结构. 结果表明,滇西地区以红河断裂为界,东西两侧壳幔结构存在明显差异,断裂西侧约20km深度处存在一厚度为10km左右的低速层,而东侧并不明显;滇缅泰块体上的畹町、沧源一带属于上地幔低速区,而另一个地幔低速区则位于滇中块体上的康滇古隆起上,两处地幔低速区与大地高热流分布、强震活动具有较好的对应关系.     

SASW及MASW方法在隐伏断层探测中的应用

针对地壳浅部介质横向变化大的特点,用瞬态瑞利波SASW与MASW方法对河北夏垫断裂进行了探测与数据处理分析.分别用时间域互相关法和频率域f-k分析法提取频散曲线,然后进行反演得到横波速度结构.实验结果表明瞬态瑞利波法在应用中便捷、灵活,对于探测地表介质中非均匀异常体及断裂向浅部的延伸情况具有独特的应用前景.     

浅层地震反射和折射层析成像在海州—韩山断裂探测中的联合应用

海州—韩山断裂是连云港地区一条重要断裂, 属于海泗断裂带的西边界断裂。 断裂隐伏于较浅的覆盖层之下且控制了基岩岩性分界。 浅层地震反射法作为断层探测的首选方法, 对海州—韩山断裂进行探测时仅能识别出基岩顶面反射波, 难以实现对断裂的准确判别。 而折射层析成像法适用于速度横向差异大的区域, 可获取断层两盘岩性速度差异信息, 进而判定断层位置, 弥补反射法的不足。 本文在跨海州—韩山断裂同一位置上联合应用浅层地震反射和折射层析成像两种探测方法, 进行了钻孔联合剖面探测和合成地震记录验证。 研究表明, 浅层地震反射和折射层析成像两种方法联合探测海州—韩山断裂, 较单一方法可对断层实现更精准的定位, 获取更丰富的断层信息, 为类似地质条件下的断层探测提供了思路。     

基于背景噪声的晋冀鲁豫交界地区瑞利波群速度层析成像

晋冀鲁豫交界地区位于华北克拉通的东南部, 研究该区地壳结构有助于进一步了解河北南部及其邻区地质构造演化特征、 发震机制、 发震规律。 本文收集了晋冀鲁豫交界地区两年84个地震台连续波形观测资料, 通过台站对波形互相关, 得到各台站对间的经验格林函数, 再利用图像分析技术提取瑞利波频散曲线。 本文基于面波直接成像方法得到不同深度剪切波速度结构。 结果显示, 该区部分速度异常与该区地表地质构造单元存在相关性, 速度异常呈区域分布特征, 山区和盆地呈现非常显著的速度差异, 浅层上地壳结构速度变化特征与沉积层厚度、 结晶基底埋深等区域构造密切相关, 中下地壳及上地幔存在不规则的速度异常, 与该区的地震发生存在相关性。