处于海洋环境的桩柱在瑞利波作用下的响应

本文以一海洋深水环境桩柱为例,考虑到海洋地基为两相饱和土介质,基于Biot两相饱和多孔介质理论,通过数值算例分析了饱和介质中瑞利波加速度、位移分布规律并与单相弹性介质地基条件下进行了对比,结果表明,瑞利波主要作用于地表附近且振动幅度随深度衰减很快,饱和地基下的瑞利波影响深度要大于单相弹性地基,在瑞利波地震作用下,考虑两相饱和介质下的桩柱位移响应大于单相弹性介质地基。并且由于桩柱处海洋深水环境,本文对环境水体对桩柱振动响应的影响进行了研究,结果表明,流固耦合效应可明显降低桩柱运动响应,在海洋深水环境地震响应分析时,有必要考虑饱和地基以及流固耦合效应对桩柱运动响应的影响。     

层状黏弹性介质中Rayleigh波频散曲线“交叉”现象分析

Rayleigh波勘探方法在探测近地表横波速度、动力学特征等环境与工程地球物理领域获得了广泛应用.这种方法以弹性层状介质理论为基础,然而实际介质具有黏弹性,研究面波在层状黏弹性介质中的传播特征,将为近地表面波勘探提供有益帮助.在某些弹性层状介质模型中,例如存在低速夹层和强波阻抗差异地层模型,Rayleigh波相邻两条频散曲线彼此会非常靠近,产生看似彼此"交叉"的现象,即"osculation"现象,但对于黏弹性介质中的这种现象并没有进行相关的研究.本文利用Muller法计算层状黏弹性介质Rayleigh波频散方程,基于层状介质模型中Rayleigh波频散和衰减曲线连续的性质,结合本征位移曲线特征,分析二层黏弹性介质模型中Rayleigh波频散曲线"交叉"现象以及"交叉"点附近的波动特性.结果表明:与弹性介质相比,黏弹性介质中Rayleigh波的波动特性存在明显差异,随着介质对地震波的损耗越来越强,将导致Rayleigh波频散曲线发生"交叉"现象.     

黏弹性介质中瑞雷波有限差分数值模拟与波场分析

瑞雷面波经常被用来反演地表浅层横波速度,受到越来越广泛的关注。对瑞雷波的研究一般都基于完全弹性介质,而实际地层更接近黏弹性介质,对黏弹性介质中的瑞雷面波进行模拟更具实际意义。本文采用广义标准线性体模型来描述黏弹性介质,并采用交错网格有限差分法对考虑水平自由表面的黏弹介质进行正演模拟,再与弹性介质中的结果进行对比分析。首先采用非线性最优化算法根据期望常数品质因子直接求取松弛时间来拟合常Q模型,并给出广义标准线性固体的具体算例,实施自由表面条件时采用声学-弹性边界近似法,通过剪切模量不变来考虑自由表面上、下横向应力保持连续的条件。对于非自由表面,采用非分裂的多轴卷积完全匹配层来吸收波场。然后对几种典型的数值模型进行正演模拟计算,数值解与解析解的对比验证了本文方法的准确性与有效性,正演结果的对比表明波场尤其是面波频散会受黏弹性影响,因此有必要在面波勘探中考虑黏弹性因素。      

含孔隙介质的分层半空间表面瑞利波的衰减特性

以分层半空间内部含有一层孔隙介质为物理模型进行数值计算,研究半空间表面瑞利波的传播和衰减特性.为更加接近实际,结合瑞利波的激发特性,确定了瑞利波的主衰减曲线,并主要以此进行规律分析.针对速度递增和含低速层这两种典型的地质模型,讨论了瑞利波的传播衰减在不同地质模型下的特性,并分析了各自的规律.结果表明,在这两种模型下瑞利波的主衰减曲线都受孔隙介质所处空间位置影响产生比较明显的变化,但衰减系数极大值对应的波长与模型的表层厚度存在较明显的线性对应关系,利用这一关系,可以在实际勘探中快速得到表层介质厚度.另外,通过对比分析还可以看到,瑞利波主衰减曲线随孔隙介质的孔隙度和渗透率的变化都强于主频散曲线的变化,表明衰减曲线对孔隙度和渗透率的变化更加敏感,理论上更加适合进行介质参数反演工作.综合对比结果,我们认为瑞利波主衰减曲线中包含了更丰富的介质参数信息,如果能够有效利用,将可以提高瑞利波勘探的准确性和应用范围.     

黏弹性介质中多波振幅补偿及其对AVO反演的影响

本文导出了黏弹性层状介质中的多波波前扩散及介质吸收校正公式,为实测多波地震记录的真振幅补偿提供了理论基础.其次,利用Born一级近似线性化反射系数来确定频率域一个黏弹性介质的半反射界面上的多波映射矩阵,建立了模型解误差与参考模型的误差以及与模型参数之间的关系.对误差映射算子的分析结果表明,参考模型的误差存在并不改变AVO反演的模型参数的组合关系,但该误差对反演解的误差起放大作用,并且,参考模型的速度误差对AVO反演的影响程度比介质品质因子的误差大一个数量级.     

含有孔隙层的地表分层模型中瑞利波频散特性研究（英文）

瑞利波勘探主要是建立在弹性介质分层半空间模型基础上的。当实际地层中包含孔隙介质层时,需要将孔隙介质简化为弹性介质来进行分析和处理。这种简化处理究竟对瑞利波勘探造成怎样的影响是本文所研究的问题。本文基于弹性介质与孔隙介质共同构成的分层半空间模型,首先推导了分层半空间中两种介质处于不同相对位置时的瑞利波频散方程,解决了不同阶数矩阵之间的变量传递问题然后,针对传递矩阵法在求解频散函数时可能出现的溢出问题,给出了一种可以有效提高计算范围的解决方案;同时,提出了一套新的数值算法用于复频散方程的快速求解。数值计算结果表明:当孔隙介质位于半空间表面时对低频瑞利波频散特性的影响最为显著,而在其它情况下对瑞利波频散特性的影响相对较小。     

二维复杂黏弹性各向异性介质中的地震射线追踪

实际地层中传播的地震波普遍存在速度各向异性和能量衰减现象,因此基于弹性介质假设条件下的地震射线正反演算法具有一定的局限性,而研究黏弹性各向异性介质中的地震波传播规律可为揭示地下结构提供更加可靠的理论依据.射线追踪技术是揭示高频地震波传播特性的有效手段之一,然而绝大多数研究仅限于弹性介质.针对黏弹性各向异性介质,本文首先给出了一种射线速度和振幅衰减的计算方法,然后结合改进型最短路径算法,在实空间内实现了计算复杂介质模型中地震波(qP,qSV,qSH)的射线路径和传播走时以及能量衰减(虚走时).该算法适用于复杂黏弹性各向异性介质.误差分析结果显示,实走时的最大相对误差小于0.13％,虚走时的最大相对误差小于0.55％,表明该算法具有较高的计算精度.     

黏弹性介质VSP记录模拟及在估算Q值研究中应用

采用标准线性固体模型,本文建立了黏弹性介质完全匹配层吸收边界的高阶速度-应力交错网格有限差分算法,并对黏弹性介质中的地震波传播进行了数值模拟.基于黏弹性波动方程正演模拟提供的零偏VSP全波场数据,本文进行了质心频移法计算Q值的反演分析.结果表明,反射波、转换波及短程多次波对频谱的影响较大,对Q值反演造成一定误差.本文的...     

体波接收函数与瑞利波椭圆率联合反演研究

近年来,结合体波接收函数或瑞利波椭圆率,面波频散已被广泛应用于岩石层结构的成像研究中。由于面波频散是其传播路径的总传播效应,因此联合反演方法需依赖于密集的地震台阵或较高的地震活动性,从而获得局部速度结构。但是,接收函数和瑞利波椭圆率均为具有局部敏感性的单台测量方法,并且能自然地相互合并进行联合反演。本文中,我们对利用瑞利波椭圆率和接收函数联合反演的可行性进行了探讨。我们通过正演模拟进行了敏感性检验,发现接收函数对速度跃变的界面较为敏感,但对长波结构显示较弱的敏感性,这几乎与瑞利波椭圆率互补。因此,利用两种单台测量方法进行联合反演为地震台站下方的速度结构提供了更严格的条件约束。本文提出了一种基于快速模拟退火方法的联合反演算法,对岩石层结构的瑞利波椭圆率和接收函数进行反演。该算法在印度克拉通和美国威利斯顿盆地的应用中,在减少反演的非唯一性方面证明了其有效性。但是,通过该联合反演可能无法获得有效的地壳平均速度,表明有必要结合面波频散(或其他类型的观察研究)、接收函数和瑞利波椭圆率来获得更准确的速度结构。     

基于高阶广义标准线性体模型的三维黏弹性介质弹性波正演模拟

吸收衰减是地震波在实际地球介质中传播的固有特征.在实际应用中,通常假设表征吸收衰减特征的品质因子Q在地震频带范围内不随频率变化.高阶广义流变模型能够在时间域内精确的表征品质因子Q不随频率变化的特征,为黏弹性介质波动方程精细模拟奠定了基础.基于广义标准线性体模型理论,采用最小二乘拟合方法对Q值不随频率变化特征进行拟合,分析了不同阶次广义标准线性体模型对黏弹性介质Q值特征的拟合程度,在权衡计算精度和三维计算量的基础上,确定了五阶广义标准线性体模型并建立了相应的三维黏弹性波的速度-应力方程,结合CFS-PML边界条件开展了高精度三维黏弹性波正演模拟.通过均匀介质正演模拟,验证算法的正确性,明确了地震波的传播时的吸收衰减特征,对三维盐丘模型进行数值模拟,表明了五阶广义标准线性体可以精确的模拟黏弹性介质地震波吸收衰减特征.     

黏弹性与弹性介质中Rayleigh面波特性对比研究

Rayleigh面波的频散特性可以用来研究地表浅层结构. 本文使用时域有限差分法来模拟复杂黏弹性介质中的Rayleigh面波,研究了Q值对面波频散特性的影响.文中采用旋转交错网格有限差分,以非分裂卷积形式的完全匹配层为吸收边界,推出了求解二阶位移-应力各向同性黏弹性波动方程的数值方法.为了检验数值解的精度,首先将简单模型的正演结果与解析解对比,验证了方法的正确性;然后模拟了横向缓变层状介质和含有洞穴的介质中的面波,对弹性和黏弹性介质中的面波的频散特性进行对比分析.模拟结果表明浅层Q值对面波的频散特性有显著的影响;强吸收情况下,高阶面波的能量相对低阶面波能量显著增强.     

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.     

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.     

Propagation and attenuation of Rayleigh waves in a semi-infinite unsaturated poroelastic medium

An analytical model for describing the propagation and attenuation of Rayleigh waves along the free surface of an elastic porous medium containing two immiscible, viscous, compressible fluids is developed in the present study based on the poroelastic equations formulated by Lo et al. [Lo WC, Sposito G, Majer E. Wave propagation through elastic porous media containing two immiscible fluids. Water Resour Res 2005;41:W02025]. The dispersion equation obtained is complex-valued due to viscous dissipation resulting from the relative motion of the solid to the pore fluids. As an excitation frequency is stipulated, the dispersion equation that is a cubic polynomial is numerically solved to determine the phase speed and attenuation coefficient of Rayleigh waves in Columbia fine sandy loam permeated by an air–water mixture. Our numerical results show that, corresponding to three dilatational waves, there is also the existence of three different modes of Rayleigh wave in an unsaturated porous medium, which are designated as the R1, R2, and R3 waves in descending order of phase speed, respectively. The phase speed of the R1 wave is non-dispersive (frequency-independent) in the frequency range we examined (10 Hz–10 kHz) and decreases as water saturation increases, whose magnitude ranges from 20% to 49% of that of the first dilatational wave with respect to water content. However, it is revealed numerically that the R2 and R3 waves are functions of excitation frequency. Given the same water saturation and excitation frequency, the phase speeds of the R2 and R3 waves are found to be approximately 90% of those of the second and third dilatational waves, respectively. The R1 wave has the lowest attenuation coefficient whereas the R3 wave attenuates highest.     

黏弹介质中勒夫波频散问题的统一解及其动态特征分析

目前完全弹性介质中面波频散特征的研究已较为完善,多道面波分析技术(MASW)在近地表勘探领域也取得了较好的效果,但黏弹介质中面波的频散特征研究依然较少.本文基于解析函数零点求解技术,给出了完全弹性、常Q黏弹和Kelvin-Voigt黏弹层状介质中勒夫波频散特征方程的统一求解方法.对于每个待计算频率,首先根据传递矩阵理论得到勒夫波复频散函数及其偏导的解析递推式,然后在复相速度平面上利用矩形围道积分和牛顿恒等式将勒夫波频散特征复数方程的求根问题转化为等价的连带多项式求解问题,最后通过求解该连带多项式的零点得到多模式勒夫波频散曲线与衰减系数曲线.总结了地层速度随深度递增和夹低速层条件下勒夫波频散特征根在复相速度平面上的运动规律和差异.证明了频散曲线交叉现象在复相速度平面上表现为:随频率增加,某个模式特征根的移动轨迹跨越了另一个模式特征根所在的圆,并给出了这个圆的解析表达式.研究还表明,常Q黏弹地层中的基阶模式勒夫波衰减程度随频率近似线性增加,而Kelvin-Voigt黏弹地层中的基阶模式勒夫波衰减程度随频率近似指数增加,且所有模式总体衰减程度强于常Q黏弹地层中的情况.     

瑞利波勘探中“之”形频散曲线的形成机理及反演研究

对瑞利波勘探中“之”字形频散曲线形成的物理机理进行了理论分析,研究了诸波模的传播特性及相互关系．指出在地表下存在具有水平界面的软弱夹层和地层裂缝时,瑞利波频散曲线中的“之”字形结构是低速夹层或地层裂缝中出现多模现象的结果．利用阻尼最小二乘法和遗传算法对瑞利波频散曲线反演介质参数进行了研究和分析,发现最小二乘法不适合瑞利波“之”字形反演问题研究,而用遗传算法得到了较好的结果．     

Viscoelastic representation of surface waves in patchy saturated poroelastic media

Wave-induced flow is observed as the dominated factor for P wave propagation at seismic frequencies. This mechanism has a mesoscopic scale nature. The inhomogeneous unsaturated patches are regarded larger than the pore size, but smaller than the wavelength. Surface wave, e.g., Rayleigh wave, which propagates along the free surface, generated by the interfering of body waves is also affected by the mesoscopic loss mechanisms. Recent studies have reported that the effect of the wave-induced flow in wave propagation shows a relaxation behavior. Viscoelastic equivalent relaxation function associated with the wave mode can describe the kinetic nature of the attenuation. In this paper, the equivalent viscoelastic relaxation functions are extended to take into account the free surface for the Rayleigh surface wave propagation in patchy saturated poroelastic media. Numerical results for the frequency-dependent velocity and attenuation and the time-dependent dynamical responses for the equivalent Rayleigh surface wave propagation along an interface between vacuum and patchy saturated porous media are reported in the low-frequency range (0.1–1,000 Hz). The results show that the dispersion and attenuation and kinetic characteristics of the mesoscopic loss effect for the surface wave can be effectively represented in the equivalent viscoelastic media. The simulation of surface wave propagation within mesoscopic patches requires solving Biot’s differential equations in very small grid spaces, involving the conversion of the fast P wave energy diffusion into the Biot slow wave. This procedure requires a very large amount of computer consumption. An efficient equivalent approach for this patchy saturated poroelastic media shows a more convenient way to solve the single phase viscoelastic differential equations.     

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.