随机介质模型中瑞雷波正演模拟及波场特性分析

为了研究介质的不均匀性对瑞雷波波场特性的影响,利用高精度交错网格法对不同自相关长度的随机介质模型在不同震源主频率时的波场进行了正演模拟,并应用相移法提取了频散曲线。通过对比波场快照、单道记录及分析频散曲线可以得出:随机介质中的不均匀体会导致瑞雷波传播能量的减弱,并使波的到达时间发生变化;大于或与波长相当的不均匀体随机介质以及由细密薄层构成的地层介质对频散曲线影响较大,这种情况下进行瑞雷波勘探时不能将其视为均匀介质。     

面波频散能量谱计算方法

面波频散能量谱成像精度是近地表横波速度计算的重要影响因素,有效提取面波频散曲线是后续反演地层结构及介质物性参数的重要环节。文中论述了τ-p变换法（τ为垂直波慢度,p为水平波慢度）、高分辨率线性Radon变换法、频率分解法、相移法、f-k变换法（f为频率,k为波数）、SFK变换法和矢量波数变换法等7种不同面波频散能量谱计算方法的基本原理;通过上述方法,对三层速度递增水平层状介质模型正演模拟合成Rayleigh波记录进行频散能量谱计算,并与理论频散曲线进行比较;根据所得频散能量谱,分析不同方法在数据处理过程中的特点与应用差异。结果表明：在提取频散曲线过程中,高分辨率线性Radon变换法和矢量波数变换法提取精度较高,f-k变换法提取精度最低,低频信息与高频信息无法有效识别;SFK变换法、矢量波数变换法、高分辨率线性Radon变换法抗噪性能强;τ-p变换法、f-k变换法、相移法计算速度优于其他方法。     

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.     

Matlab环境下瑞利波有限差分正演与曲线绘制

以瑞利波频散方程为出发点的Abo-Zena传递矩阵等方法,只能研究层状介质中瑞利波的传播特性,对于非层状介质,传递矩阵无能为力。因此,不得不考虑有限元、有限差分等方法。根据弹性动力学方程,采用交错网格有限差分方法对均匀弹性半空间介质进行全波场模拟,并在Matlab环境下实现编程计算,再现了瑞利波在近地表的传播状态,实现了地震剖面曲线的正振幅充填问题,从而获得了类似野外地震勘探的剖面记录。模拟结果表明,采用一阶差分格式所得到的地震记录存在较严重的数值频散,在采用有限差分法研究瑞利波"之"字形成因时,须尽量压制数值频散现象,才能获得更接近实际情况的频散曲线。      

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。     

近地表勘探中炮检距对瑞利波频散成像效果的影响

在油田近地表勘探中,可以利用现有的地震大炮记录中的瑞利波信息进行频散成像,提取瑞利波频散曲线反演近地表的横波速度结构。由于大炮地震记录的采集排列很长,且不同炮检距范围内瑞利波数据的频散成像结果存在差异,从而会对频散曲线的提取和反演结果产生影响。笔者利用胜利油田LJ地区的盒子波地震数据,从频散成像的分辨率和连续性两个方面,分析了不同排列长度和不同偏移距下的频散成像结果,发现长排列可以有效提高频散成像的分辨率,且在较近偏移距下的频散成像效果更好。同时,验证了Zhang2004年提出的最优偏移距计算公式在石油近地表勘探中的有效性及适用性,并可以作为近地表瑞利波勘探时最优偏移距的选择标准。     

基于频散曲线合成面波地震记录的方法

准确提取频散曲线是瑞雷波勘探的重要环节,检验各种频散曲线求取方法的正确性和稳定性至关重要。基于频散曲线,选择抽样脉冲信号作为子波,推导出了合成单炮面波地震记录的理论公式,并利用该公式,针对不同弹性层状介质模型的频散曲线合成了面波地震记录。通过对其波场特征对比和频谱分析,同时采用频率-波数域法反求其频散曲线,结果与模型频散曲线几乎相同,从而充分验证了该面波合成方法的正确性。      

路基边界对瑞利波检测影响的数值模拟研究

瑞利波检测被广泛应用于路基工程质量检测中,但对于瑞利波沿三维路基体的传播规律以及对检测结果的影响,尚缺乏深入研究.笔者利用有限差分软件FLAC3D,对单层介质半无限大体和三维路基体的瑞利波传播特性以及频散曲线进行了数值模拟分析;并与半无限体的瑞利波理论频散曲线进行了对比;讨论了三维路堤边界对瑞利波检测路基路面的影响.     

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。     

煤层中瑞利型槽波的频散特性

频散是槽波的最大的特征,基于此推导三层对称模型的瑞利型槽波的频散特征方程并绘制出频散曲线,对频散曲线进行研究,讨论地层参数与埃里相频率的关系(影响频散的因素)。通过研究表明,利用已知频散曲线可以进行地层厚度、速度等参数的反演和估算。     

夹层厚度对瑞利面波频散曲线的影响

文章以弹性波横波速度为参数,利用瑞利面波频散曲线的快速标量传递算法进行正演模拟计算,系统研究软弱层厚度对瑞利面波基阶模频散曲线的影响,分析和总结了频率与相速度（f-c）、频率与波数（f-k）、深度与相速度（h-c）等瑞利面波基阶模曲线随软弱层厚度变化的规律。     

三层层状介质中瑞利波的频散曲线特征

在前人工作的基础上对三层层状介质的瑞利波频散曲线进行了正演模拟研究,对假定的几组典型模型参数的频散曲线进行了认真分析。通过分析可知,各频散曲线之间是互不相交的,从而对此问题有了一个更清晰的认识。指出当低速软弱夹层存在时频散曲线的特点,并根据分析结果,说明"之"字形频散曲线的形成机理。     

基于S变换的瑞利面波频散分析

提取面波频散曲线是面波资料处理中最关键的一步。由于时频分析方法的局限,提出了利用S变换进行瑞利面波频散分析的方法,并给出了具体算法。该方法在时间频率域中计算相邻两道面波记录同一频率的时间差,再利用道间距除以该时间差来得到该频率对应的相速度,这样避免了在道间距较大的情况下,传统的相位谱法可能造成相位差的缺陷。通过理论模型和实际资料对该方法进行了验证。结果表明,该方法能够提高瑞利面波频散曲线的提取精度,而且算法简单,具有一定的实用性。     

瑞利波在非均匀饱和地基中的传播特性

考虑地基横观各向同性和非均匀性,建立孔隙率、密度、剪切模量及渗透系数同时随深度变化的非均匀饱和地基模型,模型中考虑参数间的耦连影响,并引入非均匀因子表征地基的不均匀程度。基于Biot多孔介质理论建立以土骨架位移和孔隙水压力为基本未知量的控制方程,采用微分算子法对控制方程进行解耦求解,推导出非均匀饱和地基中瑞利波的频散方程。将推导结果分别退化到均匀饱和地基和单一弹性地基,验证了结果的正确性。通过数值算例,对非均匀饱和地基中瑞利波的传播速度、衰减系数及位移分布进行分析。结果表明：在低频区,饱和地基的非均匀性对瑞利波传播速度、衰减和位移都有显著影响,质点运动轨迹也由此发生变化;随着频率的升高,这种影响逐渐减小,当频率趋于无穷大时,瑞利波速度收敛于弹性地基中的波速;地基非均匀性增大了瑞利波的传播阻抗性,瑞利波位移加速衰减,传播深度小于均匀饱和地基。随着非均匀性增大,质点竖向位移的衰减快于水平位移,这种差异造成质点椭圆运动轨迹的扁率减小。此外,地基中非均匀土层厚度越小,则地基非均匀程度越高,对瑞利波的传播影响越大。     

基于附加层法的非规则剖面的瑞利波频散特性研究

对于某些非规则水平层状地质剖面,采用传递矩阵法获得的瑞利波频散曲线可能会出现截止或截断现象,但采用附加层的方法可避免这些现象的发生。通过采用附加层法前后相速度与激发强度大小的对比,来论证附加层法的正确性。对3个典型的非规则剖面进行模拟计算,利用传递矩阵法算得添加附加层前后瑞利波频散曲线,以及某些特征点处位移分量随深度的变化情况。通过对计算结果的对比分析可知,附加层法不仅可计算出地质剖面的实数导波,还可算出其泄漏模式波;在固定的频率点上,附加层的埋深越大,则添加附加层后算得的激发强度大小与原模型的误差越小;当附加层的埋深固定时,添加附加层后计算出的位移曲线与原位移曲线之间的误差随着对比点频率的增大而减小。可见,今后根据实际工作的精度要求,可用附加层法计算某些非规则剖面的瑞利波频散曲线。     

刚度缓变介质中瑞利波特性

基于薄层刚度矩阵方法,研究了瑞利波在3种典型刚度缓变介质中传播特性,并对瑞利波在缓变介质及分层介质中传播特性进行比较。结果显示,无论剖面刚度是缓变还是分层变化,对规则剖面,表面波场基阶模态占主导地位,远场表面波有效相速度与基阶模态相速度接近;对不规则剖面,表面波场中高阶模态影响较大,影响程度及频率范围与剖面刚度变化有关。在缓变介质中,模态相速度高频趋势值高于剖面最小剪切波速介质的瑞利波速,有效相速度趋势值也明显偏离表面介质瑞利波速,这些特性与分层介质不同。研究结果显示,当缓变介质用数量有限的虚构分层来模拟时,表面波频散测试数据与理论值匹配程度及剖面分析精度会受虚构层数量影响。     

瞬态瑞雷面波勘探中隐伏溶洞的响应特征研究

瞬态瑞雷面波法勘探中,掌握隐伏溶洞的响应特征是进行野外探查分析的基础。结合两类填充状态隐伏溶洞,使用有限差分法进行数值模拟,分别构建不同发育介质溶洞模型。并利用贵广铁路隐伏溶洞探测实例验证探测效果。分析认为:瑞雷面波法对面波相速度差异反映敏感,精度较高,对基岩面和两种类型隐伏溶洞分辨率高;对于填充溶洞,速度响应由溶洞中充填介质的物性决定,一般为低速反映;对于空溶洞,速度较粘土层及基岩均为低速反映;两种溶洞探测面波频散曲线在溶洞位置都会出现较为形象明显的“之”字形拐曲。取得的结果可为工程应用提供借鉴。     

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。