基于贝叶斯理论的接收函数与环境噪声联合反演

基于Bayes反演理论(Tarantola,1987,2005),在接收函数非线性复谱比反演方法基础上(刘启元等,1996),本文讨论了接收函数与地震环境噪声Rayleigh波相速度频散的联合反演.本文采用修正后的快速广义反射/透射系数方法(Pei et al., 2008,2009) 计算Rayleigh波相速度频散, 并引入地壳泊松比的全局性搜索.数值检验表明:(1)接收函数与环境噪声的联合反演能够有效地解决反演结果对初始模型依赖的问题,即使对地壳速度结构仅有非常粗略的初始估计(例如,垂向均匀模型),本文方法仍能给出模型参数的可靠估计;(2)由于环境噪声与接收函数在频带上的适配性明显优于地震面波,接收函数与环境噪声的非线性联合反演能更好地约束台站下方近地表的速度结构;对于周期范围为2~40s的环境噪声相速度频散,利用本文方法能够可靠推测台站下方0~80 km深度范围的S波速度结构, 其浅表速度结构的分辨率可达到1 km; (3)本文方法能够可靠地估计地壳泊松比,泊松比的全局性搜索有助于合理解释接收函数和环境噪声的面波频散数据.利用本文方法对川西台阵KWC05台站观测的接收函数与环境噪声的联合反演表明,该台站下方地壳厚度为44 km,上地壳具有明显的高速结构,24~42 km范围的中下地壳具有低速结构.该台站下方地壳的平均泊松比为0.262,壳内低速带的泊松比为0.27.     

水平层状介质中基阶瑞利面波椭圆极化特征数值分析与研究

近年来的工程实践表明,以速度频散特性为理论基础的传统瑞利面波法的实际应用存在场地限制的瓶颈问题.为克服该困难,本文从面波的基础理论着手,在前人建立的水平层状介质中瑞利面波速度频散方程的基础上,推导了水平层状介质中瑞利面波质点位移的解析解公式.以工程中常见的几种典型的水平层状地层模型为例,结合地脉动单点谱比法(HVSR,Horizontal to Vertical Spectral Ratio),对基阶瑞利面波的椭圆极化特征进行了数值模拟研究.研究结果表明:与瑞利面波的速度频散特性类似,其椭圆极化同样具有频散特性,且椭圆极化时的质点位移水平分量与垂直分量的频谱比与地层泊松比结构有关.瑞利面波的这种椭圆极化特性展示了利用单点瑞利面波的多分量评价地层泊松比结构的理论可行性.     

基于邻域算法的瑞利面波垂直-水平振幅比及频散曲线联合反演及应用

瑞利面波垂直-水平振幅比(或ZH振幅比)是一个随频率变化的函数,对于台站下方浅层地壳结构非常敏感,且具有和频散资料不同的深度敏感核,是传统频散反演方法的一个很好的补充,从而可以将基阶瑞利面波的ZH振幅比和面波频散数据联合起来更好地反演获得观测台站下方的速度结构.本文提出了基于邻域算法的面波频散曲线与ZH振幅比联合反演方法,我们进行了基于理论模型的模拟测试,证明了联合反演是一种更为可靠的反演方法,且能更好地约束浅层地壳结构.相比于频散曲线单独反演,联合反演不仅可以精确反演获得地壳的Vs结构,对分层地壳的Vp/Vs也能很好地约束.然后我们将联合反演算法应用于实际测量数据,获得了中国西南昆明台(KMI)下方更为准确的地壳横波速度结构及Vp/Vs模型.     

基于面波走时的三维结构面波直接成像：方法综述与应用

利用面波频散数据进行各向同性和各向异性横波速度结构成像是研究全球和区域构造变形、获取地壳上地幔和近地表精细结构的一种非常有效的方法.传统的基于频散数据的面波成像通常采用两步法,即首先反演二维相速度或群速度分布图,然后再基于格点的纯路径频散反演格点下方的一维横波速度模型,之后再拼合成三维速度模型.在本文中我们较为详细地综述新发展的基于面波频散走时的三维面波直接成像方法体系,即面波一步法成像.该方法体系包括通过所有路径、不同频率的面波频散走时直接反演三维各向同性横波速度结构的方法（DSurfTomo）、直接反演三维方位各向异性横波速度结构的方法（DAzimSurfTomo）,以及直接反演三维径向各向异性横波速度结构的方法（DRadiSurfTomo）.新的面波直接成像方法计算不同周期的面波射线路径,从而更好地考虑复杂结构下面波射线路径弯曲对成像精度的影响.随后我们介绍面波直接成像方法的应用实例,包括地壳上地幔及地壳浅部的多尺度各向同性和各向异性横波速度结构的成像,这些成像研究为认识区域构造演化、孕震构造、断裂带浅部结构、成矿构造、城市地下结构等提供了重要的约束.最后我们讨论面波直接成像方法...     

基于改进Frequency-Bessel变换法的主动源Love波频散分析

近年来, Love波多道分析技术在浅地表结构探测中受到越来越广泛的应用.与Rayleigh波相比, Love波相速度不受纵波速度影响, 其反演参数较少, 可使反演过程更加稳定、求解的横波速度模型更加可靠.高分辨率和多模式面波频散分析是面波多道分析技术中至关重要的一环.本文利用改进Frequency-Bessel变换法对主动源Love波进行频散分析.通过改进的0阶Frequency-Bessel变换, 将时间-空间域多道Love波记录变换到频率-波数域, 获得其频散能量谱.通过公式推导和数值模拟, 验证了该方法的有效性.实例测试表明, 该方法具有较高的分辨率和多模式分辨能力, 为多分量面波勘探提供了一种有效的频散分析手段.

     

瑞利面波频散曲线贝叶斯反演及其在活断层调查中的应用

瑞利波具有强能量和频散特性,面波勘探采集瑞利面波数据分析反演得到横波速度结构,在浅地表勘探领域得到了广泛的应用,根据面波频散反演速度结构是面波勘探的重要环节之一.面波频散与地下介质的弹性参数是非线性关系,全局优化方法是解决非线性反问题的有效办法,贝叶斯方法是一种基于统计的全局优化方法.贝叶斯公式反映了先验信息和条件概率乘积与后验概率之间的正比关系,利用马尔科夫链蒙特卡洛采样方法可以获得后验分布的采样.与其他方法相比,该方法不是给出一个模型最优解,而是统计出模型参数的平均值和方差,平均值即是反演的模型解,方差能对该反演结果的不确定性做出评价.本文采用贝叶斯方法对模拟和实测瑞利面波数据频散曲线进行反演,结果显示,该方法能获得比较精确的横波速度和厚度参数,验证了本文方法可行.在高丽营地区采集了多个单炮面波数据,对数据进行频散谱处理拾取频散曲线,通过贝叶斯反演方法获得了该测线二维横波速度剖面图,有助于划分和解释该测区地层及断层地质构造.     

岩石的粘弹性谐振Q模型

实验表明,在应变小于10-6范围内,砂岩对地震波的吸收主要由孔隙流体的局部运动引起,而且Q值随频率的变化出现谐振现象。据此,作者认为,地壳上部地震波能量的耗损可以表示为以下两种成分的线性组合:1.由滑动摩擦、热弹性驰豫、位错运动等引起的能量消散,它们主要与岩石的固相成分有关,可近似地用恒Q模型描述;2.由孔隙流体运动引起的能量消散,可以用谐振公式描述。根据这一认识,利用描述因果关系的Kramers-Krnig关系式可推导出表示地壳上部岩石粘弹性（复弹性模量,相速度频散和衰减函数）的公式,它们综合地描述了由各种机制引起的波的频散和吸收,并在谐振Q值等于参考常数Q值时退化为目前常用的Futterman模型。作为这种谐振Q模型的应用,介绍了它用于Q值测量结果外推和频散一吸收研究以及粘弹性介质中反射地震道合成的结果。     

基于互相关相移的主动源地震面波频散成像方法

以多道面波分析技术(MASW)为代表的主动源面波方法已经在地表勘探领域获得越来越多的应用.准确的面波相速度频散成像是利用主动源面波法进行近地表横波速度反演的必要条件.本文提出了一种新的主动源面波频散成像方法—CCPS(Cross-Correlation and Phase-Shifting)法.首先,将单炮面波记录由时空域变换到频率空间域并消去振幅谱的影响,得到归一化频谱.然后,依次将每道信号与整个记录进行互相关的同时进行相速度扫描叠加.最后经过一次求和过程即得到最终的频散图像.通过理论数据、实际工程地震面波资料和石油勘探面波资料比较了普通相移法和CCPS法的频散成像效果.研究表明:新方法相对于普通相移法而言,明显提高了频散图像的质量,相速度聚焦性能和背景噪声压制能力有显著改善.     

基于CFS-CPML边界处理的LOVE面波有限差分模拟

建立近地表横波速度模型时通常需要用到面波分析的方法.Love面波是在低速层分界面附近传播的一种SH型不均匀平面波,本文利用高阶有限差分算子、合理的自由地表边界条件以及CFS-CPML吸收边界条件,获得了高精度的Love面波波场记录,并与传统的分裂式完全匹配层得到的波场记录作对比,体现了CFS-CPML吸收边界条件的优越性.在此基础上将数值模拟提取的频散特征与理论的频散特征进行对比,证明二者非常吻合,验证了Love面波有限差分模拟的精度很高,可以用来研究复杂情形下的Love面波频散特征,并分析了Love面波位移应力等一系列正演特征.     

中国深部构造研究的进展

本文扼要地总结了我国对深部构造研究的进展情况。曾经在几个不同地区进行过地震测深的工作,有些地区发现地壳中存在高速或是低速的夹层。曾经利用数字计算求得不同地区的地震面波频散,并用阻尼最小二乘方法反演地壳的参数。根据地震面波频散的特征,可以研究我国大地构造单元的区分。     

中国深部构造研究的进展

本文扼要地总结了我国对深部构造研究的进展情况。曾经在几个不同地区进行过地震测深的工作,有些地区发现地壳中存在高速或是低速的夹层。曾经利用数字计算求得不同地区的地震面波频散,并用阻尼最小二乘方法反演地壳的参数。根据地震面波频散的特征,可以研究我国大地构造单元的区分。     

岩石的粘弹性谐振Q模型

实验表明,在应变小于10^-6范围内,砂岩对地震波的吸收主要由孔隙流体的局部运动引起,而且Q值随频率的变化出现谐振现象。据此,作者认为,地壳上部地震波能量的耗损可以表示为以下两种成分的线性组合:1.由滑动摩擦、热弹性驰豫、位错运动等引起的能量消散,它们主要与岩石的固相成分有关,可近似地用恒Q模型描述;2.由孔隙流体运动引起的能量消散,可以用谐振公式描述。根据这一认识,利用描述因果关系的Kramers-Krnig关系式可推导出表示地壳上部岩石粘弹性（复弹性模量,相速度频散和衰减函数）的公式,它们综合地描述了由各种机制引起的波的频散和吸收,并在谐振Q值等于参考常数Q值时退化为目前常用的Futterman模型。作为这种谐振Q模型的应用,介绍了它用于Q值测量结果外推和频散一吸收研究以及粘弹性介质中反射地震道合成的结果。     

利用单点六分量地震提取面波频散谱的数值验证

面波频散反演是揭示地下速度结构的一项重要手段.传统面波勘探技术侧重于多台站阵列数据频散分析.旋转地震学理论框架下六分量地震观测时,仅利用单台站记录的平动与旋转分量就可以获得面波频散曲线.本文从频率域谐振分析出发,利用模态叠加正演方法,讨论了不同模型下平动与旋转联合估算Rayleigh波相速度的可靠性.结果表明：单台站多分量地震数据估算的频散曲线受多种因素影响,估计过程存在一定的系统误差;典型浅层地质模型下,单点估算与多道面波分析方法（MASW）提取的Rayleigh波频散曲线在低频段吻合性好;若要降低单点多分量地震估算的系统误差,仍需研发配套的波场分离与不同阶频散谱的高精度提取技术.

     

基于背景噪声初步研究河北及邻区的剪切波速度结构

本文根据2010年1～12月河北及邻区的83个宽频地震仪12个月连续噪声记录, 分析了河北及邻区瑞利面波的群速度频散曲线并反演了主要分区内的典型路径剪切波速度结构。 首先采用多重滤波方法提取了台站对5～50 s的面波群速度频散曲线, 然后用Herrmann线性反演方法反演了剪切波速度结构。 结果表明, 群速度频散曲线及剪切波速度分布特征与地表地质和构造特征表现出较好的相关性, 清晰地揭示了地壳内部的横向速度变化。 在短周期(8～20 s), 拥有较厚的沉积层的平原地区表现为明显的低速特征, 而隆起地区则表现为较高的群速度分布特征: 随着周期的增加(>20 s)速度的特征有所改变, 30 s之后由于受地壳厚度的影响, 两者的速度差异逐渐缩小, 在中下地壳波速度随深度增加而增大。 同时, 研究发现在研究区域内西南方向的噪声源占主导作用。     

基于设定地震确定非基岩场地弹塑性验算输入地震动探讨

对非基岩场地的甲类建筑弹塑性验算输入地震动中存在的问题进行讨论,探讨基于设定地震确定弹塑性验算输入地震动的方法。以某设施厂址为例,采用修改后的概率地震危险性公式计算潜源对工程厂址的影响。按照震级(M)-距离(R)-衰减关系标准差系数(ε)组合,对概率地震危险性分析结果进行分解,将三元变量(M,R,ε)的均值或众值计算的反应谱定义为设定地震动,并根据设定地震及其反应谱,选取实际地震动记录近似模拟地震动的离散;采用随机生成的土层模型进行地震响应分析,最终给出土层地表设定地震动的期望值作为输入地震动。     

基于自适应加权超虚干涉法的地震面波压制研究

面波是陆地地震勘探数据的主要噪声,掩盖了地震记录中的有效波信号.常用的面波压制方法根据频率或视速度的差异将面波从有效波信号中分离出来并进行压制,但当差异不很明显时,难以取得较好的压制效果.鉴于目前基于地震干涉的方法只能得到检波点间的面波,文章提出使用数据驱动的超虚干涉法预测面波,该方法可以直接得到炮检点间面波,不要求检波点附近存在真实炮点用于实现面波的自适应相减.针对非均匀近地表结构产生的强频散面波,发展了自适应加权的超虚干涉法(AWSVI),提高了对频散面波的预测精度.合成数据实例验证了AWSVI方法预测强频散面波的有效性和对复杂地表情况的适用性.AWSVI方法应用在中国东部地区的实际陆地地震资料,相比常规的面波压制方法,更好地压制了残余面波.     

SV波斜入射下成层盆地地震动时-频域放大特征研究

基于二维成层盆地模型,以盆地不同场点对应的一维等效土层模型的结果为参考,采用有限元法与人工透射边界相结合的方法,研究了SV波入射时入射角θ对盆地地表地震动放大特征的影响.结果表明入射角度和盆地分层构造对地表地震动放大特征均有显著影响:(1)盆地地表地震动峰值受θ影响显著,不同分量、不同区域(盆地边缘和内部区域)的位移峰...     

六分量地震观测在工程勘查中的应用试验

利用面波频散曲线反演地下介质的S波速度结构, 是浅层工程地震领域一种重要的方法技术.传统的面波法包括主被动源的面波多道分析方法(MASW)和被动源的空间自相关(SPAC)方法, 均需要多台地震仪同时记录地面振动; 而记录平动和旋转运动的单台站六分量地震数据理论上也可以获得面波频散曲线.本文以河北唐山城区煤矿采空区浅层工程勘探实际六分量地震数据为例, 对比了利用单台站六分量地震数据与主、被动源法多台站提取的Rayleigh波频散曲线.试验结果表明利用纵波扫描可控震源时, 30 Hz以下频段利用单台站六分量地震数据提取的基阶Rayleigh波频散曲线与主、被动源MASW方法提取的频散曲线结果一致, 说明在浅层工程地震勘查中, 利用单物理点的六分量地震观测反演浅层横波速度是可行的.

     

逆断层地震近场地震动影响场和地表形变模拟

本文设计了一个MW7.0级地震的简单的逆断层有限移动源破裂模型,计算了断层周围64个观测点的加速度、速度和位移时程及峰值,简单讨论了近场地震动峰值、断层附近地表永久位移(或地表形变)的分布特点,并讨论了永久位移和地面运动速度大脉冲的关系。重点研究了断层附近三分量的永久位移(或地表形变)大小、方向和地震动作用特点。     

基于深度降噪自编码神经网络的中国大陆地壳厚度反演

本文采用基于数据驱动的深度降噪自编码网络构建了瑞雷面波群速度、相速度频散特性与地壳厚度的正反演函数关系,并利用最新频散模型反演了中国大陆的地壳厚度.对于神经网络架构体系的评价,除了考虑传统意义上的测试误差、训练误差之外,本文还用已知物理原理的正演结果与网络预测结果进行比较;在设计网络构架时,同时考虑地球模型和面波频散的...