基于深度卷积生成对抗网络的瑞雷波信号随机噪声去除

瑞雷波勘探是一种新兴的环境与工程地球物理勘探方法,野外采集的瑞雷波数据常含各种噪声干扰,对瑞雷波信号进行去噪处理至关重要.本文提出了一种基于深度卷积生成对抗网络(DCGAN)的瑞雷波信号随机噪声去除方法,其关键在于构建一个适用于瑞雷波信号去噪的DCGAN,包含生成器与判别器两部分.生成器由一个全卷积神经网络(FCN)构成,用于学习含噪数据到无噪数据的特征映射;判别器由一个卷积神经网络(CNN)构成,用于辅助生成器训练.基于DCGAN的去噪方法的实现分为三步:数据预处理、网络训练和噪声去除.一旦网络训练完成,去噪过程无需更多人为调整参数,减少了人力成本.对实际数据进行去噪试验,从地震数据和频散曲线两方面评价去噪效果,验证了本文方法的可行性,且相较于常用的小波变换、F-X反褶积算法,本文方法在不同比例噪声情况下均具有更好的去噪效果,对瑞雷波信号去噪方法选取有一定参考意义.     

川西地区瑞雷波方位各向异性

本文使用川西密集地震台阵记录的面波资料,利用程函方程面波成像方法获得了周期为14—60 s的瑞雷波相速度及方位各向异性分布。结果显示:川滇菱形地块的川西北地块内部的低速异常明显,其下地壳各向异性快波方向以NS向为主,松潘—甘孜地块内部的低速异常稍弱,下地壳各向异性快波方向以NW?SESE向为主,表明川西北地块可能存在下地壳通道流,松潘—甘孜地块内部存在的通道流相对较弱;龙门山断裂带和丽江—小金河断裂两侧的速度结构和方位各向异性均有明显差异,可推测青藏高原内部的地壳流在东部和南部分别受高速、高强度的四川盆地和滇中地块阻挡,沿高原边界带发生了侧向流动;周期大于25 s的面波方位各向异性方向为NW?SE;与SKS分裂优势方向相近,说明四川盆地的剪切波各向异性可能主要源于上地幔;而龙门山断裂带附近壳幔各向异性较为复杂,面波方位各向异性与SKS分裂的NW?SE向弱各向异性存在差异,表明该处的剪切波各向异性可能来自地幔更深处,有待进一步研究。      

瑞雷波勘探的研究现状及展望

作为一种新兴的岩土工程地球物理勘探方法，瑞雷波勘探具有其它方法无法比拟的优点，国内外关于瑞雷波勘探方面的实践和理论研究目前日益增多。本文对国内外瑞雷波勘探方法研究进行了综述，从正演、频散曲线的求取、反演三个方面对瑞雷波勘探的研究现状进行了详细总结，并探讨了当前瑞雷波勘探中存在的实践和理论问题，展望了该方法的发展趋势。     

基于瑞雷波法的都江堰市区场地剪切波速结构

场地剪切波速是建筑抗震设计中不可缺少的基础资料。因此,本文通过多道面波法对都江堰市区进行了剪切波速调查,为都江堰市区的建筑抗震设计及汶川地震的进一步研究提供基本数据。文中利用多道面波分析方法在都江堰市区(E:103°35’～103°41’,N:30°57’～31°02’)布置了35个面波测点进行场地剪切波速结构和覆盖层厚度的调查,测点间距约2 km。获得了都江堰市区场地等效剪切波速(VS20)和场地覆盖层厚度分布。结果显示,都江堰市区的等效剪切波速介于267m/s与389 m/s之间;覆盖层厚度在6～20 m之间。另外,本文利用欧美规范的方法计算了都江堰市区的5 m至20 m的平均剪切波速(TAV),通过对比各个深度的平均剪切波速发现,各个深度的平均剪切波速和VS20具有较高的线性相关性。利用这一特征,本文建立了都江堰市区利用不同深度的平均剪切波速估计VS20的经验公式(VS20=(a±Δa)+(b±Δb).VSz+σ)。利用这一经验关系式可以在都江堰市区钻孔深度或其它测试深度达不到20 m的情况下估计VS20。     

秦岭及周边地区瑞雷波方位各向异性

除了使用前人提取的面波频散曲线外, 还从秦岭及周边地区布设的59个宽频流动地震台的数据和中国地震局及各省局台网的数据中筛选出的地震事件波形和台站间噪声互相关格林函数中提取瑞雷波群速度频散曲线. 利用二维面波层析成像反演获得了瑞雷波周期为10—50 s的各向同性群速度及方位各向异性分布. 结果显示： 周期为10 s的各向同性群速度和方位各向异性分布与各构造单元存在明显的对应关系; 周期为10—50 s的面波在四川盆地和鄂尔多斯盆地内的快波方向多为近NS向. 与前人研究结果不同的是, 本文得到的秦岭、 大巴山构造带周期为10—50 s的面波快波方向均与山脉走向近似平行, 且与SKS波分析得到的快波方向一致. 这表明秦岭和大巴山之下整个岩石圈的快波方向都与山脉走向平行, 预示着秦岭和大巴山整个地壳, 甚至岩石圈发生了类似的变形. 由于四川盆地和鄂尔多斯盆地面波快波方向与SKS波结果差别较大, 推测青藏高原隆升扩展对这两个盆地的地壳基本无影响, 但对其岩石圈上地幔却产生了重大影响.     

瑞雷波频散函数的快速算法

Knopoff的瑞雷波频散函数快速算法存在上下限溢出和有效数字损失的缺陷,Schwab对该算法作了"归一化"和"细分层法"两项改进,也只是部分地控制了计算溢出,作者针对Knopoff和Schwab算法上存在的缺陷提出了二次归一化算法,有效地解决了瑞雷波频散函数快速算法所存在的计算溢出及计算的高频上限欠低的问题.     

瑞雷波勘探方法的应用与展望

本文简要综述了国内外正在发展的瑞雷波勘探的三种主要方法:稳态法、瞬态法和微动法。对它们的基本原理、具体方法和应用例子分别作了说明。最后对瑞雷波法在工程浅层地震勘探中的应用前景作了估计。     

基于粒子群算法的瑞雷波频散曲线反演研究

瑞雷波频散曲线反演的本质是对目标函数求极值的过程.传统的线性局部反演算法容易陷入局部极小值,增加了反演结果的不确定性.粒子群算法作为一种全局非线性优化手段,能够保证各搜索空间内局部寻优的同时,逼近全局最优,保证迭代反演的收敛性.建立含软夹层型地层模型,正演计算得到理论频散曲线,采用粒子群算法反演得到的横波速度与模型高度吻合.同时,在理论频散曲线中加入10%的高斯白噪声,粒子群算法的反演结果仍然具有很好的可靠程度.通过对实测频散曲线的反演表明:粒子群算法在含软夹层型地层的横波速度探测中相对于最小二乘法优势明显,具有很高的应用价值.     

基于瑞雷波法的成都盆地场地剪切波速结构确定

在2008年的汶川地震中获得了大量的有价值数据和资料,使得成都盆地成为了研究的热点.为了能够获得成都盆地场地剪切波速结构,为成都盆地及汶川地震的进一步研究提供基本数据支持,本文利用多道面波分析方法在成都盆地(E:103°～105°,N:30°～32°)布置了40个面波测点进行场地剪切波速结构和覆盖层厚度的调查,测点间距...     

基于洗牌蛙跳算法的瑞雷波非线性反演（英文）

目前,各种主、被动源瑞雷波勘探方法在近地表探测中扮演着日益重要的角色,利用瑞雷波频散曲线反演可以得到近地表横波速度信息,但是瑞雷波频散曲线反演问题是高度非线性的全局优化问题。为了缓解陷入局部最优解的风险,本文将一种新的全局优化方法一洗牌蛙跳算法引入到瑞雷波频散曲线反演中。洗牌蛙跳算法是一种群智能优化算法,通过模拟青蛙种群的觅食行为来实现最优化问题的求解,具有计算速度快,需要调整的参数少,全局寻优能力强的优点。为了检验洗牌蛙跳算法的可靠性和计算能力,首先对不含噪声和含噪声的四层理论模型进行了反演试算。然后,利用不含噪声数据对洗牌蛙跳算法与粒子群优化算法进行比较分析。最后,对实际数据进行反演,以检验洗牌蛙跳算法的实用性。理论地层模型和实际数据的测试结果表明:洗牌蛙跳算法可以有效地定量解释瑞雷波频散曲线,收敛速度、反演精确总体优于经典粒子群优化算法与改进粒子群优化算法,具有很大的发展潜力。     

浅析瑞雷波法检测复合地基承载力

复合地基检测手段中以传统的静载荷试验为主,瑞雷波法是一种利用瑞雷波的运动学特征和动力学特征来进行工程质量检测及工程地质勘察的物探方法,可以大范围检测地基加固效果,问接提供地基的承载力。     

青藏高原东南部地区瑞雷波相速度层析成像

本研究收集了"中国地震科学探测台阵-南北地震带南段"项目325个流动宽频带台站于2011年8月至2012年9月记录的远震垂直向资料,利用双台法测得了3594条独立路径上的瑞雷波相速度频散曲线,反演得到了青藏高原东南部地区周期10~60 s瑞雷波的相速度分布图像.空间分辨尺度图表明,在台站覆盖范围内的绝大部分地区横向分辨率达到50 km.2D相速度分布图显示,青藏高原东南部地区地壳上地幔S波速度结构存在较明显的横向非均匀性.短周期(如10 s)的相速度分布主要受地表沉积层厚度的影响.绝大多数地震发生在周期15 s相速度图上的低速区或高低速的陡变梯度带附近,充分说明该区的强震活动与中上地壳速度结构的变化有直接关系.中等周期(如20~30 s)的相速度分布主要与中下地壳速度结构、地壳厚度密切相关,小江断裂、松潘-甘孜块体呈现最显著的低速,可能暗示这两处的中、下地壳存在低速层.较长周期(如40~60 s)的相速度分布与上地幔顶部热状态和构造活动(如岩浆作用)有关.滇西南地区表现为大范围的显著低速,可能暗示滇西南地区上地幔顶部物质存在部分熔融.不同构造块体下方的频散曲线,具有不同的相速度特征.腾冲火山下方的频散曲线在10~60 s一直为较低的速度,尤其是到40 s以后,相速度随周期的变大增速明显放缓,至60 s比其他任何块体速度都低,暗示腾冲火山区下方的低速至少来自上地幔顶部(约100 km).     

基于EMD的信号瞬时特征的小波分析方法

提出了一种基于EMD(Empirical Mode Decomposition)的信号瞬时特征的小波分析方法。用这种方法提取非平稳信号的瞬时频率和瞬时幅值分三个基本步骤：首先,用EMD把信号分解成IMF(Intrinsic Mode Function)分量;接着,对IMF分量进行小波分析,从小波系数的幅角函数中提取小波脊线;最后,从小波脊线中提取瞬时频率和瞬时幅值。通过对仿真信号的分析,验证了该方法能有效地分析非平稳信号。     

基于萤火虫和蝙蝠群智能算法的瑞雷波频散曲线反演

反演瑞雷波频散曲线能有效获取地层横波速度和厚度.但由于其高度的非线性、多参数、多极值等特点,传统的全局搜索方法易出现收敛速度慢、早熟收敛及搜索精度低的问题.鉴于此,本文提出并测试了基于萤火虫优化算法（FA）和带惯性权重的蝙蝠优化算法（WBA）的新的瑞雷波频散曲线反演策略.在瑞雷波频散曲线反演中,FA全局搜索能力强,但后期搜索精度低,而WBA局部搜索能力强,搜索精度高,但易出现早熟收敛.故本文将二者结合,提出了一种新的优化策略,称其为WFBA,即在反演前期使用FA,后期使用WBA,很好地解决了FA后期搜索精度低及WBA早熟收敛的问题.本文首先反演了三个典型理论模型的无噪声、含噪声的数据,验证了WFBA对瑞雷波数据反演的有效性与稳定性.然后将WFBA与WBA、FA单独反演以及不含惯性权重的FBA和粒子群优化算法（PSO）反演的结果进行了对比,说明了WFBA相对于WBA、FA、FBA和PSO具有更稳定、收敛速度更快、求解精度更高等优点.最后,反演了来自美国怀俄明地区的实测资料,检验了WFBA对瑞雷波数据反演的实用性.理论模型试算和实测资料分析表明,WFBA很适用于瑞雷波频散曲线的定量解释,具有很高的实用性价值.

     

南口污水处理厂强夯处理地基瑞雷波检测

瑞雷波相速度V_R可以反映一定深度范围内岩土体的物理力学性质.与常规检测方法相比,瑞雷波检测具有分辨率高、受场地影响小、检测设备简单、检测速度快等优点,能够胜任大面积地基处理效果的检测.本文主要介绍瑞雷波检测在南口镇污水处理厂场地地基强夯处理效果检测中的应用.比较对应测点处持力层深度范围内的瑞雷波速与原位载荷试验数据,得出了准基床系数K与瑞雷波波速V_R的统计关系,据此将强夯地基持力层深度上的V_R分布转换为K值的分布,进而得出了场区地基处理土体在设计荷载作用下的沉降量分布.根据上述测试结果对场区地基强夯处理效果进行了评价.     

根据瑞雷波确定近地表品质因子Q

反演高频率(≥2Hz)的瑞雷波的相速度可得到分层地球模型从地表到地下30m以内的剪切(S)波速度。如果已知S波速度VS、压缩(P)波速度VP和瑞雷波速度,通过反演瑞雷波衰减系数就可以获得分层地球模型的P波品质因子QP和S波品质因子QS。模拟结果证明,根据瑞雷波衰减系数反演品质因子QS是可行的。当VS/VP达到0.45时,不能忽略QP对瑞雷波衰减系数的贡献,这种情况在近地表构造中并非罕见。从某些地质构造中的瑞雷波衰减系数反演得到QP是可能的,这是一种不同于一般认为的观点,即相对于P波的品质因子QP,瑞雷波的衰减系数对S波的品质因子QS更为敏感。在亚利桑那沙漠,采集了60道的面波数据。对一个层厚度超过20m的10层模型,首先利用多道面波分析(MASW)方法反演数据得到S波速度,然后通过反演衰减系数确定品质因子。     

陕西及邻区瑞雷波相速度层析成像

本文利用布设于陕西及其邻区的喜马拉雅二期流动地震台阵和区内的固定地震台网共计257个台站于2014—2015年记录到的连续波形资料,采用基于图像分析的相速度提取方法,得到了7 185条瑞雷波相速度频散曲线,反演获得了周期为5—40 s的瑞雷波相速度分布图像,其最小分辨率约为20 km。结果表明:各周期瑞雷波相速度图像具有明显的横向不均匀性,能够较好地反映出地壳及上地幔顶部的地质构造特征。周期为5—10 s的瑞雷波相速度分布与地表地质构造密切相关,且高低速异常的分界线与地块边界高度吻合;周期为15 s的瑞雷波相速度分布图像显示出,大部分断陷沉积盆地（渭河、天水等盆地）表现为低速异常,表明此区域的沉积层厚度较大;周期为20—40 s的相速度分布则受地壳厚度影响较大,青藏高原东北缘始终呈现出明显的低速异常,鄂尔多斯地块中、下地壳以高速异常为主,但周期为20—30 s的相速度低速异常区分布于青藏高原沿六盘山逆冲褶皱带并一直延伸至鄂尔多斯内部,由此推测该区域地下介质中存在一定程度的物质交换和融合。      

瑞雷波频散曲线的深度学习反演方法

瑞雷波频散曲线反演是获取地表横波波速的关键步骤, 现有线性反演方法的效果取决于初始模型的选择, 非线性反演也存在效率低、多解等问题.为了进一步提高瑞雷波频散曲线反演的速度与精度, 受深度学习卓越非线性映射能力启发, 本文提出了瑞雷波频散曲线的深度学习反演方法.文中首先基于近地表速度结构的遍历属性和演化特征的有序性, 提出了约束马尔科夫决策的样本数据构建方法; 然后设计了一种卷积神经网络衔接长短时记忆网络的混合网络结构(CNN-LSTM), 用于构建频散序列数据到速度结构的非线性映射关系, 该网络结构包含了3个局部特征学习模块和1个长短时记忆层; 再利用样本数据对混合网络进行训练; 最后进行反演预测.理论模型试验的频散曲线在无噪与含噪情况下, 拟合的平均相对误差分别不超过5.6%和8.9%, 表明本文所提方法具有较高的计算精度和良好的鲁棒性.最后, 将本文方法应用于2008年汶川M_W7.9地震白鹿镇同震地表破裂带的瑞雷波勘探中, 为其浅表同震变形的局部化效应提供了科学约束.

     

基于背景噪声研究大别-苏鲁及其邻区的瑞雷波群速度结构

大别-苏鲁造山带是中国大陆东部地区最重要的构造带之一. 为了研究该地区上中下地壳的速度结构, 选用国家数字地震台网和中国区域地震数据台网5省(山东、 安徽、 江苏、 河南和湖北)连续两年(2009年5月—2011年5月)的垂直向地震记录, 进行背景噪声互相关处理, 叠加得到了台站对间的面波经验格林函数. 采用多重滤波法提取了近4000条频散曲线, 并反演得到了研究区10—25 s的瑞雷波群速度分布结果. 通过分析大别-苏鲁及其邻区的瑞雷波群速度结构图像, 发现不同构造块体具有不同的瑞雷波群速度结构: ① 研究区内的郯庐断裂带及其周边地区包括鲁西地块和胶北地块上中下地壳均表现出明显的高速异常, 可能是在拉张环境下岩浆岩上涌, 导致高速、 高密度的变质岩在地壳富集而形成; ② 苏鲁高压变质带的瑞雷波速度在10—25 s周期内明显高于其它地区, 其上中下地壳均表现出较高的群速度结构特征, 认为苏鲁高压变质带至少延伸到下地壳, 而大别造山带在10 s时表现出高速特征, 但在15—25 s没有明显的高速特征, 故无法从其结果中判断大别高压变质带的垂向延伸范围; ③ 华北板块上中下地壳均表现为低速特征, 体现了研究区内华北板块的大陆地壳减薄特征.      

遗传算法和LM算法联合反演瑞雷波相速度

上世纪中叶以来,微震探查法等基于面波相速度频散测定以及其反演的地下构造勘探方法,在地壳研究、工程地质勘探等方面得到了广泛的应用.本研究分析了遗传算法（GA）应用在面波频散反演当中出现的问题,采用遗传算法和Levenberg-Marquardt 算法（LM法）的联合运用法——以遗传算法反演出来的大局的搜索结果为初始点,再进行LM法搜索,由此克服两者的缺点,实现高精度的反演.