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.     

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.     

Empirical site response evaluations: case studies in Israel

A closed-loop, time-efficient technique for site effect evaluation for seismic microzonation in urban areas is developed and implemented. It includes the following successive steps: microtremor measurements using a triangular array of three-component seismometers; estimation of the Nakamura horizontal-vertical spectral ratio, calculation of Rayleigh wave dispersion using the Aki spatial correlation method; inversion of the dispersion curve to determine a shear wave velocity model of the shallow subsurface; analytical computation of Rayleigh wave spectral ellipticity and 1-D SH transfer function for this model; and a comparison of empirical and analytical ratios and correction of the model if required. The technique has been tested at several locations in a number of towns near the active Jordan Rift valley. A reasonable agreement is obtained when comparing empirical spectral ratios and analytical transfer functions.     

四种典型地层的瑞雷波“之”字型频散曲线数值模拟研究

虽然MASW技术已经广泛地应用于地基检测中,但由于缺少大量理论指导,特别是数值模拟方面的研究,其应用受到限制.本文基于有限元软件LS-DYNA,通过数值模拟研究了四种典型地层（递增型地层、含软弱下伏层地层、含软弱夹层地层和硬夹层地层）由MASW方法提取的瑞雷波频散曲线的“之”字型特征.发现对于递增型地层,频散曲线不会出现“之”字型,对于其他三种地层,频散曲线则会出现不同类型的“之”字型,其中含软弱夹层地层“之”字型的位置和尺寸与软夹层的位置和层厚有较好的对应关系.本文的研究结果为实际工程中利用瑞雷波频散曲线的形状判定地层类型和软弱夹层位置提供了重要参考.     

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.     

利用多重滤波方法提取面波频散曲线

多重滤波方法已被证明在分析面波的频散特性时是一种有效而快速的方法。本文用单个台站的单次地震事件记录,应用MFT(Multiple Filter Technique)方法提取了内华达地区的面波频散曲线并分析了其特征,认为其具有大陆基振型瑞利波频散曲线的典型特征。还利用广义反透射系数法快速计算了瑞利面波频散曲线,尤其是基阶瑞利波相速度及群速度频散曲线;并且在由振型叠加方法合成的理论地震图的基础上,通过比较理论频散曲线和MFT方法得到的频散曲线,研究了多重滤波的可靠性。     

用人工源和天然源面波联合探测浅层速度结构.

本文在简要介绍天然源与人工源瑞雷面波勘探基本原理、数据采集和资料处理方法的基础上,结合3个不同场地的探测实例,阐述了天然源和人工源瑞雷面波方法在浅部速度结构探测中的应用效果.结果表明,根据不同的场地条件和探测目的要求,分别采用天然源、人工源瑞雷面波方法提取瑞雷波频散曲线,再用遗传算法反演得到工程场地浅部地层横波速度结构的技术方法是有效和可行的.该方法对于类似工程的浅部横波速度结构探测具有经济适用、简便快捷的优点.     

多地震叠加提取双台间面波频散信息

利用中国HIA台和哈撒克斯坦BRVK台的甚宽频地震仪记录的2011年日本MW9.0大地震及3次MW6——7强余震数据, 采用互相关法提取了双台间的瑞雷波群速度频散曲线．研究发现, 对于同一台记录的大地震和强余震激发的瑞雷波, 其主要能量的周期范围明显不同, MW9.0大地震面波主要能量周期长(70 s以上), 而强余震面波的主要能量周期相对较短（10——50 s）．单独利用大地震数据无法提取60 s以下的群速度频散, 而单独利用强余震数据无法提取100 s以上频散．将双台记录的特大地震、强余震数据进行互相关叠加, 可以提取出较为可靠的宽频带瑞雷波群速度频散曲线（10——200 s）．      

利用噪声记录估计福建地区中上地壳体波速度结构

In this paper,the dispersion curves of the Rayleigh wave and Love wave were extracted from the seismic noise records of 25 broadband stations of the Fujian Seismic Network, and inverted for the lithosphere velocity structure. Furthermore,the velocity model was verified by the seismic explosion observations. Our results indicate that the resolution of the lithosphere velocity structure obtained by this method is good in the shallow part,but in the deep part,inversion accuracy for the wave velocity structure is low,which is caused mainly by the small inter-station distance chosen in the paper. Thus the wave dispersion curves have high accuracy in the short-period part,but the warp of the wave dispersion curve in long-period part is large. Considering the results from both the noise inversion and the traditional inversion,we finally present a new velocity model,and the theoretical travel time calculated with the new model matches the explosion travel time very well.     

大别-苏鲁及其邻近地区基于背景噪声的瑞雷波和勒夫波相速度层析成像

采用与作者2014年发表的“大别-苏鲁及其邻近地区基于背景噪声的勒夫波群速度成像”文章相同的资料,用频时分析提取5 000余条瑞雷波和4 000余条勒夫波相速度频散曲线,反演得到了8—32 s的瑞雷波和勒夫波相速度分布图像．结果显示,瑞雷波与勒夫波相速度分布具有很好的一致性．8 s的相速度分布与地表构造特征相吻合,造山带与隆起区均表现为高速,盆地因其规模不同而显示不同程度的低速．随着周期的增大,大别 苏鲁的高速带由强变弱,但始终存在．16—24 s的高速可能主要受到中地壳高速的控制,而32 s的高速则可能与上地幔顶部的高速有关．比较大别造山带与苏鲁造山带的平均频散曲线,发现大别造山带和苏鲁造山带的勒夫波频散曲线均高于AK135模型计算的理论频散曲线,而瑞雷波则没有这一现象. 这可能意味着两个地区有比较强烈的径向各向异性．      

改进的等效半空间法及瑞雷波频散曲线反演

层状模型的理论频散曲线表明,层状模型表面瑞雷波同一频率对应的相速度具有多值特点,这就是所谓的瑞雷波多阶性. 面波的多阶性导致了实测频散曲线的复杂性,当地层中存在软弱夹层时这一问题尤为突出,从而给实测频散曲线的解释带来了困难. 本文从工程实用的角度出发,根据等效半空间理论,提出了一种计算理论频散曲线的新算法——改进的等效半空间法,避开了面波多阶性这一复杂问题. 由此方法计算得到的面波相速度并不同于某个具体阶数的面波,而是对多阶面波的综合反映. 按照改进的等效半空间法编制了拟合反演程序,并在工程中进行了运用,取得较好的效果.     

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.     

中国东部海域地壳-上地幔瑞利波速度结构研究

为了进一步了解中国东部沿海及相邻海域的地壳－上地幔结构特征,对该区域的构造演化历史、地震活动及深部构造等方面研究提供一些基础资料,利用３１个数字地震台记录的高质量瑞利波资料,采用一种新的混合路径频散的网格反演方法（Ｏｃｃａｍ方法）,对中国东部海域瑞利波群速度横向不均匀分布进行了初步研究．根据反演得到的１０-１５０ｓ共３６个中心周期的群速度分布特征,以及几个典型地点的剪切波速度结构的深度变化,对研究区域内各构造单元的划分以及它们在速度结构和上地幔低速层埋深等方面的特征进行了讨论。     

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。     

瑞利波测试技术用于剪切波速勘探之研究

本文根据瑞利波测量所得波形的变化特征，分析研究了地基参数对瑞利波弥散曲线的影响规律，提出了利用瑞利波测试剪切波速的方法。在研究过程中，对瑞利波测试技术进行了探讨，并引入了相关分析原理，以消除噪声、系统的非线性以及其它一些人为因素的干扰。最后结合实例，论证该技术用于实际勘探的可行性并指出其存在的问题和有待进一步完善的工作。     

广义S变换在瑞利波频散曲线提取中的应用

虽然一些时频分析方法已经被用于频散曲线提取中,但是它们自身时频窗的缺陷使的所得频散曲线信息缺失或错误.本文首次尝试利用广义S变换分析瑞利波的频散特性.以半空间模型为例确定方法的可行性,频散曲线变化准确反映地层变化情况.不同炮检距设置对频散曲线有一定影响,采用大于勘测深度,小于4倍勘测深度可以得到较稳定的结果.最后,为了得到更加光滑稳定的频散曲线,提出了一种基于多道瑞利波的改进方法.用此方法对四种典型地层模型下的多道瑞利波数据进行分析,得到频散曲线光滑稳定,且比理论频散曲线和基于单道法获得频散曲线更能准确反映地层变化情况.这就为瑞利波勘探中的反演解释提供了更可靠依据.     

A new stacking technique in ambient noise tomography

We have developed a new stacking technique in ambient noise tomography to obtain high-quality dispersion curves of Rayleigh waves.This technique is used to stack the vertical components of the Estimated Green Functions(EGFs) obtained respectively from cross correlation of the ambient noise data recorded by a remote seismic station and one of the short distance seismic stations of a seismic array.It is based on a phase-matched filter and is implemented by a four-step iterative process:signal compression,stacking,signal extraction and signal decompression.The iterative process ends and gives the dispersion curve of Rayleigh wave when the predicted one and the processing result converge.We have tested the method using the vertical components of synthetic Rayleigh wave records.Results show that this new stacking method is stable and it can improve the quality of dispersion curves.In addition,we have applied this method to real data.We see that the results given by our new technique are obviously better than the ones employing the traditional method which is a three-step process:signal compression,signal extraction and signal decompression.In conclusion,the new method proposed in this paper can improve the signal to noise ratio of EGFs,and can therefore potentially improve the resolution of ambient noise tomography.     

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.     

Crustal structure beneath Liaoning province and the Bohai Sea and its adjacent region in China based on ambient noise tomography

The velocity structure of the crust beneath Liaoning province and the Bohai sea in China was imaged using ambient seismic noise recorded by 73 regional broadband stations. All available three-component time series from the 12-month span between January and December 2013 were cross-correlated to yield empirical Green's functions for Rayleigh and Love waves. Phasevelocity dispersion curves for the Rayleigh waves and the Love waves were measured by applying the frequencytime analysis method. Dispersion measurements of the Rayleigh wave and the Love wave were then utilized to construct 2D phase-velocity maps for the Rayleigh wave at8–35 s periods and the Love wave at 9–32 s periods,respectively. Both Rayleigh and Love phase-velocity maps show significant lateral variations that are correlated well with known geological features and tectonics units in the study region. Next, phase dispersion curves of the Rayleigh wave and the Love wave extracted from each cell of the 2D Rayleigh wave and Love wave phase-velocity maps,respectively, were inverted simultaneously to determine the3 D shear wave velocity structures. The horizontal shear wave velocity images clearly and intuitively exhibit that the earthquake swarms in the Haicheng region and theTangshan region are mainly clustered in the transition zone between the low-and high-velocity zones in the upper crust, coinciding with fault zones, and their distribution is very closely associated with these faults. The vertical shear wave velocity image reveals that the lower crust downward to the uppermost mantle is featured by distinctly high velocities, with even a high-velocity thinner layer existing at the bottom of the lower crust near Moho in central and northern the Bohai sea along the Tanlu fault, and these phenomena could be caused by the intrusion of mantle material, indicating the Tanlu fault could be just as the uprising channel of deep materials.     

Rayleigh波频散曲线“交叉”及多模式耦合作用研究

Rayleigh波可以用来反演近地表结构,在工程物探、石油物探、地球内部结构探测中均有重要意义.数值计算得到的含低速层的层状介质对应的Rayleigh波频散曲线会出现看似“交叉”的现象,但是对于这种现象目前还没有进行系统的研究.事实上可以验证,有些看似交叉的频散曲线实际上不相交.改变低速层的厚度和横波速度发现低速层越明显（即低速层速度越低或层厚越厚）频散曲线越不容易相交.凡友华等在2007年提出频散曲线对应着四种基本模式,在频散曲线发生“交叉”现象的区域实际上存在两个以上模式的频散曲线.本文主要研究了存在R模和S₂模的区域内频散曲线的“交叉”现象.首先利用竖直本征振动曲线研究R模和S2模Rayleigh 波的振动特点,发现R模对应的本征振动主要集中在地表,随着深度变化能量快速衰减,S₂模对应的本征振动主要集中在第2层.研究“交叉点”附近频散点对应的本征振动曲线发现这一区域有些Rayleigh波同时具有R模和S₂模的振动特点,对应着一种耦合模式.通过对实例的研究发现,在“交叉点”附近,若两条频散曲线不发生交叉,则每条曲线对应的模式会发生R模和S₂模之间经由耦合模式的转变,本文称这种现象为两种模式发生耦合;若两条频散曲线相交,则同一条频散曲线上的Rayleigh波模式几乎相同,只是在离交点很近的区域会存在一些耦合模式,本文称此时两种模式不发生耦合.本文研究结果主要供Rayleigh波对低速层结构的反演研究参考.