基于贝叶斯理论面波频散曲线随机反演

面波频散曲线反演是获得地下横波速度结构的重要地球物理方法。常规基于迭代最小二乘等线性反演方法依赖于初始模型,且存在多极值、容易陷入局部最小、反演精度低等问题。基于贝叶斯理论的随机反演方法是一种可以融合先验信息的非线性反演方法,该方法无需人为给定初始模型,仅利用先验信息对模型进行随机采样,根据概率分布筛选接受合适的后验概率密度估计结果,可达到对细节信息的准确估计。本文针对瑞利面波频散曲线,提出了基于GPR数据先验资料约束的贝叶斯马尔科夫蒙特卡洛(MCMC)随机反演方法,通过随机改变模型参数并计算其频散曲线与实际频散曲线的似然函数来选择是否接受新的模型参数,不断重复此过程,最终得到与实际频散曲线拟合效果最佳的最优解以及横波速度解的后验概率密度分布。通过理论模型以及实际数据反演测试,验证了该方法与常规无约束的随机反演相比,可以有效地提高反演速度和反演精度。     

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。     

利用微动探测研究城市地下空间结构

微动探测技术采用台阵方法来接收天然场源微动信号,提取瑞雷波频散曲线获取面波相速度;通过频散曲线反演获得地层的横波速度,进而分析地下介质的结构特征,最后对土类型进行分层。本文介绍了微动勘探在广西北海市地下空间调查中的应用情况,通过嵌套式等边三角形布置对微动数据进行采集,并利用专业软件提取频散曲线,通过对频散曲线进行反演获得地层的横波速度,对城市软硬土划分、建筑场地类别划分提供了地球物理依据,以此推断城市地下空间结构,并对微动探测的应用进行了探讨。最终根据对北海软硬土的划分分析了北海市坚硬土顶界面起伏情况,为北海地区地下空间资源利用、城市规划建设、城市安全性及重大工程建设等工作提供地质科学支撑,更为我国其他沿海地区开展城市地质调查工作提供示范。     

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.     

利用地脉动台阵记录反演场地浅层Vs结构

比较了影响Love波相速度频散曲线的主要因素,通过虚拟反演,说明了利用Love波相速度反演浅层剪切波速度结构的可行性,以地脉动台阵3分量观测记录提取的Love波相速度频散曲线为目标函数,利用遗传算法与单纯形法混合算法,分两种情况反演了某实际工程场地的浅层剪切波速度结构。结果表明,利用从地脉动台阵3分量观测资料中提取的Love波相速度反演工程场地浅层的剪切波速度Vs结构是一种很有前景的技术方法。     

新的瑞雷波多模式频散曲线反演目标函数

反演瑞雷波频散曲线能有效地获取横波速度和地层厚度,传统的多模式瑞雷波频散曲线反演需要正确的模式判别.然而,当地层中含有低速软弱夹层或高速硬夹层等复杂结构时,瑞雷波可能会出现"模式接吻"和"模式跳跃"等现象,这些现象极易造成模式误判,进而导致错误的反演结果;同时,传统的频散曲线反演方法需要进行求根运算,进而导致现有的瑞雷波非线性反演速度慢,运算时间长.鉴于此,对传统的Haskell-Thomson频散曲线正演模拟算法进行了改进,提出了一种新颖有效的目标函数.该目标函数直接利用实测频散曲线与迭代更新模型频散函数表面形状进行最佳拟合,无需将多模式频散数据归于特定的模式,可有效避免多模式瑞雷波频散曲线反演模式误识别;同时,该目标函数不需要求根运算,进而大大加快了非线性反演速度.基于粒子群优化算法,利用实际工作中经常遇到的3种典型理论地质模型和某一高速公路路基实测资料进行了理论模型试算和实例分析,检验了本文提出的瑞雷波多模式频散曲线反演新方法的有效性和实用性.      

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。     

基于Python语言的瑞利面波频散反演实行方案

本文基于Python语言构建了瑞利面波频散反演工作流程：(1)通过pysurf96软件包实现水平层状模型的频散曲线正演;(2)建立描述频散曲线拟合度的目标函数;(3)利用scikit-opt软件包中的启发式算法实现频散曲线反演。提出并解决了调用函数过程中所遇到的问题,实验测试表明反演结果可靠,同时具备一定的计算效率。由此实现了搭建基于Python语言的面波频散反演地下层状结构研究平台,为其他研究者依靠开源软件进行反演运算提供了方法支持。最后,通过利用彭一波研究海拉尔盆地背景噪声时提取的频散曲线对地壳以及上地幔结构进行了反演,得到不错的效果。     

多模式面波非线性反演

利用高频面波反演横波速度一直是浅地表地震工程研究的热点。为深入认识利用高频面波（瑞雷波和勒夫波）评价横波速度的能力,本文首先采取高阶交错网格有限差分法实现两层模型的瑞雷波和勒夫波数值模拟,并应用τ-p变换形成频散能量图。相比瑞雷波,不同模式的勒夫波频散能量很接近,这说明易于实现多模式勒夫波反演。然后利用线性映射实现广义模式识别这种非线性反演方法对含软弱夹层的四层模型的基模式、多模式瑞雷波和勒夫波的变厚度反演。若初始模型很拙劣,相比勒夫波,瑞雷波基模式反演不能重建地层中含有软弱夹层这一特征,瑞雷波多模式反演则可以重建这一特征;勒夫波基模式和多模式反演都可以重建这一特征。即使在地层的泊松比与估计值相差很大时,瑞雷波多模式反演仍能重建地层结构,但其频散曲线总是存在"模式接吻"现象,容易模式误判;而勒夫波反演则不用估计地层泊松比,也不存在"模式接吻"现象。一系列算例表明：高模式瑞雷波的加入会显著提高横波速度评价结果的精度;而高模式勒夫波的加入会令反演系统对半空间以上异常层的参数过于敏感,造成参数过度估计,但也会显著提升对半空间横波速度的评价能力。最后,应用本文方法实现了对实测勒夫波数据的分析。     

微动探测技术在隧道工程勘察中的应用

微动探测技术是一种天然源面波勘探方法,具有绿色环保、探测效率高、抗干扰性强等特点,在工程勘察中应用越来越广泛。本文以隧道勘察为例,通过布置“一”字型台阵采集微动数据,借助ESPAC法提取微动数据的面波频散曲线,通过对面波频散曲线进一步反演,获取地层的速度结构,划分隧道围岩类别。结果表明,微动探测技术在隧道勘察中具有一定效果和实际应用价值。     

天然源面波勘探采集参数对比试验及工程应用

为对比天然源面波勘探中不同采集参数的勘探效果,总结探测结果的可靠且便于野外施工采集参数,在乌鲁木齐市八道湾第四系覆盖区采集了不同参数的天然源面波方法场地实验数据,并对各种结果数据使用空间自相关法提取相应的频散曲线,通过反演得到试验点地下浅层横波速度结构模型。结果表明,在同一试验点应用不同采集参数所获取的频散曲线在探测深度及分辨力方面均有差异。其中,测站最大边长长度越大探测深度越大;采样间隔为5 ms的频散曲线纵向分辨力更高且受干扰影响越小;随迭代次数的增加,频散曲线逐渐收敛直至稳定。据试验成果选择确定合适的方法采集参数,通过工程应用证实探测精度和结果的可靠性。     

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。      

改进的神经网络反演微动面波频散曲线

通过分析微动探查方法和改进神经网络迭代反演算法,提出采用改进的神经网络迭代反演微动面波频散曲线。该方法在网络训练学习阶段通过批处理学习和优化网络结构提高网络学习速度;在迭代反演阶段通过v_R/λ_R-f曲线极值点的变化来调整输入模型以减少迭代反演次数;最后设计反演方案,并对6层介质模型进行频散曲线的网络训练和迭代反演,验证了方法的有效性。对比分析结果表明：该方法明显减少了迭代反演次数,提高了收敛速度,而且具有良好的抗干扰能力。     

VTI介质瑞雷波频散曲线特征与对比分析

在近地表瑞雷波勘探中,介质的各向异性对瑞雷波传播有着明显的影响。为了研究横向各向同性(vertical transverse isotropy,简称VTI)介质各向异性参数对瑞雷波的影响,以各向异性弹性波理论为基础,利用应力镜像法为边界条件,实现了VTI介质中瑞雷波的正演数值模拟,并利用相移法提取瑞雷波频散曲线。将层状各向同性介质和VTI介质瑞雷波频散曲线作对比,研究结果表明:(1)瑞雷波各阶模式相速度随纵波变异系数δ的增大而减小,随纵波各向异性强度参数ε的增大而增大;(2)随着纵波各向异性强度参数ε的减小和纵波变异系数δ的增大,会引起瑞雷波各阶模式相速度减小和瑞雷波频散曲线各阶模式主要能量所在频带范围减小;(3)当纵波各向异性强度参数ε减小和纵波变异系数δ增大到一定程度后,在速度递增的层状介质中会引起瑞雷波出现"之"字形频散曲线,在含软弱夹层的层状介质中会出现各阶模式频散曲线混淆的现象。     

微动物探方法探测采空区

采空区探测通常采用瞬变电磁法与地震勘探方法,前者采用人工电场,后者采用人工震源,但二者施工难度大,数据采集也困难.微动探测是从台阵微动记录的垂直分量中提取瑞利波相速度频散曲线,再通过对频散曲线的反演估算地下介质S波速度,利用其低速异常解释采空区.以铜川东坡煤矿某区的探测为例,在煤层埋深50m左右、微动探测深度100m的情况下,即解释的采空区与地面电法解释的结果高度一致.     

基于遗传算法的地震面波和大地电磁数据一维联合反演算法研究

利用快速标量传递算法进行了一维层状模型的地震面波频散曲线正演计算,得到了基阶频散曲线;利用传统方法对一维层状模型进行了大地电磁正演计算,得到大地电磁的视电阻率曲线数据和相位数据。利用遗传算法对合成数据分别进行了单独反演和联合反演,得到拟合差分布图来分析两种数据的兼容性并研究联合反演的可行性。通过对比单独反演和联合反演的结果,可以看出地震面波频散曲线和大地电磁数据的联合反演结果较之单方法的反演结果要更加精确,收敛速度更快,两种数据的耦合情况较好,同时联合反演能够有效地限制多解性。     

基于细化分层法探讨面波频散曲线反演参数的简化

常规频散曲线反演过程中需要不停地改变分层数、层厚度和层速度等参数,实现过程相对繁琐,而采用细化分层法对反演参数进行简化则避免了上述缺点。具体思路为：根据目的层探测深度（如20m）将地下介质分为若干个（20个）厚度为1m的薄层和1个均匀半空间层（共21层）,这样在反演中分层数和层厚度均为已知参量,反演过程只需修改速度参数即可,避免了改变分层数和层厚度等参数,显著简化了反演计算过程。正演计算和反演结果均表明：细化分层与实际分层计算出的频散曲线是等效的,细化分层反演结果的总体效果与真实模型非常接近,这说明细化分层方法用于频散曲线反演是切实可行且有效的;将地下介质划分为1m厚的薄层,反演后每层均可得到1个横波速度,能满足反演分辨率的要求;由于实际地下介质的速度是随深度渐变的,细化分层后比按频散曲线拐点分层（每分层的厚度可能是几米或几十米,同一分层内介质的横波速度相等）更接近实际情况。     

基阶和高阶瑞雷波频散曲线反演对比分析

通过瑞雷波频散曲线反演,可以建立近地表横波速度模型。瑞雷波频散曲线具有多个模态,一般情况下,基阶模态是具有最大能量的模态。目前对瑞雷波频散曲线的反演大多数是基于基阶模态,对于高阶模态的反演比较少。通过对基阶和高阶瑞雷波频散曲线反演对比分析,认为高阶模态和基阶模态频散曲线反演有比较好的一致性趋势,相对而言高阶模态频散曲线反演的横波速度比基阶要高;高阶和基阶模态能量加权反演,不仅保留了频散曲线基阶模态能量强,勘探深度深的特点,而且对浅层低速层也具有更好的响应,可有效提高反演的精度。     

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。     

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。