面波频散曲线快速追踪算法

层状地球模型面波频散理论传播矩阵法采用传统的Knopff's root-bracketing算法求频散函数的根即相速度,并广泛应用至今。本文提出了一个自动追踪求根算法,使频散曲线的计算变得更为有效,方便和快速。     

地震面波的熵谱分析

最大熵谱估计法是一种具有很高分辨率,并特别适合短时序列分析的现代谱分析方法。本文首次将这种方法引用到地震面波频散的分析处理中,提出一种新的面波频散的测定方法——MEAS法(Maximum Entropy Analysis of Surface-wave)。用此方法,计算了我国东海地区的地震面波的频散,并与多重滤波法的结果作了比较。两种方法在短周期部分吻合得较好,而在长周期部分,MEAS法的结果更准确。     

面波频散反演的数值模拟

大量的数值模拟表明,ＳＶＤ和ＬＳＱＲＤ在面波频散网格反演两步法中的应用效率都很好。但ＳＶＤ可以用分辨矩阵、信息矩阵和协方差矩阵对解估计进行数学上客观有效的评价,而对于大型稀疏方程的求解,ＬＳＱＲＤ确是一种内存注小,计算速度快以及分辨抗噪能力都较强的算法。在现有计算机运算速度较快、内存可以扩弃较大的条件下,实测数据量不很大时,应采用ＳＶＤ算法进行线性反演。     

四川盆地中部浅层地壳一维剪切波速度结构初步研究

2010年1月31日四川盆地中部的遂宁发生了M5.0地震,四川盆地内部的台站观测到了很强的短周期面波波形数据。本文对地震数据的Rayleigh波和Love波提取基阶群速度频散曲线并反演得到四川盆地中部浅层地壳一维剪切波波速度结构。研究结果表明,四川盆地中部近地表剪切波平均速度约为2km/s,并且随深度逐渐增加,地壳深度在10km左右时,剪切波速度达到了3.5km/s。此结果适用于四川盆地中部以西,从遂宁到龙泉山附近,而四川盆地东部,从遂宁到华蓥山断裂不适用。该结果可为龙门山断裂附近的三维结构研究提供参考,并对强地面运动计算和区域内地震定位的研究有一定参考价值。     

基于快速广义反射透射系数方法的面波群速度计算

在利用实际地震资料反演地球内部结构时,群速度往往比相速度更有意义.本文在水平层状均匀介质模型中,用快速广义反射透射系数方法（Pei,2008）计算了基阶瑞雷面波的群速度,并推导了Chen(1993) 4×4 层矩阵E的逆的解析表达式.文中用数值实验的方法合成了两个典型模型的群速度频散曲线,并与复合矩阵方法计算的结果进行了对比,结果表明本文的方法是切实可行的,与广义反射透射系数方法相比明显地提高了计算效率,尤其是在高频、层厚度大和层数多的情况下表现得更为突出.     

一种改进的Wiggins地震面波频散正演方法

本文对Wiggins方法提出两点改进,(1)半空间本征函数选为四个特定的指数函数的线性组合。(2)用求系数向量的基础解系的方法处理边界条件。改进后的方法比较合理,而且适用于各种纵向变速介质的地震面波频散和偏导数的计算。     

利用多种地震数据联合反演剪切波速度结构的可靠性检测

本文模拟使用青藏高原东南缘区域台网及国家台网的170个宽频台站基于背景噪声、天然地震面波、P波接收函数反演时的实际数据,对青藏高原东南缘假定的初始模型进行恢复,通过计算初始模型台站下方纯路径频散、提取各台站对间的瑞雷波频散曲线、计算理论接收函数以及反演剪切波速度结构来测试使用不同单项数据与联合使用多种数据反演对初始模型的恢复程度。结果表明,同时使用接收函数、基于噪声经验格林函数的群速度、相速度频散以及基于天然地震面波的相速度频散联合反演的剪切波速度结构,充分利用了几种数据的分辨率优势,清晰地分辨出中下地壳及上地幔顶部的低速层。此外,本文也分析了实际数据处理中出现的计算误差、随机噪声干扰对计算结果稳定性的影响。结果显示:对于面波频散,加入1%的误差后,联合反演的结果仍可很好地反映低速层的形态,但是当误差提升至5%后,对最终结果则产生了一定程度的影响;而在接收函数中加入4%的随机噪声时,虽然地幔低速层的上界面和下界面会略微受到随机噪声的影响,但是低速层的深度范围和速度值均得到了较好的恢复。     

含流体孔隙介质中面波的传播特性及应用

基于单相介质中地震波理论的高频面波法已广泛应用于求取浅地表S波的速度.然而水文地质条件表明,普遍的浅地表地球介质富含孔隙.孔隙中充填的流体会显著地影响面波在浅地表的传播,进而造成频散和衰减的变化.本文研究了地震勘探频段内针对含流体孔隙介质边界条件的面波的传播特性.孔隙流体在自由表面存在完全疏通、完全闭合以及部分疏通的情况.孔隙单一流体饱和时,任何流体边界条件下存在R1模式波,与弹性介质中的Rayleigh波类似,相速度稍小于S波并在地震记录中显示强振幅.由于介质的内在衰减,R1在均匀半空间中也存在频散,相速度和衰减在不同流体边界下存在差异.Biot固流耦合系数(孔隙流体黏滞度与骨架渗透率之比)控制频散的特征频率,高耦合系数会在地震勘探频带内明显消除这种差异.介质的迂曲度等其他物性参数对不同流体边界下的R1波的影响也有不同的敏感度.完全闭合和部分疏通流体边界下存在R2模式波,相速度略低于慢P波.在多数条件下,如慢P波在时频响应中难以观察到.但是在耦合系数较低时会显现,一定条件下甚至会以非物理波形式接收R1波的辐射,显示强振幅.浅表风化层低速带存在,震源激发时的运动会显著影响面波的传播.对于接收点径向运动会造成面波的Doppler频移,横向运动会造成面波的时频畸变.孔隙存在多相流体时,中观尺度下不均匀斑块饱和能很好地解释体波在地震频带内的衰减.快P波受到斑块饱和显著影响,R1波与快P波有更明显关联,与完全饱和模型中不同,也更易于等效模型建立.频散特征频率受孔隙空间不同流体成分比例变化的控制,为面波方法探测浅地表流体分布与迁移提供可能性.通常情况孔隙介质频散特征频率较高,标准线性黏弹性固体可以在相对低频的地震勘探频带内等效表征孔隙介质中R1波的传播特征,特别在时域,可在面波成像反演建模中应用.     

高铁地震面波相速度频散曲线提取

为了充分利用高铁地震信号中的面波信息,本文将双台法和旋转法等面波相速度提取方法应用于高铁地震模拟记录,尝试提取基阶瑞利波与勒夫波相速度频散曲线.通过分析以高铁高架桥的桥墩为源的高铁波场干涉特征,给出了适用于高铁地震波场的面波相速度校正方法;通过数值实验,证明了方法的有效性.     

煤层厚度变化时地震槽波理论频散曲线计算方法及频散特征分析

槽波地震勘探利用槽波的频散特性反演煤层的结构特征,故理论频散曲线的计算是一个重要方面.使用水平层状模型假设下的面波频散曲线计算方法能够计算煤层厚度恒定模型地震槽波频散曲线;但当煤层厚度变化时该方法不再适用.基于前人水平层状均匀介质模型的面波理论频散曲线计算方法,对于含煤三层模型,本文发展了煤层厚度变化情况下的地震槽波理论频散曲线计算方法,并使用该方法计算分析了不同厚度函数模型的频散曲线形态特征.研究表明：与稳定厚度煤层相比,煤层厚度变化使得地震槽波群速度成为与频率及传播射线在水平面投影路径相关的二元函数;射线路径上煤层厚度的变化使得频散曲线在群速度方向上压缩,群速度变化范围变小,且使处于最小值位置的埃里相群速度增大;而煤层厚度的线性变化模型频散曲线只与射线首、尾处的煤层厚度有关,与煤层厚度恒定模型相比,曲线形态不发生改变;煤层厚度呈非线性变化时,频散曲线形态上可能发生改变.     

电磁波传播测井中的侧面波传播

在电磁波传播测井中,侧面波是重要的波模.本文利用迭代法导出了侧面波解的简单而精确的公式,研究了泥饼对侧面波的影响及侧面波的传播规律,并利用该简单公式对频率选择、源距选取及如何改进测井解释作了讨论.     

基于波动方程的广义屏叠前深度偏移

地震波传播算子的计算效率和精度是制约三维叠前深度偏移的关键因素. 广义屏传播算子(GSP, Generalized Screen Propagator)是一种在双域中实现的广角单程波传播算子. 这一方法略去了在非均匀体之间发生的交混回响,但它可以正确处理包括聚焦、衍射、折射和干涉在内的各种多次前向散射现象. 通过背景速度下的相移和扰动速度下的陡倾角校正,广义屏算子能够适应地层速度的强烈横向变化. 这种算子可以直接应用于炮集叠前偏移,通过将广义屏算子作用于双平方根方程,还可以获得一种高效率、高精度的炮检距域叠前深度偏移方法,用于二维共炮检距道集和三维共方位角道集的深度域成像. 本文首先简述了炮检距域广义屏传播算子的理论,进而讨论了共照射角成像(CAI, Common Angle Imaging)条件,由此给出各个不同照射角(炮检距射线参数)下的成像结果,进而得到共照射角像集. 由于照射角和炮检距的对应关系,共照射角像集又为偏移速度分析和AVO(振幅随炮检距变化)分析等提供了有力工具.     

基于螺旋线上谱因式分解的地震波场隐式辛算法

均匀介质、复杂各向同性介质和各向异性介质中的地震波传播过程,可用统一形式的标量声波方程描述.考虑到在无损耗条件下,地震波方程描述了地震波场这一个无穷维的哈密顿体系随时间的演化过程,该过程为一个单参数连续辛变换,因而可以在其哈密顿形式表述下导出其辛格式.与显式辛算法相比,隐式辛格式对应的隐式辛几何算法具有无条件稳定的特点,可以允许较大的计算步长.但是由于隐式算法不可避免地面临高阶矩阵的求逆,其每一步的计算速度较慢.为实现矩阵快速求逆,文中采用了螺旋边界条件下谱因式分解的方法.在螺旋边界条件下,需要求逆的矩阵化为带状矩阵,而且其各列非零元素的位置和大小具有非常好的相似性,因而可以采用谱因式分解的方法实现快速LU分解.文中采用二阶精度的隐式蛙跳辛格式和谱因式分解方法,计算了常速度、层状介质和Marmousi模型中的波场.计算表明,隐式辛算法不失为波场计算的一种好方法.     

A note on the equivalence of three major propagator algorithms for computational stability and efficiency

It is shown in this note that the three methods, the orthonormalization method, the minor matrix method and the recursive reflection-transmission matrix method are closely related and solve the numerical instability in the original Thomson-Haskell propagator matrix method equally well. Another stable and efficient method based on the orthonormalization and the Langer block-diagonal decomposition is presented to calculate the response of a horizontal stratified model to a plane, spectral wave. It is a numerically robust Thomson-Haskell matrix method for high frequencies, large layer thicknesses and horizontal slownesses. The technique is applied to calculate reflection-transmission coefficients, body wave receiver functions and Rayleigh wave dispersion.     

时-空局域化地震波传播方法:Dreamlet叠前深度偏移

提出了一种在时间和空间上完全局域化的波场分解和传播算法─dreamlet偏移方法.Dreamlet是一种脉冲-小波束形式的波场分解原子,它利用多维局部分解变换,把时空域波场映射到局部时间-频率-空间-波数相空间,并用局部相空间的传播算子(dreamlet算子)沿深度延拓.本文利用多维局部余弦变换实现dreamlet算法,分解后的波场系数和传播算子不仅有很好的稀疏性,且均为实数,也即波的传播和成像过程完全在实数域实现.文中推导了局部余弦基dreamlet波场分解和传播算子理论公式并将其应用于叠前深度偏移.在dreamlet相空间波的传播过程为稀疏矩阵相乘,而且延拓后的地表数据波场的有效时间长度随深度的增加不断减小,从而可以减少需要传播的波场系数.二维SEG/EAGE盐丘和SIGSBEE模型算例验证了理论推导的正确性,成像结果显示该方法在横向速度变化剧烈情况下有很好的精度.     

波动方程的射线近似

本文讨论了各向同性非均匀介质中运动方程近似为标量波动方程及标量波动方程近似为射线方程（动力学及运动学）的条件,也讨论了这些条件之间的关系,还给出了射线振幅的一个新的数值解法。     

地震波传播的哈密顿表述及辛几何算法

地震波传播过程本质上是能量在传播过程中逐步损耗直至殆尽的过程，而在实际应用中，常在无能量损耗假设下，用弹性波动方程或标量波动方程描述它.在哈密顿(Hamilton)体系表述下，地震波传播过程即为一个无限维的哈密顿系统随时间的演化过程.若不计能量损耗，波场演化过程实质上为一个单参数连续的辛变换，因而对应的数值算法应为辛几何算法.本文首先从地震波标量方程出发，给出哈密顿体系下地震波传播的表述，即任意两个时刻的波场是通过辛变换联系起来的.随后，把波场在时间和相空间离散化后，给出了用于波场计算的一些辛格式，如显式辛格式、隐式辛格式和蛙跳辛格式.并进一步讨论了有限差分格式和辛格式的异同.然后，应用显式辛格式和同阶的有限差分方法给出了同一理论速度模型下的波场和Marmousi速度模型下的单炮记录.数值结果表明，辛算法是一类可行的波场模拟的数值算法.在时间步长较小时，有限差分方法是辛算法的一个很好近似.文中的理论和方法，为地震波传播理论及实际应用研究提供了新的途径.     

Propagator matrices in elastic wave and vibration problems

The boundary value problems most frequently encountered in studies of elastic wave propagation in stratified media can be formulated in terms of a finite number of linear, first order and ordinary differential equations with variable coefficients. Volterra (1887) has shown that solutions to such a system of equations are conveniently represented by the product integral, or propagator, of the matrix of coefficients. In this paper we summarize some of the better known properties of propagators plus numerica methods for their computation. When the dispersion relation is somem ^th order minor of the integral matrix it is possible to deal withm ^th minor propagators so that the dispersion relation is a single element of them ^th minor integral matrix. In this way one of the major sources of loss of numerical accuracy in computing the dispersion relation is avoided. Propagator equations forSH and forP-SV waves are given for both isotropic and transversely isotropic media. In addition, the second minor propagator equations forP-SV waves are given. Matrix polynomial approximations to the propagators, obtained from the method of mean coefficients by the Cayley-Hamilton theorem and the Lagrange-Sylvester, interpolation formula, are derived.     

小波多分辨分析方法在波动方程正演模拟中的应用

初步探讨小波多分辨分析理论在地震波动方程正演模拟中的应用，给出一种基于地震波场局部变化性质而自适应调空间网格点的波动方程数值算法，目前求解波动方程所用的有限差分法、有限元法以及伪谱法都不能根据波场的局部变化性质而动态选择空间网格点的大小、小波基函数在空间域和频域中都具有局部性特征，它的性质优于有限差分法，有限元法和伪谱法中所用的基函数，通过阀值运算，地震波场失发辨表示变得非常稀疏，同时地下介质中的主要信息又不会受到损害，本文将声波场的多分辨表示变得非常稀疏，同时地下介质中的主要信息又不会受到损害，本文将声波方程的矩阵表示形式小波多分辨分析的框架下进行了展开，通过对算子长阵的地震波场矩阵进行多分辨分解和压缩，得到了小波域中地震波场正演模拟算法。     

层状不均匀介质中合成地震图的反射率法

本文应用传播函数矩阵的方法把Fuchs和Müller计算合成地震图的反射率法推广到层状不均匀介质中。在高频条件下,每层的基本矩阵用WKBJ渐近解表示,同时考虑到射线具有迴折点的情形。实例表明,这一算法是可行的,与原方法相比,在计算层状不均匀介质中的合成地震图方面可节省大量的计算机时。