层状黏弹性介质中Rayleigh波频散曲线“交叉”现象分析

Rayleigh波勘探方法在探测近地表横波速度、动力学特征等环境与工程地球物理领域获得了广泛应用.这种方法以弹性层状介质理论为基础,然而实际介质具有黏弹性,研究面波在层状黏弹性介质中的传播特征,将为近地表面波勘探提供有益帮助.在某些弹性层状介质模型中,例如存在低速夹层和强波阻抗差异地层模型,Rayleigh波相邻两条频散曲线彼此会非常靠近,产生看似彼此"交叉"的现象,即"osculation"现象,但对于黏弹性介质中的这种现象并没有进行相关的研究.本文利用Muller法计算层状黏弹性介质Rayleigh波频散方程,基于层状介质模型中Rayleigh波频散和衰减曲线连续的性质,结合本征位移曲线特征,分析二层黏弹性介质模型中Rayleigh波频散曲线"交叉"现象以及"交叉"点附近的波动特性.结果表明:与弹性介质相比,黏弹性介质中Rayleigh波的波动特性存在明显差异,随着介质对地震波的损耗越来越强,将导致Rayleigh波频散曲线发生"交叉"现象.     

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.     

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.     

黏弹介质中勒夫波频散问题的统一解及其动态特征分析

目前完全弹性介质中面波频散特征的研究已较为完善,多道面波分析技术(MASW)在近地表勘探领域也取得了较好的效果,但黏弹介质中面波的频散特征研究依然较少.本文基于解析函数零点求解技术,给出了完全弹性、常Q黏弹和Kelvin-Voigt黏弹层状介质中勒夫波频散特征方程的统一求解方法.对于每个待计算频率,首先根据传递矩阵理论得到勒夫波复频散函数及其偏导的解析递推式,然后在复相速度平面上利用矩形围道积分和牛顿恒等式将勒夫波频散特征复数方程的求根问题转化为等价的连带多项式求解问题,最后通过求解该连带多项式的零点得到多模式勒夫波频散曲线与衰减系数曲线.总结了地层速度随深度递增和夹低速层条件下勒夫波频散特征根在复相速度平面上的运动规律和差异.证明了频散曲线交叉现象在复相速度平面上表现为:随频率增加,某个模式特征根的移动轨迹跨越了另一个模式特征根所在的圆,并给出了这个圆的解析表达式.研究还表明,常Q黏弹地层中的基阶模式勒夫波衰减程度随频率近似线性增加,而Kelvin-Voigt黏弹地层中的基阶模式勒夫波衰减程度随频率近似指数增加,且所有模式总体衰减程度强于常Q黏弹地层中的情况.     

HTI煤层介质槽波波场与频散特征初步研究

煤层内裂隙较为发育,具有明显的各向异性.目前槽波理论研究以各向同性介质为主,对HTI介质中槽波及其频散性质研究很少.本文以弱各向异性、含垂直裂隙HTI煤层介质为研究对象,研究了HTI煤层介质中的三维槽波波场,采用交错网格高阶有限差分法模拟槽波,推导了三层水平层状HTI煤层介质的Love型槽波理论频散公式和振幅深度分布,分析了HTI各弹性参数对频散曲线的影响.HTI介质和各向同性介质基阶Love槽波频散曲线差异较小,高阶较大;煤厚主要影响Airy相频率,而Airy相速度不变;煤层vs对Airy相速度影响很大;煤层γ对基阶Love槽波影响很小,高阶稍大.各波偏振方向不再与波的传播方向平行或垂直,而是呈一定夹角.利用基阶Love槽波频散曲线推测裂隙发育较为困难,可利用高阶频散曲线.     

面波频散谱多模式高分辨率成像的多道信号比较法

高分辨率的面波频散谱成像是浅层地震勘探领域基于频散性质反演横波速度结构中的一个关键步骤.在天然地震探测领域,仅利用两个台站记录的线性信号比较法(LSC),被广泛用来计算面波的频散谱,并用于大尺度的面波层析成像.然而互相关的成像方式会造成频散谱在低频端较低的分辨率.非线性信号比较法(NLSC)利用指数函数克服了这个问题,同时极大地提高了频散谱的成像分辨率.然而,在研究中我们发现,仅利用两个台站的地震记录,并不能将面波的频散特性完整地考虑在内,导致LSC和NLSC方法对高阶模式的成像存在较大的误差.由于主动源面波勘探多道采集的方式,基于信号比较理论的多道信号比较法(MSC)充分利用多道地震信号,可以获得准确的多模式成像,然而该方法需要计算任意两道的频散谱并叠加,存在冗余的计算,导致计算效率较低.因此,本研究对MSC方法进行了相应的改进,通过追踪炮集记录上的面波波组提高了原方法的计算效率,同时,利用理论频散曲线进行叠加分析,验证了改进的MSC方法的正确性和有效性.通过与相移法、LSC和NLSC方法的对比分析,展示了MSC方法是一种准确的、高分辨率的面波多模式频散谱成像方法.实际地震资料的应用,揭示了MSC方法在浅层地震勘探中用于提取面波多模式频散信息的巨大潜力.     

瑞利面波高阶模式椭圆极化频散特征理论推导及数值模拟研究

随着城市地下空间的深入开挖和利用,地表变形和沉降塌陷等最常见的工程事故等问题给人民和国家造成了严重生命财产损失.为降低和避免这一危害,迫切需要一种能够在事故发生前对其进行有效观测和预警的方法.传统大地测量、GPS等方法只能在位移发生后进行测量,抗压抗剪等地质试验手段可通过观测介质物性参数对其状态进行预测,但其效率低成本高.常规物探手段如电法、GPR、主动源或被动源地震等方法,因本身方法原理或周围环境所限,不能满足城市环境下的有效测量和预警.传统瑞利面波速度频散法野外工作需布置长大排列,因此也受限于城市环境.为解决上述问题,作者通过前期研究提出了基阶瑞利面波椭圆极化频散方法,即单点矢量瑞利面波法,该方法无需长大排列,只需通过单点采集的多分量信息对地下介质结构进行推断,因此可有效解决上述应用瓶颈问题.本文在前期研究基础之上,进一步对多模式瑞利面波椭圆极化特征进行了理论和数值模拟研究,结果表明,类似基阶面波,高阶同样具有椭圆极化频散特性,且其与地层(速度)泊松比结构同样密切相关,甚至特征更明显;但由于具有较强特征椭圆极化特性的某一面波模式,其能量可能较弱,误差也可能较大.因此,在利用瑞利面波...     

黏弹性与弹性介质中Rayleigh面波特性对比研究

Rayleigh面波的频散特性可以用来研究地表浅层结构. 本文使用时域有限差分法来模拟复杂黏弹性介质中的Rayleigh面波,研究了Q值对面波频散特性的影响.文中采用旋转交错网格有限差分,以非分裂卷积形式的完全匹配层为吸收边界,推出了求解二阶位移-应力各向同性黏弹性波动方程的数值方法.为了检验数值解的精度,首先将简单模型的正演结果与解析解对比,验证了方法的正确性;然后模拟了横向缓变层状介质和含有洞穴的介质中的面波,对弹性和黏弹性介质中的面波的频散特性进行对比分析.模拟结果表明浅层Q值对面波的频散特性有显著的影响;强吸收情况下,高阶面波的能量相对低阶面波能量显著增强.     

瑞利波勘探中"之"字形频散曲线研究

研究了弹性层状半空间中导波的多模性问题,说明了关于瑞利波勘探中"之"字形频散曲线的形成机理.证明由单个的导波模式不可能得到"之"字形频散曲线,并从能量的角度出发,研究了各模式的实际强度与地层参数的关系,克服了从相速度的角度解释"之"字形频散曲线的困难.还深入研究了地表下低速层介质的位置、厚度及其他参数对"之"字形频散曲线的相互影响.与实际资料进行了对比分析,理论结果和实际情况基本相符.     

Rayleigh波的频散方程高频近似分解和多模式激发数目

对于在Rayleigh波勘探中经常提取到的多模式频散曲线,如何在理论上对其特征进行描述是一个很有意义的问题. 本文根据Rayeigh波频散方程中传递矩阵具有的高频近似特征,提出了传递矩阵的高频近似分解公式,据此导出了频散方程的高频近似分解公式,并在此基础上,定义了Rayleigh波的4种基本模式(R模、S模、R型周期模和S型周期模). 根据频散方程具有的周期性特征,给出了周期模频散曲线之间的平均间隔近似公式,以及在任意频率和相速度段内频散方程根的数目（即多模式的激发数目）的预测公式. 在这些结果的基础上,本文最后提出了频散方程数值搜根的一种新方法.     

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.     

Rayleigh波勘探中“之”字形频散曲线“起跳点”频率研究

当层状介质中存在低速层的时候,实际提取到的Rayleigh波频散曲线往往会发生“之”字形回折.已有研究表明,“之”字形回折与各模式的激发能量有关.特别的,“之”字形回折的“起跳点”(发生“之”字形回折的点)与介质参数有一定关系,因此在应用中它反映了介质的一些特征.但是,这一关系是怎样的还没有人进行详细研究.本文计算了三...     

液体表层层状介质导波频散曲线研究

随着地震勘探向浅海、湖泊等流体覆盖层的渗透,存在液体表层或夹层介质中导波的传播研究受到人们重视.在前人研究工作的基础上,本文对存在上覆液体层时的两层、三层以及低速夹层的固体层状介质模型的频散曲线进行了数值计算,分析了当上覆液体表层的厚度变化时多模式导波频散曲线特征.通过与没有液体表层时的完全固体介质模型相对比,研究了存在上覆液体表层时多模式导波频散曲线独特的形态特征,进一步引伸出在滩浅海进行地震勘探中应注意的问题.为在滩浅海及湖泊等表层为液体覆盖层的地区利用导波进行勘探和研究提供一定的研究思路和理论依据.     

套管井偶极弯曲波频散向高频偏移的特性

对套管井偶极弯曲模式波的频散特性进行了系统的数值考察、实例对比和分析.发现套管井弯曲波频散曲线随地层横波速度的降低,特别是地层横波速度小于2000 m·s^-1以下,会迅速移向高频区,偶极弯曲波基础模式主频散区（或截止频率）可出现在13 kHz以上,以致超出了现行低频偶极子声波测井仪的激发与接收频带,这是一过去没有被研究者注意到的现象,并进一步被现场实例所证实.研究表明控制套管井弯曲波频散曲线主频散区位置的主要是钢套管的厚度和地层横波速度.对地层横波速度大于井孔流体声速的快速地层,在钢套管壁厚一定（8 mm）的情况下,频散曲线主频散区可移至11 kHz以上,可能出现的最大可能频域位置是同一井孔内径,井外全钢时的频散曲线上等于、小于地层横波速度那一段,这对各种地层和套管参数都是适用的.对地层横波速度小于等于井孔流体声速（1500 m·s^-1）的慢速地层,弯曲波频散曲线随地层横波速度的降低移向高频区的特点更为明显,可能移至16 kHz以上;而套管厚度的影响,也比快速地层大的多,对地层横波速度小于1380 m·s^-1的慢速地层,无论用多高的频率激发,都不能在现行使用的各类套管井（壁厚6~12 mm）中用偶极声波测井仪测到弯曲模式波.     

孔隙介质弹性波频散—衰减理论模型

储层地球物理学中,孔隙介质的各类弹性波模型常用于了解地层岩石物理性质.本文介绍了含油、气、水等物质的多相孔隙介质弹性波频散和衰减研究进展,给出了流体饱和与部分饱和孔隙介质中波传播的物理模型综述.根据孔隙介质中的固、流体分布情况,从相关基础理论和实验研究工作等方面出发,在宏观、微观和介观尺度上对流体替换、Biot孔隙力学、喷射流、Biot喷射流(BISQ)、等效球体癍块饱和、双重孔隙介质局部流动等现有主要合流体孔隙介质速度频散和衰减理论进行了回顾.研究表明,应力松弛过程是弹性波频散和衰减的基本机理,该过程由平衡特征时间刻画.该特征时间与孔隙介质的渗透率、流体粘性和体积模量紧密相关.当波频较低时,特征时间小于波周期,压力平衡得以发生,可以用等效流体模型描述波速;反之,当波频较高时,局部压差始终保持较高水平。整个骨架体积模量升高,等效模型面临困难,发展出斑块饱和模型.在分析了各类模型理论框架适用性以及所面临困难后,我们对未来研究方向给出了一些有意义的探讨.     

裂缝、裂隙介质衰减频散研究

为研究裂缝、裂隙介质中波致流引起的衰减,将裂缝看作背景孔隙岩石中非常薄且孔隙度非常高的层状介质,并等价成White周期层状模型.分别考虑不同类型的裂隙和孔隙之间的挤喷流影响,结合改进的Biot方程,推导得到裂缝裂隙介质的刚度与频率的关系.当缝隙中饱含流体时,介质的衰减和速度频散受裂缝、孔隙之间和裂隙、孔隙之间流体流动的显著影响.在低频极限下,裂缝裂隙介质的性质由各向异性Gassmann理论和挤喷流模型获得;而在非常高的频率时,由于缝隙中的压力来不及达到平衡,波致流的影响可忽略.分析表明,裂隙密度主要影响波的衰减,而裂隙纵横比主要控制优势衰减频率和速度显著变化的频率范围;由于不同裂隙的衰减机制不同,衰减和速度频散大小有所差异,但基本趋势相同.     

层状介质瑞利面波速度频散特征的二维物理模拟研究

本文基于厚度小于传播波的第一菲涅尔带半径的二维模型,采用超声波物理实验方法,研究不同覆盖层厚的两层层状介质的瑞利面波的速度频散特征和影响因素.实验研究结果表明,在瑞利面波物理模拟实验中,以厚度小于第一菲涅耳带半径的薄板模型为二维物理模型是可信和可行的.相较于常规模拟走向无限延伸的,但具有三维尺度的拟二维模型,薄板二维模型具有远为更高的建模效率和更低的建模成本.对于低速覆盖模型,由于折射横波的能量较强,在依据最大能量拾取速度频散曲线时,地质模型的约束是非常重要的.此外,折射横波与瑞利面波的干涉效应,可导致面波能量频散分布出现局部不连续特征.对于高速覆盖模型,反射横波对瑞利面波速度频散特征影响不大,主要表现为对瑞利面波频散曲线的光滑性或连续性的影响.     

流体饱和周期性层状孔隙介质模型平行层面传播的纵波频散和衰减研究

孔隙介质中的地震波传播一直是油气地震勘探领域的研究热点和难点问题.该科学难题源自不同尺度的裂隙、孔隙、溶洞与岩石骨架之间的耦合作用,导致地震波场特征复杂.目前相关的研究主要集中于探索孔隙介质中地震波的传播机制及地震响应的特征与变化规律,包括对地震波在复杂孔隙介质中传播,进行比较精确的数学物理描述以及数值实现.地球物理学家们集中于研究垂直于地层层面方向入射的地震波频散和衰减,而忽略了实际地球介质中的地震波是以任意角度(方向)入射并进行传播的普遍性情况.在前人的研究基础上,本文的创新之处在于将纵波的入射方向扩展到平行于流体饱和的周期性层状孔隙介质模型层面方向.针对流体饱和的周期性层状孔隙介质模型,提出了介观波致流(Wave-induced Fluid Flow, WIFF)对流体饱和孔隙层状介质中平行于层面方向入射的纵波频散、衰减及频变各向异性的新模型.利用准静态Biot孔弹性方程推导出了模型的孔隙压力、流体流动速度、平均应力和平均应变等物理量的解析表达式,进而得到流体饱和的周期性层状孔隙介质复纵波模量的精确解析解．然后,利用复纵波模量讨论了纵波速度频散、衰减和频变各向异性特征,讨论了背景...     

黏弹性介质瑞雷波有限差分模拟与特性分析

本文通过数值模拟研究了介质黏弹性对瑞雷波传播的影响.模拟采用结合了交错Adams-Bashforth时间积分法、应力镜像法和多轴完美匹配层的标准交错网格高阶有限差分方案.通过模拟结果和理论结果对比,测试了方法的精度,验证了结果的正确性.在均匀半空间模型中,分别从波场快照、波形曲线及频散能量图三个角度,对黏弹性介质瑞雷波衰减和频散特性进行了详细分析.两层速度递增模型被用于进一步分析瑞雷波在黏弹性层状介质中的特性.结果表明：由于介质的黏弹性,瑞雷波振幅发生衰减,高频成分比低频成分衰减更剧烈,衰减程度随偏移距增大而增强;瑞雷波相速度发生频散,且随频率增大而增大,频散能量的分辨率有所降低;黏弹性波动方程中的参考频率,不会影响瑞雷波振幅衰减和相速度频散的程度,但决定了黏弹性和弹性介质瑞雷波相速度相等的频率位置.本研究有助于人们更好地理解地球介质中瑞雷波的行为,并为瑞雷波勘探的应用和研究提供了科学和有价值的参考.     

微动面波的介质响应和H/V谱特征研究

目前,微动面波信息研究的主要方法是对面波中的Rayleigh波成分进行相关性分析.为了充分有效的利用面波信息和提高识别的准确度,本文基于微动面波H/V谱的基本原理,通过对给定模型的数值计算,得到了微动面波的介质响应曲线和H/V谱,分析了面波中Rayleigh波和Love波多模式波的介质响应和H/V谱特征.结果表明微动面波的介质响应特征与地层界面具有一定的对应关系,且在H/V谱中Rayleigh波和Love波的主频具有一致性,Love波的利用对H/V谱具有增强作用,文中也指出了H/V谱法在高频应用领域中有待进一步解决的问题.由于该方法使用的是地微动噪声中的面波信息,不需要专门的震源,因此具有经济快捷、应用范围广泛等优点,将可能成为一种新的有很好应用前景的地球物理勘探方法.