黏弹性介质中瑞雷面波正演模拟及频散特征分析

正演模拟是瑞雷面波研究的一个主要方面,目前对于瑞雷面波的正演研究大多是基于均匀层状弹性介质条件下的瑞雷面波频散曲线方程,这只适用于层状模型,无法模拟全波场,而且不考虑实际介质的黏弹效应.本文采用交错网格高阶有限差分法对黏弹性介质中的瑞雷面波进行了高精度全波场模拟,并对频散特征进行了提取与分析.其中采用属于非线性最优化的Levenberg-Marquarat方法直接计算松弛时间来拟合常Q模型,并将应力镜像法与紧致差分格式相结合来准确实施自由表面条件,在其余边界处以非分裂的多轴卷积完全匹配层为吸收边界.然后利用相移法从地震记录中提取频散剖面并对几种典型模型的面波频散特征进行了对比分析.结果表明黏弹性对面波的频散特性有显著影响,面波勘探中有必要考虑黏弹性因素.     

自适应对数螺旋路径萤火虫算法反演瑞雷面波频散曲线

瑞雷面波技术是浅地层地质勘探的重要手段之一,通过瑞雷面波频散曲线反演可有效获得地下横波速度模型.然而,瑞雷面波频散曲线反演具有多参数、多极值和非线性等特点,面对复杂地震-地质条件下的瑞雷面波资料处理,传统方法难以快速、精确地对地层参数进行反演和重建.本文将自适应对数螺旋路径萤火虫算法(Adaptive Logarithmic Spiral-Lévy Firefly Algorithm,简称ALSL-FA)引入到瑞雷面波频散曲线反演中,有效解决了经典萤火虫算法(Firefly Algorithm,简称FA)精于探索,疏于开发的缺点.ALSL-FA集成了对数螺旋引导萤火虫路径,并在搜索过程中通过自适应切换因子实现了全局搜索与局部开发自适应切换,在增强局部开发能力的同时,确保了全局搜索的能力.通过Rastrigin函数求解,对比分析了FA、Lévy飞行萤火虫算法(Lévy Flying Firefly Algorithm,简称LF-FA)和ALSL-FA的运算性能;通过速度递增和含高速硬夹层地质模型的瑞雷面波频散曲线反演,比较了人工蜂群算法(Artificial Bee Colony alg...     

四川宜宾地壳浅部三维S波速度结构及方位各向异性

利用四川宜宾及周边地区布设的30个临时台站连续44天的波形记录,采用背景噪声互相关方法提取了周期为1—15 s的瑞雷面波相速度频散曲线,然后使用基于面波射线路径追踪的瑞雷面波直接成像方法得到0—10 km深度范围内三维S波速度模型,最后利用该模型作为初始模型采用相同的反演框架得到该地区的方位各向异性结构.结果表明:浅层...     

瞬时偏振滤波技术压制X分量中的面波(英文)

瑞雷面波与体波在偏振上的差异使得利用偏振特征分离这两种波场成为可能。为克服滑动时窗法在应用中存在的一些问题,本文将工程地震和天然地震信号分析中的复数道技术与瞬时偏振分析技术引进到能源领域多分量地震勘探转换波记录中的面波压制处理。理论模拟与野外实测数据的处理试验显示了较好的压制面波、保留有效信号的去噪效果,证明了该技术值得在多分量数据处理中推广应用。     

基于CFS-CPML边界处理的LOVE面波有限差分模拟

建立近地表横波速度模型时通常需要用到面波分析的方法.Love面波是在低速层分界面附近传播的一种SH型不均匀平面波,本文利用高阶有限差分算子、合理的自由地表边界条件以及CFS-CPML吸收边界条件,获得了高精度的Love面波波场记录,并与传统的分裂式完全匹配层得到的波场记录作对比,体现了CFS-CPML吸收边界条件的优越性.在此基础上将数值模拟提取的频散特征与理论的频散特征进行对比,证明二者非常吻合,验证了Love面波有限差分模拟的精度很高,可以用来研究复杂情形下的Love面波频散特征,并分析了Love面波位移应力等一系列正演特征.     

基于匹配滤波的多次波压制方法研究

常规滤波方法对浅海多次波压制不能取得理想效果.通过改变模型表面边界条件,求解波动方程实现多情景地震数值模拟.利用自由边界条件模拟时获得含海平面强反射多次波地震记录,而利用吸收边界条件时得到理想条件下无多次波地震记录.对比分析多次波对有效地震信号的影响得到海平面强反射多次波改变了有效地震信号的振幅、频率和相位.利用归一化方法计算得到压制多次波滤波器算子,并作用于含海平面强反射多次波地震记录.叠加地震剖面对比分析表明,归一化滤波器算子较好的压制了地震记录中的多次波,提高地震资料分辨率.最后,根据多次波产生条件,给出了利用实际区域简化地质模型的地震数值模拟结果计算归一化滤波器算子的方法,从而利用该方法压制实际地震数据中多次波.     

基于交叉梯度约束的地震初至纵波与瑞雷面波联合反演

本文提出了一种初至纵波(P波)与瑞雷面波的交叉梯度联合反演策略.通过对初至P波进行全波形反演可以获得近地表P波速度结构;通过对仅含瑞雷面波信息的地震数据转换到频率-波数域进行加窗振幅波形反演(Windowed-Amplitude Waveform Inversion,w-AWI)可获得近地表横波(S波)速度结构.在二者反演的目标函数中均加入P波速度和S波速度的交叉梯度作为正则化约束项,使得在反演过程中P波速度和S波速度相互制约,相互约束,从而实现对地震初至P波与瑞雷面波的联合反演.数值模拟结果表明交叉梯度联合反演可以提高S波速度反演分辨率,而P波速度反演结果并没有得到提高.实际资料的反演结果表明,交叉梯度联合反演能够获得更加可信的近地表速度结构.     

近地表低速带参数反演

阐明利用瑞雷面波反地表速度和厚度的可行性，并利用地震记录中的瑞雷面波数据，反演近地表低速带的厚度和速度，文中给出了实例试算，结果表明，面波资料的近地表参数反演将有利于勘探目标区的物理参数建模。     

利用瑞雷面波反演华北克拉通东北部边界的岩石圈结构

运用瑞雷面波相速度频散曲线分析和反演得到了华北克拉通东北部边界及其邻近区域岩石圈的精细S波速度结构.利用11个地震事件、60个台站的瑞雷面波波形资料,得到了周期从25-150 S的相速度频散曲线,并且通过线性反演方法得到了深度从40-300 km的S波速度结构.结果表明,该研究区域S波速度存在强烈的不均匀性.从东南部的...     

CPML条件下黏弹介质地震波传播的有限差分模拟与特征分析

在波动方程有限差分波场数值模拟中,为了使计算得到的边界波场值更接近于真实的边界波场值,需要使用边界条件以减少来自计算区域边界的人为反射能量。传统的分裂式完全匹配层(SPML)吸收边界条件不能有效吸收掠射波,后来发展的不分裂卷积完全匹配层(CPML)能够较好地处理这个问题,并且CPML在处理边界问题时无需对波场进行非物理分裂。本文针对Kelvin-Voigt模型的黏弹性介质,采用高阶交错网格有限差分方法进行数值模拟,同时利用CPML吸收边界条件进行边界处理。数值模拟结果表明:与弹性波相比,大角度入射产生的低频掠射波对黏弹性波的影响更大;CPML吸收边界条件对低频掠射波的吸收效果比传统的SPML吸收边界条件更好。     

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.     

完全匹配层吸收边界在孔隙介质弹性波模拟中的应用

模拟弹性波在孔隙介质中传播,需要稳定有效的吸收边界来消除或尽可能的减小由人工边界引起的虚假反射. 本文在前人工作基础上,首次建立了弹性孔隙介质情况下完全匹配层吸收边界的高阶速度-应力交错网格有限差分算法,并详细讨论了完全匹配层的构建及其有限差分算法实现. 首先,本文通过均匀孔隙模型的数值解与解析解的对比,验证所提出的数值方法的正确性;然后,本文考察了完全匹配层对不同入射角度入射波和自由表面上的瑞利波的吸收性能,将完全匹配层与廖氏和阻尼吸收边界进行了对比,研究了这三种吸收边界在不同吸收厚度情况下对弹性波吸收能力. 数值结果表明,在孔隙介质中,完全匹配层作为吸收边界能十分有效地吸收衰减外行波,无论对体波还是面波,是一种高效边界吸收算法.     

黏弹性介质中瑞雷波有限差分数值模拟与波场分析

瑞雷面波经常被用来反演地表浅层横波速度,受到越来越广泛的关注。对瑞雷波的研究一般都基于完全弹性介质,而实际地层更接近黏弹性介质,对黏弹性介质中的瑞雷面波进行模拟更具实际意义。本文采用广义标准线性体模型来描述黏弹性介质,并采用交错网格有限差分法对考虑水平自由表面的黏弹介质进行正演模拟,再与弹性介质中的结果进行对比分析。首先采用非线性最优化算法根据期望常数品质因子直接求取松弛时间来拟合常Q模型,并给出广义标准线性固体的具体算例,实施自由表面条件时采用声学-弹性边界近似法,通过剪切模量不变来考虑自由表面上、下横向应力保持连续的条件。对于非自由表面,采用非分裂的多轴卷积完全匹配层来吸收波场。然后对几种典型的数值模型进行正演模拟计算,数值解与解析解的对比验证了本文方法的准确性与有效性,正演结果的对比表明波场尤其是面波频散会受黏弹性影响,因此有必要在面波勘探中考虑黏弹性因素。      

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.     

Pseudospectral modeling and dispersion analysis of Rayleigh waves in viscoelastic media

Multichannel Analysis of Surface Waves (MASW) is one of the most widely used techniques in environmental and engineering geophysics to determine shear-wave velocities and dynamic properties, which is based on the elastic layered system theory. Wave propagation in the Earth, however, has been recognized as viscoelastic and the propagation of Rayleigh waves presents substantial differences in viscoelastic media as compared with elastic media. Therefore, it is necessary to carry out numerical simulation and dispersion analysis of Rayleigh waves in viscoelastic media to better understand Rayleigh-wave behaviors in the real world. We apply a pseudospectral method to the calculation of the spatial derivatives using a Chebyshev difference operator in the vertical direction and a Fourier difference operator in the horizontal direction based on the velocity–stress elastodynamic equations and relations of linear viscoelastic solids. This approach stretches the spatial discrete grid to have a minimum grid size near the free surface so that high accuracy and resolution are achieved at the free surface, which allows an effective incorporation of the free surface boundary conditions since the Chebyshev method is nonperiodic. We first use an elastic homogeneous half-space model to demonstrate the accuracy of the pseudospectral method comparing with the analytical solution, and verify the correctness of the numerical modeling results for a viscoelastic half-space comparing the phase velocities of Rayleigh wave between the theoretical values and the dispersive image generated by high-resolution linear Radon transform. We then simulate three types of two-layer models to analyze dispersive-energy characteristics for near-surface applications. Results demonstrate that the phase velocity of Rayleigh waves in viscoelastic media is relatively higher than in elastic media and the fundamental mode increases by 10–16% when the frequency is above 10 Hz due to the velocity dispersion of P and S waves.     

Spatial behaviour of Rayleigh waves in layered half‐spaces under active surface sources

In the free state, Rayleigh waves are assumed to travel in the form of planar wavefronts. Under such an assumption, the propagation behaviour of the modes of Rayleigh waves in layered half‐spaces is only frequency dependent. The frequency behaviour, which is often termed as dispersion, is determined by the shear wave velocity profile of layered soils within the depth related to wavelength (or frequency). According to this characteristic, the shear wave velocity profile can be back‐analysed from the dispersion. The technique is widely used in the surface wave testing. However, the wavefronts of Rayleigh waves activated by the surface sources are non‐planar. The geometric discrepancy could result in Rayleigh waves manifesting distance‐dependent behaviour, which is referred to as spatial behaviour in this paper. Conventional analysis ignoring this spatial behaviour could introduce unexpected errors. In order to take the effects of sources on the propagation behaviour into account, a new mathematical model is established for Rayleigh waves in layered elastic media under vertical disc‐like surface sources using the thin‐layer method. The spatial behaviour of the activated modes and the apparent phase velocity, which is the propagation velocity of Rayleigh waves superposed by the multiple modes, are then analysed. Aspects of the spatial behaviour investigated in this paper include the equilibrium path, the particle orbit, and the geometric attenuation of the activated Rayleigh waves. The results presented in this paper can provide some guidelines for developing new inverse mathematical models and algorithms.     

Effect of topography and subsurface inhomogeneity on seismic rayleigh waves

The effect of topography and subsurface inhomogeneity on surface motion is investigated in the case of Rayleigh waves. In the previous paper, the same effect was investigated in the case of SV waves. Several types of topography, such as cliffs both with and without a soft layer at the foot of the slope, are considered. Computations are made using a new hybrid method combining a particle model with a finite element method. In cases of harmonic Rayleigh waves, surface motions with amplitudes as large as 1.5 to 5 times the horizontal surface displacement of the incident Rayleigh waves are produced near the slope and the sloping interface. When a Rayleigh wave propagating through a hard single-layered ground encounters a sloping interface where hard ground and soft ground make contact with each other, Rayleigh waves having two different, phase velocities are produced and they correspond to the fundamental mode, and the first mode determined by Haskell's method. In addition, the transient response when Rayleigh waves propagate through the cliff is also simulated. Assuming the vertical component of the Tokachi-oki Earthquake (1968) measured on the surface to be a Rayleigh wave, the incident Rayleigh wave can be obtained by a Fourier synthesis of eigenfunctions of Rayleigh waves.     

Finite-difference modeling of surface waves in poroelastic media and stress mirror conditions

During seismic wave propagation on a free surface, a strong material contrast boundary develops in response to interference by P- and S- waves to create a surfacewave phenomenon. To accurately determine the effects of this interface on surface-wave propagation, the boundary conditions must be accurately modeled. In this paper, we present a numerical approach based on the dynamic poroelasticity for a space–time-domain staggeredgrid finite-difference simulation in porous media that contain a free-surface boundary. We propose a generalized stess mirror formulation of the free-surface boundary for solids and fluids in porous media for the grid mesh on which lays the free-surface plane. Its analog is that used for elastic media, which is suitable for precise and stable Rayleigh-type surface-wave modeling. The results of our analysis of first kind of Rayleigh (R1) waves obtained by this model demonstrate that the discretization of the mesh in a similar way to that for elastic media can realize stable numerical solutions with acceptable precision. We present numerical examples demonstrating the efficiency and accuracy of our proposed method.     

均匀介质背景中三维异常体的面波波场响应及其动力学特征分析

除介质各向异性之外,地球内部介质的横向非均匀性也是控制面波速度变化的重要因素.本文基于振型耦合和多重散射的地震波传播理论,数值模拟并分析了在具有均匀介质背景的三维异常体——上地幔横向非均匀介质中传播时,地震面波的振幅与偏振等动力学响应参数;其中分别模拟了不同周期入射、不同角度入射和不同尺度非均匀介质模型等多种情形下面波波场,并对横向非均匀性诱导的面波偏振异常进行了分析.结果表明,相对于长周期面波而言,短周期面波的振幅和偏振方向受横向非均匀性的影响更大,特别是偏振方向对地球结构的非均匀性更为敏感;切向分量存在横向非均性引起的Rayleigh与Love面波耦合现象;异常体边界处表现出强的面波波场响应.     

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.