夹层厚度对瑞利面波频散曲线的影响

文章以弹性波横波速度为参数,利用瑞利面波频散曲线的快速标量传递算法进行正演模拟计算,系统研究软弱层厚度对瑞利面波基阶模频散曲线的影响,分析和总结了频率与相速度（f-c）、频率与波数（f-k）、深度与相速度（h-c）等瑞利面波基阶模曲线随软弱层厚度变化的规律。     

软弱夹层速度对瑞利面波频散曲线的影响

文章以弹性波横波速度为参数,利用瑞利面波频散曲线的快速标量传递算法进行正演模拟计算,系统研究软弱层速度对瑞利面波基阶模频散曲线的影响,分析和总结了频率与相速度（f-c）、频率与波数（f-k）、深度与相速度（h—c）等瑞利面波基阶模曲线随软弱层速度变化的规律。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

面波多模频散曲线的敏感性及特征分析

面波勘探现在已经被广泛应用于工程选址及地震安全评价等方面,但其大多是针对Rayleigh波的应用,对Love波的关注较少.针对面波信息中的两种主要成份Rayleigh波和Love波对速度递增模型和存在低速层模型进行多模频散曲线的敏感性和特征分析,得到了多模式波对半空间介质模型和多层介质的响应特征,而且还对其基模式波和高模式波在高频和低频上的速度趋势进行了分析,细化了高频时的多模式波的理论最低速,得出了一些具有普遍性的结论,并为面波信息的综合利用提供了有力支持.     

软弱夹层底层速度对瑞利面波频散曲线的影响

文章利用快速标量传递算法进行瑞利面波频散曲线的正演计算,系统研究软弱夹层底层速度对瑞利面波频散曲线的影响,分析和总结了频率与相速度(f-c)、频率与波数(f-k)、深度与相速度(h-c)等瑞利面波基阶模曲线随软弱夹层底层速度变化的规律.     

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.      

Objective regionalization of Rayleigh wave dispersion data by clustering algorithms: an application to the Mediterranean basin

The main target of the present study is an objective and automated regionalization of Rayleigh wave dispersion data for the Mediterranean basin, without a priori seismotectonic constraints, and to determine the corresponding regional shear-velocity structures. The database used is formed by almost 200 Rayleigh wavetrains corresponding to 42 regional events, with surface-wave magnitude greater than 4.5, recorded at the MedNet very-broad-band stations in the Mediterranean area. Path-averaged group velocities for the Rayleigh wave fundamental mode are derived for each available epicentre-station trajectory crossing the Mediterranean basin. After this, a principal component analysis and a clustering process are applied to local group velocities, obtained for 13 different periods from 10 to 70 s, in order to classify the Mediterranean basin into several homogeneous regions. The stochastic inversion of the averaged group velocity dispersion curve obtained for each region provides the respective shear-velocity structures, down to a depth of 150–160 km. The characteristics of these areas and their possible correlation with the main seismotectonic features of the Mediterranean region are discussed. The regional models reveal significant lateral changes in the elastic structure, with the main differences concerning particularly the upper 35–40 km. Within this depth range, low shear velocities, varying from 2.8 to 3.9 km s⁻¹, characterize the Eastern Mediterranean, whereas higher velocities, ranging from 3.0 to 4.2 km s⁻¹, are deduced for the Western Mediterranean. These results suggest a thicker crust in the eastern part, but with a greater thickness of sedimentary layers. However, for depths of between 80 and 110 km, lower shear velocities are obtained in the Western part, while higher shear velocities are derived for the Eastern Mediterranean Sea, in the Aegean Sea, Greece, the south of Italy, Sicily and Tunisia. This velocity pattern suggests an averaged thicker lithosphere under the latter areas, as the top of the asthenosphere is detected at a mean depth of 75 km for the remaining regions. This thicker lithosphere can be related to processes associated with the convergence of the Eurasian and African plates and subduction under the Calabrian and Hellenic Arcs.     

交通荷载作用下地基中瑞利波的传播特性

瑞利波频谱分析法是一种能有效的测试地基参数的方法,但测试深度较浅.交通荷载产生的波频率低,传播较深,因此利用交通荷载产生的表面波能获的更深土层的参数.根据交通荷载的运动特性和三维波动方程,运用解析方法求得了交通荷载作用下瑞利波的特征方程,并对弥散性和荷载运动对波的传播的影响进行了分析,研究发现对于同一运动速度V,不同频率的波其传播方向不相同.     

横向各向同性弹性地层井孔中模式波的探测深度

研究了横向各向同性(TI)弹性地层充液井孔中模式波的频散曲线和灵敏度曲线。结果显示:弯曲波对地层中垂直向传播的横波速度比较敏感,而斯通利波对地层中水平向传播的横波速度较灵敏;在慢速地层中,从斯通利波(或弯曲波)对不同径向位置和不同波数下水平向 (或垂直向) 传播的横波速度的灵敏度曲线上可知,斯通利波的探测深度在整个计算频段约为1.5个井眼半径(距井壁距离),弯曲波的探测深度相对较深,但受波数影响大:在较低波数时,其探测深度约为4个井眼半径,较高波数时约为1.5个;在快速地层中,由于受井内流体的影响较大,弯曲波在较高波数时探测深度稍有下降,但斯通利波对地层性质的敏感程度明显降低甚至消失。     

瑞利波在非均匀饱和地基中的传播特性

考虑地基横观各向同性和非均匀性,建立孔隙率、密度、剪切模量及渗透系数同时随深度变化的非均匀饱和地基模型,模型中考虑参数间的耦连影响,并引入非均匀因子表征地基的不均匀程度。基于Biot多孔介质理论建立以土骨架位移和孔隙水压力为基本未知量的控制方程,采用微分算子法对控制方程进行解耦求解,推导出非均匀饱和地基中瑞利波的频散方程。将推导结果分别退化到均匀饱和地基和单一弹性地基,验证了结果的正确性。通过数值算例,对非均匀饱和地基中瑞利波的传播速度、衰减系数及位移分布进行分析。结果表明：在低频区,饱和地基的非均匀性对瑞利波传播速度、衰减和位移都有显著影响,质点运动轨迹也由此发生变化;随着频率的升高,这种影响逐渐减小,当频率趋于无穷大时,瑞利波速度收敛于弹性地基中的波速;地基非均匀性增大了瑞利波的传播阻抗性,瑞利波位移加速衰减,传播深度小于均匀饱和地基。随着非均匀性增大,质点竖向位移的衰减快于水平位移,这种差异造成质点椭圆运动轨迹的扁率减小。此外,地基中非均匀土层厚度越小,则地基非均匀程度越高,对瑞利波的传播影响越大。