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。     

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.     

基于广义模式识别面波基模式频散曲线反演研究

面波多道分析方法(MASW)是获取垂向剪切波速度剖面的一种有效方法。频散曲线反演是MASW中关键的一步。由于瑞雷波频散曲线反演具有非线性、多参数和多极值的特征,这对于常规的局部线性化反演方法是极大的挑战。为此,本文采取确定性的全局优化算法,广义模式识别算法(GPS)对瑞雷波频散曲线进行反演。其原理可以简述为:算法首先通过模式以确定性的方式对目标函数进行采样来搜索一个点序列;然后使序列中每一个点到下一个点的目标函数值逐渐减少,从而使点序列逐渐逼近全局最优解,最后的解便为待求的最优模型参数。为验证GPS的有效性,首先利用设计的3种典型的6层地质模型通过快速矢量传递算法正演模拟产生基模式频散曲线(频率范围为5~101Hz,频率间隔为2Hz,频点数为49),并对理论频散曲线进行反演。反演结果表明,模型的真实值已经被高度精确地重建。说明GPS可以用于实际勘探中的基模式频散曲线反演。为进一步验证GPS的有效性,在吉林大学校园采集瑞雷波实测数据,并提取基模式频散曲线,应用GPS进行反演。反演重建的横波速度剖面与先验的地质信息吻合得很好。理论模型和真实数据的反演结果表明,GPS可以应用在瑞雷波频散曲线非线性反演中。     

基于时频分析方法提取瞬态瑞利波频散曲线

作为一种无损浅层勘探方法,瑞利波越来越多地应用于地震工程、环境工程及岩土工程测试中。其中,一项重要的工作是提取瑞利波的频散曲线。根据激振方式不同,瑞利波勘探可分为稳态法、瞬态法和地脉动台阵法。基于相位谱法提取瞬态瑞利波的频散曲线,一般将两通道瑞利波的相位差限制在2π之内,因此限制了两拾振器之间的布点距离。本文利用时频分析方法,分析了瞬态瑞利波法频散曲线的提取方法,避免了对相位差的限制。数值试验结果表明,采用时频分析方法提取到的频散曲线具有较高的精度。     

利用多重滤波方法提取面波频散曲线

多重滤波方法已被证明在分析面波的频散特性时是一种有效而快速的方法。本文用单个台站的单次地震事件记录,应用MFT(Multiple Filter Technique)方法提取了内华达地区的面波频散曲线并分析了其特征,认为其具有大陆基振型瑞利波频散曲线的典型特征。还利用广义反透射系数法快速计算了瑞利面波频散曲线,尤其是基阶瑞利波相速度及群速度频散曲线;并且在由振型叠加方法合成的理论地震图的基础上,通过比较理论频散曲线和MFT方法得到的频散曲线,研究了多重滤波的可靠性。     

基于图像分析的双台面波相速度频散曲线快速提取方法

双台波形的互相关方法是面波相速度频散曲线提取的一种常用方法。传统的方法精度不高,效率较低。本文提出了一种基于图像分析的频散曲线快速提取方法,采用图像显示互相关振幅矩阵,且提出了快速追踪整条频散曲线的算法,并用Matlab编写了交互式的处理软件。基于这种方法编写的资料处理软件提高了双台相速度频散曲线提取的速度和精度,为大批量处理地震数据资料提供了坚实的软件基础。基于图像分析的方法可以更为清晰地展现出双台问的面波频散曲线的特征,对频散曲线的识别和分析也提供了更为有效的研究工具。     

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.

     

基于面波频散曲线聚类分析的近地表横波速度反演

获取准确的近地表横波速度对复杂地表条件下弹性波地震数据处理和成像非常重要.在浅层面波工程勘探中通过反演提取的频散曲线可以获得近地表横波速度结构.在多道面波频散曲线分析中, 频散关系拾取的精度直接影响速度反演结果的可靠性.本文在多道面波叠加及自动拾取频散曲线基础上, 提出了基于面波频散曲线聚类分析的近地表横波速度反演方法.该方法充分考虑了低信噪比条件下面波频散曲线的不确定性, 通过在频散曲线拾取中引入曼哈顿距离K-Means聚类算法提高频散曲线拾取的准确性.采用多道多窗口叠加技术提高了面波反演对横向速度变化的适应性, 通过聚类算法和多窗口叠加提高反演的可靠性, 聚类算法获得较准确的频散曲线更利于后续横波速度反演过程.模拟数据算例对比表明本文提出的方法比常规算法效果更好, 精度更高.将提出的方法应用于工程勘探和油气勘探的面波数据反演中, 结果也验证了该方法的有效性.

     

基于改进蚁群算法在面波频散曲线反演中的应用

为快速准确的反演得到近地表地层结构,将一种新颖而强大的非线性算法——蚁群算法引入到瑞雷波频散曲线领域,并对其进行相应的改进,改进蚁群算法的优点是运算效率快、精度高、算法简单、灵活易于实现,需要调节控制参数也较少。文中分别在无噪声\,含噪声以及实测数据进行反演测试,通过模型数据和实测数据表明,应用于瑞雷波反演中的改进蚁群算法在收敛速度与收敛精度之间能达到良好的平衡,所得解具有较高可信度。而且算法为促进所得解快速收敛到全局最优,在搜索中分全局搜索与局部搜索两个方式进行,能够有效地避免局部最优解产生。借助人工合成的瑞雷波数据以及真实观测数据,验证了改进蚁群算法在反演近地表剪切波速度时的有效性和通用性。此外,文中与遗传算法进行比较,得出改进蚁群算法具有高效性和高精度性的优点。     

黏弹性介质中瑞利波频散曲线和衰减系数曲线的反演

瑞利波具有能量大、信噪比高等特点,可以用来反演介质内部的力学信息,近年来在浅层地球物理勘探、深层地震学研究以及超声波无损检测等多个领域都有较广泛的应用。目前大多数瑞利波的应用中都假设介质是弹性的,然而实际中岩石、土壤和金属等介质都在一定程度上体现出了黏弹性。当介质的黏弹性较强时仍然采用弹性假设研究其中瑞利波的反演将增大误差,因此有必要考虑黏弹性介质中的瑞利波反演,但是目前这方面的研究仍不够深入。本文研究黏弹性介质中瑞利波频散曲线和衰减系数曲线的反演问题,给出其在半空间中联合反演的方法,并对该方法的误差进行分析。     

瑞雷波频散曲线的深度学习反演方法

瑞雷波频散曲线反演是获取地表横波波速的关键步骤, 现有线性反演方法的效果取决于初始模型的选择, 非线性反演也存在效率低、多解等问题.为了进一步提高瑞雷波频散曲线反演的速度与精度, 受深度学习卓越非线性映射能力启发, 本文提出了瑞雷波频散曲线的深度学习反演方法.文中首先基于近地表速度结构的遍历属性和演化特征的有序性, 提出了约束马尔科夫决策的样本数据构建方法; 然后设计了一种卷积神经网络衔接长短时记忆网络的混合网络结构(CNN-LSTM), 用于构建频散序列数据到速度结构的非线性映射关系, 该网络结构包含了3个局部特征学习模块和1个长短时记忆层; 再利用样本数据对混合网络进行训练; 最后进行反演预测.理论模型试验的频散曲线在无噪与含噪情况下, 拟合的平均相对误差分别不超过5.6%和8.9%, 表明本文所提方法具有较高的计算精度和良好的鲁棒性.最后, 将本文方法应用于2008年汶川M_W7.9地震白鹿镇同震地表破裂带的瑞雷波勘探中, 为其浅表同震变形的局部化效应提供了科学约束.

     

四种典型地层的瑞雷波“之”字型频散曲线数值模拟研究

虽然MASW技术已经广泛地应用于地基检测中,但由于缺少大量理论指导,特别是数值模拟方面的研究,其应用受到限制.本文基于有限元软件LS-DYNA,通过数值模拟研究了四种典型地层（递增型地层、含软弱下伏层地层、含软弱夹层地层和硬夹层地层）由MASW方法提取的瑞雷波频散曲线的“之”字型特征.发现对于递增型地层,频散曲线不会出现“之”字型,对于其他三种地层,频散曲线则会出现不同类型的“之”字型,其中含软弱夹层地层“之”字型的位置和尺寸与软夹层的位置和层厚有较好的对应关系.本文的研究结果为实际工程中利用瑞雷波频散曲线的形状判定地层类型和软弱夹层位置提供了重要参考.     

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.     

微动多阶瑞雷波SPAC系数反演方法及应用研究

为充分利用微动信号中基阶和高阶模式瑞雷波,本文研究了基于多阶瑞雷波SPAC系数直接反演的方法.该方法首先基于地层介质响应计算多阶瑞雷波的能量占比,考虑实际观测台阵有限台站个数对SPAC系数影响,正演计算多阶瑞雷波SPAC系数,再采用快速模拟退火算法对其反演以获得地下介质横波速度结构.在此基础上,本文通过数值模拟验证该方法的可靠性,分别选取三种典型地质模型,基于模式叠加算法合成理论微动信号,采用本文方法计算其理论多阶瑞雷波SPAC系数并反演,给出反演结果与真实模型对比.我们将该方法应用于上海中心城区的地质调查中,通过与钻探结果对比,进一步验证该方法的有效性.本文理论与实际应用研究表明,基于多阶瑞雷波SPAC系数直接反演的微动探测方法有助于提高反演结果的可靠性,尤其对含软硬夹层的复杂地层介质,可提高探测精度.

     

微动多阶瑞雷波SPAC系数反演方法及应用研究

为充分利用微动信号中基阶和高阶模式瑞雷波,本文研究了基于多阶瑞雷波SPAC系数直接反演的方法.该方法首先基于地层介质响应计算多阶瑞雷波的能量占比,考虑实际观测台阵有限台站个数对SPAC系数影响,正演计算多阶瑞雷波SPAC系数,再采用快速模拟退火算法对其反演以获得地下介质横波速度结构.在此基础上,本文通过数值模拟验证该方法的可靠性,分别选取三种典型地质模型,基于模式叠加算法合成理论微动信号,采用本文方法计算其理论多阶瑞雷波SPAC系数并反演,给出反演结果与真实模型对比.我们将该方法应用于上海中心城区的地质调查中,通过与钻探结果对比,进一步验证该方法的有效性.本文理论与实际应用研究表明,基于多阶瑞雷波SPAC系数直接反演的微动探测方法有助于提高反演结果的可靠性,尤其对含软硬夹层的复杂地层介质,可提高探测精度.     

基于改进海洋捕食者优化算法和瑞雷波频散曲线的近地表地层参数反演

面波勘探是获取近地表地质结构的重要手段,利用瑞雷波频散曲线可以反演得到地层横波速度和厚度或泊松比等参数.本文提出了一种新的优化策略来处理瑞雷波频散曲线的反演问题.改进海洋捕食者算法（ACMPA）是一种改进混沌初始化,引入自适应步长和精英竞赛机制优化的反演算法.采用混沌映射进行种群位置初始化,提高初始化种群位置的质量;加入自适应函数,增强全局搜索能力;引入精英等级制度,避免算法陷入局部极值点,从而从局部和全局寻优进行优化,提高反演的收敛速度.通过正演模拟和实测数据进行测试分析,证明了改进的海洋捕食者优化算法的有效性与稳定性.该方法可以利用瑞雷波频散曲线信息反演得到近地表地层的介质参数,其收敛精度和收敛范围明显优于其他优化算法,具有较强的应用前景.

     

基于萤火虫和蝙蝠群智能算法的瑞雷波频散曲线反演

反演瑞雷波频散曲线能有效获取地层横波速度和厚度.但由于其高度的非线性、多参数、多极值等特点,传统的全局搜索方法易出现收敛速度慢、早熟收敛及搜索精度低的问题.鉴于此,本文提出并测试了基于萤火虫优化算法（FA）和带惯性权重的蝙蝠优化算法（WBA）的新的瑞雷波频散曲线反演策略.在瑞雷波频散曲线反演中,FA全局搜索能力强,但后期搜索精度低,而WBA局部搜索能力强,搜索精度高,但易出现早熟收敛.故本文将二者结合,提出了一种新的优化策略,称其为WFBA,即在反演前期使用FA,后期使用WBA,很好地解决了FA后期搜索精度低及WBA早熟收敛的问题.本文首先反演了三个典型理论模型的无噪声、含噪声的数据,验证了WFBA对瑞雷波数据反演的有效性与稳定性.然后将WFBA与WBA、FA单独反演以及不含惯性权重的FBA和粒子群优化算法（PSO）反演的结果进行了对比,说明了WFBA相对于WBA、FA、FBA和PSO具有更稳定、收敛速度更快、求解精度更高等优点.最后,反演了来自美国怀俄明地区的实测资料,检验了WFBA对瑞雷波数据反演的实用性.理论模型试算和实测资料分析表明,WFBA很适用于瑞雷波频散曲线的定量解释,具有很高的实用性价值.

     

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.     

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.     

改进的等效半空间法及瑞雷波频散曲线反演

层状模型的理论频散曲线表明,层状模型表面瑞雷波同一频率对应的相速度具有多值特点,这就是所谓的瑞雷波多阶性. 面波的多阶性导致了实测频散曲线的复杂性,当地层中存在软弱夹层时这一问题尤为突出,从而给实测频散曲线的解释带来了困难. 本文从工程实用的角度出发,根据等效半空间理论,提出了一种计算理论频散曲线的新算法——改进的等效半空间法,避开了面波多阶性这一复杂问题. 由此方法计算得到的面波相速度并不同于某个具体阶数的面波,而是对多阶面波的综合反映. 按照改进的等效半空间法编制了拟合反演程序,并在工程中进行了运用,取得较好的效果.