含有孔隙层的地表分层模型中瑞利波频散特性研究（英文）

瑞利波勘探主要是建立在弹性介质分层半空间模型基础上的。当实际地层中包含孔隙介质层时,需要将孔隙介质简化为弹性介质来进行分析和处理。这种简化处理究竟对瑞利波勘探造成怎样的影响是本文所研究的问题。本文基于弹性介质与孔隙介质共同构成的分层半空间模型,首先推导了分层半空间中两种介质处于不同相对位置时的瑞利波频散方程,解决了不同阶数矩阵之间的变量传递问题然后,针对传递矩阵法在求解频散函数时可能出现的溢出问题,给出了一种可以有效提高计算范围的解决方案;同时,提出了一套新的数值算法用于复频散方程的快速求解。数值计算结果表明:当孔隙介质位于半空间表面时对低频瑞利波频散特性的影响最为显著,而在其它情况下对瑞利波频散特性的影响相对较小。     

含孔隙介质的分层半空间表面瑞利波的衰减特性

以分层半空间内部含有一层孔隙介质为物理模型进行数值计算,研究半空间表面瑞利波的传播和衰减特性.为更加接近实际,结合瑞利波的激发特性,确定了瑞利波的主衰减曲线,并主要以此进行规律分析.针对速度递增和含低速层这两种典型的地质模型,讨论了瑞利波的传播衰减在不同地质模型下的特性,并分析了各自的规律.结果表明,在这两种模型下瑞利波的主衰减曲线都受孔隙介质所处空间位置影响产生比较明显的变化,但衰减系数极大值对应的波长与模型的表层厚度存在较明显的线性对应关系,利用这一关系,可以在实际勘探中快速得到表层介质厚度.另外,通过对比分析还可以看到,瑞利波主衰减曲线随孔隙介质的孔隙度和渗透率的变化都强于主频散曲线的变化,表明衰减曲线对孔隙度和渗透率的变化更加敏感,理论上更加适合进行介质参数反演工作.综合对比结果,我们认为瑞利波主衰减曲线中包含了更丰富的介质参数信息,如果能够有效利用,将可以提高瑞利波勘探的准确性和应用范围.     

浅层结构研究中高阶模式瑞雷面波对低速层的约束

在实际中常遇到一类含有低速层的介质,其频散曲线在感兴趣的频率范围并无视觉上的交叉现象,也无明显的低速层指示。针对此类介质,基于地震反射资料中的面波信息,综合实例和数值模拟进行分析,结果显示：如果观测的基阶模式频散曲线不包含对低速层深度敏感的频段,单独基于基阶模式的频散曲线可能无法恢复模型的低速特征;但如果同时利用相同频段的多阶模式信息,即使观测的频散曲线没有明显的低速特征指示,也可以通过多模式频散信息反演重建模型的低速特征。     

广义S变换在瑞利波频散曲线提取中的应用

虽然一些时频分析方法已经被用于频散曲线提取中,但是它们自身时频窗的缺陷使的所得频散曲线信息缺失或错误.本文首次尝试利用广义S变换分析瑞利波的频散特性.以半空间模型为例确定方法的可行性,频散曲线变化准确反映地层变化情况.不同炮检距设置对频散曲线有一定影响,采用大于勘测深度,小于4倍勘测深度可以得到较稳定的结果.最后,为了得到更加光滑稳定的频散曲线,提出了一种基于多道瑞利波的改进方法.用此方法对四种典型地层模型下的多道瑞利波数据进行分析,得到频散曲线光滑稳定,且比理论频散曲线和基于单道法获得频散曲线更能准确反映地层变化情况.这就为瑞利波勘探中的反演解释提供了更可靠依据.     

中国大陆中东部地区基于背景噪声的瑞利波层析成像

本研究使用了中国大陆中东部地区494个分布基本均匀的宽频带地震台站和7个中国大陆周边地区IRIS台站资料,反演得到了中东部地区高分辨率的瑞利面波层析成像结果.本文使用这些台站记录到的从2009年1月到2010年9月的垂直分量连续波形数据,首先通过对台站对间进行波形互相关和叠加运算,计算得到各台站对间的经验格林函数.然后用时频分析法提取了约125000条台站对间的频散曲线,并剔除了经验格林函数信噪比小于10的频散曲线.最后反演得到了研究区周期8~40 s、分辨率达0.5°的瑞利波群速度分布图像.不同周期的速度分布图像显示,研究区瑞利波群速度分布与地质构造特征具有较好的相关性.8~20 s的瑞利波群速度在研究区内主要盆地表现为低速分布,而在造山带呈现高速分布;25~40 s的瑞利波群速度图中,存在一条北北东-南南西向的分界线,该分界线与中国大陆东部的地壳厚度突变带基本吻合.25 s以下周期,华北平原的显著低速区形态与该地区早第三纪以来的断块分布构造一致.揭示了盆地下方介质结构强烈的非均匀性,也与较厚的沉积层分布有关.低速的四川盆地中部,显示出显著的高速特征,揭示了四川盆地下方基底的上隆特征;20 s以下周期的群速度图像中,鄂尔多斯盆地西北部速度低于东南部,揭示出其地壳中上部介质结构的横向不均匀性.     

多模式瑞雷波频散曲线的粒子群反演方法研究

通常情况下对于瑞雷波频散特性的讨论和分析主要针对其基阶模式.实际上,对于某一给定频率,可能会有多个不同相速度满足频散方程,即存在高阶模式.为了获得更精确的横波速度信息,应适当地在反演过程中加入高阶模式的频散曲线.本文从简单的三层层状介质模型出发,利用频散函数的正演计算得到多模式的频散曲线,并采用改进的粒子群算法分别对基阶模式和多模式频散曲线进行反演.研究结果表明:多模式频散曲线的反演结果相对于基阶模式而言,可靠性和分辨率在一定程度上得到了很大的提高.     

横向均匀介质中地震走时的正演和反演

横向均匀介质可由若干水平分层足够好地逼近,本文引入零厚度层来描述成层介质,从而建立了回折波、反射波、首波和直达波统一的时距关系以及地震走时随模型参数变化的公式。本文详细讨论了水平分层介质里地震走时曲线的特征,合成地震走时的试验表明了由地震走时,用阻尼最小二乘法可以成功地反演速度模型参数,所反演的模型含有速度梯度层,也可以含有低速层。     

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.     

瑞利波勘探中“之”形频散曲线的形成机理及反演研究

对瑞利波勘探中“之”字形频散曲线形成的物理机理进行了理论分析,研究了诸波模的传播特性及相互关系．指出在地表下存在具有水平界面的软弱夹层和地层裂缝时,瑞利波频散曲线中的“之”字形结构是低速夹层或地层裂缝中出现多模现象的结果．利用阻尼最小二乘法和遗传算法对瑞利波频散曲线反演介质参数进行了研究和分析,发现最小二乘法不适合瑞利波“之”字形反演问题研究,而用遗传算法得到了较好的结果．     

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。     

Dispersion Energy Analysis of Rayleigh and Love Waves in the Presence of Low-Velocity Layers in Near-Surface Seismic Surveys

High-frequency surface-wave analysis methods have been effectively and widely used to determine near-surface shear (S) wave velocity. To image the dispersion energy and identify different dispersive modes of surface waves accurately is one of key steps of using surface-wave methods. We analyzed the dispersion energy characteristics of Rayleigh and Love waves in near-surface layered models based on numerical simulations. It has been found that if there is a low-velocity layer (LVL) in the half-space, the dispersion energy of Rayleigh or Love waves is discontinuous and ‘‘jumping’’ appears from the fundamental mode to higher modes on dispersive images. We introduce the guided waves generated in an LVL (LVL-guided waves, a trapped wave mode) to clarify the complexity of the dispersion energy. We confirm the LVL-guided waves by analyzing the snapshots of SH and P–SV wavefield and comparing the dispersive energy with theoretical values of phase velocities. Results demonstrate that LVL-guided waves possess energy on dispersive images, which can interfere with the normal dispersion energy of Rayleigh or Love waves. Each mode of LVL-guided waves having lack of energy at the free surface in some high frequency range causes the discontinuity of dispersive energy on dispersive images, which is because shorter wavelengths (generally with lower phase velocities and higher frequencies) of LVL-guided waves cannot penetrate to the free surface. If the S wave velocity of the LVL is higher than that of the surface layer, the energy of LVL-guided waves only contaminates higher mode energy of surface waves and there is no interlacement with the fundamental mode of surface waves, while if the S wave velocity of the LVL is lower than that of the surface layer, the energy of LVL-guided waves may interlace with the fundamental mode of surface waves. Both of the interlacements with the fundamental mode or higher mode energy may cause misidentification for the dispersion curves of surface waves.     

Forward modeling of Rayleigh surface waves for analytical characterization of dominant dispersion trends

Forward modeling is of critical importance for inversion analysis of surface wave methods to obtain shear-wave velocity (V_S) profiles of soil sites. The dynamic stiffness matrix (DSM) method can provide forward modeling of Rayleigh surface waves to simulate complex wave propagation in layered soil sites. However, contamination from body waves and interference of multiple Rayleigh wave modes can reduce the accuracy of theoretical dispersion curves, especially at irregular soil sites with embedded low-velocity or high-velocity layers. An analytical method is developed herein to combine the techniques of the multichannel analysis of surface waves method with the DSM method to improve the accuracy of the theoretical dispersion analysis for soil sites. The proposed method implements multichannel analysis of the analytical displacement responses to capture dominant dispersion trends. Comparison of the results obtained with the new method against those from the transfer matrix method and the literature indicates that the new method can (1) effectively minimize the effects of contamination caused by body waves and interference from several Rayleigh wave modes, and (2) generate accurate dominant dispersion trends for soil sites with various stiffness profiles, especially for the high-frequency dispersion characteristics of the profiles with embedded low-velocity layers.     

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.     

弹性层状半空间中无限长洞室对斜入射 平面SH波的三维散射(Ⅱ) 数值结果与分析

以基岩上单一土层场地为例, 计算分析了在斜入射平面SH波作用下弹性层状半空间中无限长洞室附近的地表位移. 研究表明, 层状半空间中地下洞室对波的散射与均匀半空间情况存在显著差别. 层状场地由于考虑了场地自身的动力特性, 使得洞室附近地表位移幅值的空间变化更为复杂, 基岩与土层刚度比、 土层厚度对散射效应均有着重要影响. 随着基岩与土层刚度比的增大, 地表位移幅值整体上逐渐增大; 随着土层厚度的增大, 土层对地表位移幅值的影响逐渐减小. 在频域解答的基础上, 给出了层状半空间中洞室对斜入射SH波散射的时域解答, 并以Ricker波为例进行了数值计算.      

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.     

青藏高原地区瑞利波群速度和地壳构造

本文用单台多重滤波方法测定了经过青藏高原地区瑞利波群速度频散曲线。所得基阶瑞利波的观测周期为5.0-56.0秒,速度标准偏差为0.08-0.15公里/秒,一阶瑞利波的观测周期范围为10-16秒,速度标准偏差为0.05-0.13公里/秒。利用广义线性反演方法对频散曲线进行反演,可得出一个由五层构成的地震横波速度地壳模型。在27-40公里之间存在低速层,其横波速度为3.29公里/秒,比上一层低0.21公里/秒。     

弹性层状半空间中凸起地形对入射平面SH波的放大作用

对Wolf理论进行拓展,使之可解决凸起地形对波的散射问题,进而利用间接边界元法,求解了弹性层状半空间中凸起地形对入射平面SH波的放大作用问题。本文模型的显著特点之一是考虑了层状半空间的动力特性以及层状半空间和凸起地形的阻尼;特点之二是计算精度高。文中以基岩上单一土层中半圆凸起地形对入射平面SH波的放大作用为例进行了数值计算分析。研究表明,基岩上单一土层中凸起地形对入射平面SH波放大作用和均匀半空间中凸起地形有着本质的差别;土层动力特性不仅影响凸起地形地表位移的幅值,还会影响地表位移的频谱;阻尼会显著降低凸起地形对高频波的放大作用。     

Analysis of Rayleigh waves in saturated porous elastic media by finite element method

A numerical procedure for the analysis of Rayleigh waves in saturated porous elastic media is proposed by use of the finite element method. The layer stiffness matrix, the layer mass matrix and the layer damping matrix in a layered system are presented for the discretized form of the solid-fluid equilibrium equation proposed by Biot. In order to consider the influence of the permeability coefficient on the behavior of Rayleigh waves, attention is focused on the following states: ‘drained’ state, ‘undrained’ state and the states between two extremes of ‘drained’ and ‘undrained’ states. It is found from computed results that the permeability coefficient exerts a significant effect on dispersion curves and displacement distributions of Rayleigh waves in saturated porous media.     

Dispersion function of Rayleigh waves in porous layered half-space system

Rayleigh wave exploration is based on an elastic layered half-space model. If practical formations contain porous layers, these layers need to be simplified as an elastic medium. We studied the effects of this simplification on the results of Rayleigh wave exploration. Using a half-space model with coexisting porous and elastic layers, we derived the dispersion functions of Rayleigh waves in a porous layered half-space system with porous layers at different depths, and the problem of transferring variables to matrices of different orders is solved. To solve the significant digit overflow in the multiplication of transfer matrices, we propose a simple, effective method. Results suggest that dispersion curves differ in a lowfrequency region when a porous layer is at the surface; otherwise, the difference is small.