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...     

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．     

利用地脉动台阵观测推算Love波频散曲线

土层剪切波速结构是工程场地条件的重要的基本参数，许多研究者关注利用从地脉动台阵中推得的Rayleigh波或Love波的相速度频散曲线反演实际工程场地剪切波速度结构。探讨从地脉动台阵观测的记录中提取Love波相速度的频散曲线的方法，从厦门某工程场地的地脉动台阵观测三分量记录中提取了Love波相速度的频散曲线，将提取的结果与根据实际场地资料构成的水平成层介质模型计算的Love波相速度的频散曲线进行了对比，为下一步的反演奠定了基础。     

微动中多模式面波频散曲线的映射式提取方法

为了避免微动勘探技术中因忽略高阶模式瑞雷波而影响反演精度的不足,提出从微动面波中提取多模式瑞雷波频散曲线的映射式方法.该方法从微动信号入手,首先通过相关法提取多半径台阵的相关系数曲线,然后建立从多条相关系数曲线到多模式瑞雷波频散曲线的映射模型,最后采用分区拟合准则优化实现模型结构,达到提取微动面波中多模式瑞雷波频散曲线的目的.为验证方法的有效性,通过有限差分方法数值计算实际近表面应用中三种常见典型地质结构中的微动信号,采用映射式方法提取微动面波中多模式瑞雷波频散曲线,将提取结果和理论值进行对比分析.结果表明,映射式方法提取微动面波中多模式瑞雷波频散曲线可以满足反演地质结构的要求.     

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.     

VTI地层井孔模式波理论频散计算时伪极点的影响

波的频散特征在声波测井中有着十分关键的作用.VTI地层下井孔模式波的理论频散曲线可根据频散方程求解.本文首先采用常用的耦合位移势函数对应的频散方程进行了VTI地层斯通利波理论频散曲线的求解.结果发现,在一定各向异性强度范围内,会得到两种计算结果:一条常规斯通利波频散曲线和一条非频散曲线.这是频散矩阵行列式在该模型下存在两个零点导致的.进一步采用一种对称形式的位移势函数推导的对称频散矩阵时分析发现,非频散曲线对应的零点k~2-q~2_p=0为频率—波数响应函数的一个伪极点.经分析,在横波速度范围内,满足伪极点存在的Thomsen参数γ有一定范围,通常在弱各向异性地层中存在.且满足伪极点存在的Thomsen参数γ范围与地层泊松比成负相关,泊松比越小,满足伪极点存在的γ范围越大.在计算理论频散曲线时应消除k~2-q■这一公因式的影响,避免得到错误的计算结果,进而影响各向异性反演等计算结果.     

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.     

浅层地震反射资料的多阶振型面波反演

浅层地震反射波法和面波方法是两种相互独立发展的地震勘探方法，在各自的数据采集和处理中，对方都是作为干扰信号而存在. 本文利用浅层地震反射资料中被视为干扰的面波信号，通过成熟的多道面波勘探技术处理浅层地震反射资料，在频率-波数域中提取多阶振型面波的频散曲线，并基于该曲线反演浅地表S波速度结构. 这种方法充分开发利用了已有数据，无需单独的面波数据采集系统，同时为解释浅层地震反射资料提供了额外的信息约束. 结果表明:浅层地震反射资料中可提取出可靠的多阶振型面波频散曲线，并能给出稳定的反演结果，同时，面波反演的多解性可以通过高阶振型反演得以进一步约束；低速层的存在是观测频散曲线出现振型跳跃或呈“之”字形回折的必要条件而非充分条件.      

基于MF-J变换的DAS观测高阶面波提取和浅地表结构成像

分布式声波传感(DAS)技术可以将现有城市通信光缆转化为密集宽频带地震观测系统,利用城市通信光缆进行主/被动源面波成像为城市浅地表结构成像和地下空间探测提供了新手段,具有广阔的应用前景.近年来大量研究表明,充分利用高阶面波信息能显著提升面波结构成像效果.为探索DAS记录中的高阶面波提取和利用的可行性,本文推导了适用于DAS系统地震记录提取多模式面波频散曲线的 MF-J变换公式,并成功应用于白家疃光纤实验的主动源观测数据,提取了多模式频散曲线并反演构建了研究区高分辨、高精度的横波速度结构剖面.研究结果表明,MF-J方法能有效地从DAS主动源记录中提取多模态频散曲线,并能去除传统 F-J方法中的交叉假频现象;基于多模式面波频散曲线反演的速度结构分辨率和置信度都明显优于只用基阶模态的反演.本文的研究结果揭示了利用城市通信光缆实现低成本高分辨率地下结构探测的可能性.     

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.     

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.     

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.     

THE INFLUENCE OF AN ASYMMETRY IN THE SEQUENCE ROCK/COAL/ROCK ON THE PROPAGATION OF RAYLEIGH SEAM WAVES*

Small offsets in hard coal seams can be detected with the aid of seam (channel) waves. Transmission and reflection of seam waves depend, among other parameters, upon the symmetry properties of the sequence rock/coal/rock. Two typical unsymmetrical sequences are found in European coal deposits: (i) coal seams with roof and floor of differing acoustic impedance and (ii) coal seams interlayered with rock and soil. Two-dimensional analog models with appropriate impedance contrasts are used to study the effect of the unsymmetrical layers upon the propagation of Rayleigh seam waves. Data analysis is based upon amplitude measurements both parallel and perpendicular to the layers and dispersion curves. The effect of unsymmetrical roof (rock 1) and floor (rock 2) was studied with models containing homogeneous coal seams. Leaky mode wave groups with phase velocities (c_R) in the range between the SV-wave velocities (β_{r1, 2}) of the two rock materials, i.e. β_r1≥c_R > β_r2, form a characteristic part of the Rayleigh seam wave signal. Using Knott's energy coefficient calculations it is shown that in that range energy leakage into the surrounding rock by refracted SV-waves is restricted to only one of the two interfaces, namely coal/rock 2. At the other interface, coal/rock 1, all waves are totally reflected. Thus, the high amplitudes of these leaky mode wave groups are explained by “quasi-normal mode” features. The influence of a dirt bed on wave propagation was studied in models where the roof and the floor have the same elastic properties. The maximum thickness of the dirt bed did not exceed 20% of the total seam thickness. The effect of the bed's location within the seam was also investigated. For all recorded normal-mode wave groups either the total seam or the coal layers could be regarded as wave guides. This was shown by the fact that the phases could be associated with the phase velocity dispersion curves calculated for the symmetrical sequence rock/coal/rock. These curves are relevant under the condition that the thickness of the coal layer assumed under the calculation coincides with the thickness of the effective wave guide of the respective wave groups. Wave groups guided in the total seam are not influenced by either the thickness or the position of the dirt bed. On the other hand, for wave groups guided in the coal layers, the quotient of signal amplitudes in the coal layers is influenced by the position of the dirt bed.     

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.     

多地震叠加提取双台间面波频散信息

利用中国HIA台和哈撒克斯坦BRVK台的甚宽频地震仪记录的2011年日本MW9.0大地震及3次MW6——7强余震数据, 采用互相关法提取了双台间的瑞雷波群速度频散曲线．研究发现, 对于同一台记录的大地震和强余震激发的瑞雷波, 其主要能量的周期范围明显不同, MW9.0大地震面波主要能量周期长(70 s以上), 而强余震面波的主要能量周期相对较短（10——50 s）．单独利用大地震数据无法提取60 s以下的群速度频散, 而单独利用强余震数据无法提取100 s以上频散．将双台记录的特大地震、强余震数据进行互相关叠加, 可以提取出较为可靠的宽频带瑞雷波群速度频散曲线（10——200 s）．      

具有低频超宽衰减域的部分埋入式表面波屏障

针对低频Rayleigh表面波,设计了部分埋入式工字形截面周期波屏障。利用有限元方法计算了结构的频散曲线,分析了带隙的形成机理,讨论了屏障埋入土体深度和截面参数对带隙的影响,在此基础上设计了具有低频超宽衰减域的梯度及分段梯度波屏障并计算了其传输谱。结果表明:周期波屏障存在较宽带隙,板埋入深度和端部尺寸是影响带隙的关键参数,通过参数调节可实现不同频段Rayleigh波的调控。工字形变截面波屏障比等截面具有更优越的隔震性能且节省材料。梯度及分段梯度波屏障显著拓宽了衰减域的频率范围,对1.5~20 Hz范围内的Rayleigh表面波实现了全覆盖,用小尺寸控制了大波长。