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.     

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...     

基于人工蜂群算法的瑞雷波多阶模式非线性联合反演研究

由于瑞雷波存在多个导波模式,仅用基阶模式波频散数据反演而忽略高模式波,会影响反演精度.本文利用高阶模式瑞雷波频散数据与基阶模式频散数据互相独立的特性,构建瑞雷波基阶波、一阶高模式波和二阶高模式波的联合反演目标函数.通过增加反演变量,利用权系数调节各变量对反演结果的影响,实现同步联合反演,从而保证反演稳定性.使用人工蜂群智能算法求解目标函数,有效解决了传统反演方法将非线性问题线性化处理产生的细节信息丢失问题,提高了反演精度.经过对较为复杂的四层含低速夹层和四层含高速夹层理论模型和实例数据的反演验证,表明基于人工蜂群算法的瑞雷波多阶模式波非线性联合反演能够提高反演的稳定性和精度.     

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.     

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。     

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...     

中国西部地区地壳上地幔S波速度结构

利用10～184 s基阶瑞利波频散曲线反演得到了中国西部及邻近区域地壳上地幔(0～300 km)的S波速度结构.反演采用了传统的两步法,即通过时频分析获得频散曲线后,首先利用Occam方法反演出各周期面波速度在二维网格结点上的分布,然后反演每个结点下方的S波速度结构,从而给出研究区域的三维速度结构.     

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.     

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.     

基于邻域算法的瑞利面波垂直-水平振幅比及频散曲线联合反演及应用

瑞利面波垂直-水平振幅比(或ZH振幅比)是一个随频率变化的函数,对于台站下方浅层地壳结构非常敏感,且具有和频散资料不同的深度敏感核,是传统频散反演方法的一个很好的补充,从而可以将基阶瑞利面波的ZH振幅比和面波频散数据联合起来更好地反演获得观测台站下方的速度结构.本文提出了基于邻域算法的面波频散曲线与ZH振幅比联合反演方法,我们进行了基于理论模型的模拟测试,证明了联合反演是一种更为可靠的反演方法,且能更好地约束浅层地壳结构.相比于频散曲线单独反演,联合反演不仅可以精确反演获得地壳的Vs结构,对分层地壳的Vp/Vs也能很好地约束.然后我们将联合反演算法应用于实际测量数据,获得了中国西南昆明台(KMI)下方更为准确的地壳横波速度结构及Vp/Vs模型.     

正则化预处理迭代算法在频率域声波模拟中的应用

高精度及高效频率域声波数值模拟的关键在于高效求解声波方程经离散化后得到的大型稀疏线性方程组.该方程组系数矩阵具有很强的稀疏性,非对称性和非正定性等特征,常用的迭代算法难以准确、高效地求解.为了改善数值模拟迭代算法的收敛性与稳定性,在算法基础上添加预条件算子是求解该类方程的常用方案.本文基于以上思路,引入正则化技术来构造合适的预条件算子,提出正则化预条件迭代算法,以加速求解方程组.通过包含有均匀介质和高非均匀度介质(Marmousi)模型的数值模拟实验结果表明:与单独使用迭代算法相比,本文提出的正则化预条件迭代算法在计算量方面仅多了一次矩阵-矢量相乘,内存消耗未增加;同时,基于该算法的数值模拟结果能够满足精度要求,较单独使用迭代法能够有效改善收敛性质,加快收敛速度;而且,在二维模型算例下,与LU分解算法相比,基于该算法的内存消耗大幅下降.     

基于地震成像数据稀疏反演的不连续及非均质地质体检测方法

本文针对油气藏储层预测中的不连续及非均质地质信息识别问题,研究基于地震成像数据的稀疏反演方法.由于该类地质体的地震响应特征为弱信号,因此利用平面波破坏滤波器由地震成像数据中去除强反射同相轴.在此基础上,对剩余的地震数据进行非线性加强滤波,并构建L1稀疏反演模型.为有效求解L1模型,采用非光滑泛函L1范数逼近和拟牛顿求解算法.该方法考虑稀疏先验信息,能够提高反演结果信噪比.缝洞模型测试验证该方法在检测断点、微断裂、散射点等小尺度地质体上的有效性,塔北缝洞型碳酸盐岩储层预测的应用效果进一步证实该方法的实用性.     

Feasibility of waveform inversion of Rayleigh waves for shallow shear-wave velocity using a genetic algorithm

Conventional surface wave inversion for shallow shear (S)-wave velocity relies on the generation of dispersion curves of Rayleigh waves. This constrains the method to only laterally homogeneous (or very smooth laterally heterogeneous) earth models. Waveform inversion directly fits waveforms on seismograms, hence, does not have such a limitation. Waveforms of Rayleigh waves are highly related to S-wave velocities. By inverting the waveforms of Rayleigh waves on a near-surface seismogram, shallow S-wave velocities can be estimated for earth models with strong lateral heterogeneity. We employ genetic algorithm (GA) to perform waveform inversion of Rayleigh waves for S-wave velocities. The forward problem is solved by finite-difference modeling in the time domain. The model space is updated by generating offspring models using GA. Final solutions can be found through an iterative waveform-fitting scheme. Inversions based on synthetic records show that the S-wave velocities can be recovered successfully with errors no more than 10% for several typical near-surface earth models. For layered earth models, the proposed method can generate one-dimensional S-wave velocity profiles without the knowledge of initial models. For earth models containing lateral heterogeneity in which case conventional dispersion-curve-based inversion methods are challenging, it is feasible to produce high-resolution S-wave velocity sections by GA waveform inversion with appropriate priori information. The synthetic tests indicate that the GA waveform inversion of Rayleigh waves has the great potential for shallow S-wave velocity imaging with the existence of strong lateral heterogeneity.     

Techniques for mode separation in Rayleigh wave testing

The spectral analysis of surface wave (SASW) developed in the early eighties has opened the way to the use of surface waves for the definition of shear wave velocity profiles in soil deposits or pavement structures without the need of any borings or intrusion. The SASW testing procedure was designed to minimize the contribution of higher modes and thus assumes that the Rayleigh waves which propagate at the surface belong only to the fundamental mode. Several studies have however demonstrated that, in some conditions, higher Rayleigh modes can contribute significantly to the dispersion curve. Different tests configurations exist today to deal with Rayleigh mode problem by the use of an array of receivers. In spite of that, the SASW configuration remains attractive due to the limited number of receivers, as well as, the Rayleigh modes contributing in SASW records configuration can be identified by multiple-filter technique and isolated using time-variable filters. The proposed techniques are first validated by simulated records and then applied to SASW records obtained in the field. The study confirms that higher modes can participate and even dominate in SASW records. An important contribution of higher Rayleigh modes can also exist, even if the shear wave velocity increases regularly with depth. The higher Rayleigh modes can significantly affect the accuracy of the shear wave velocity profile if they are not properly identified and separated. A multi-mode inversion process is shown to be important to have an accurate soil characterization.     

中国东部海域地壳-上地幔瑞利波速度结构研究

为了进一步了解中国东部沿海及相邻海域的地壳－上地幔结构特征,对该区域的构造演化历史、地震活动及深部构造等方面研究提供一些基础资料,利用３１个数字地震台记录的高质量瑞利波资料,采用一种新的混合路径频散的网格反演方法（Ｏｃｃａｍ方法）,对中国东部海域瑞利波群速度横向不均匀分布进行了初步研究．根据反演得到的１０-１５０ｓ共３６个中心周期的群速度分布特征,以及几个典型地点的剪切波速度结构的深度变化,对研究区域内各构造单元的划分以及它们在速度结构和上地幔低速层埋深等方面的特征进行了讨论。     

A method for inversion of layered shear wavespeed azimuthal anisotropy from Rayleigh wave dispersion using the Neighborhood Algorithm

Seismic anisotropy provides important constraints on deformation patterns of Earth's material. Rayleigh wave dispersion data with azimuthal anisotropy can be used to invert for depth-dependent shear wavespeed azimuthal anisotropy, therefore reflecting depth-varying deformation patterns in the crust and upper mantle. In this study, we propose a two-step method that uses the Neighborhood Algorithm(NA) for the point-wise inversion of depth-dependent shear wavespeeds and azimuthal anisotropy from Rayleigh wave azimuthally anisotropic dispersion data. The first step employs the NA to estimate depthdependent VSV(or the elastic parameter L) as well as their uncertainties from the isotropic part Rayleigh wave dispersion data. In the second step, we first adopt a difference scheme to compute approximate Rayleigh-wave phase velocity sensitivity kernels to azimuthally anisotropic parameters with respect to the velocity model obtained in the first step. Then we perform the NA to estimate the azimuthally anisotropic parameters Gc/L and Gs/L at depths separately from the corresponding cosine and sine terms of the azimuthally anisotropic dispersion data. Finally, we compute the depth-dependent magnitude and fast polarization azimuth of shear wavespeed azimuthal anisotropy. The use of the global search NA and Bayesian analysis allows for more reliable estimates of depth-dependent shear wavespeeds and azimuthal anisotropy as well as their uncertainties.We illustrate the inversion method using the azimuthally anisotropic dispersion data in SE Tibet, where we find apparent changes of fast axes of shear wavespeed azimuthal anisotropy between the crust and uppermost mantle.     

唐山北部地区浅层一维剪切波速度结构初步研究

2019年8月2日河北省唐山市路南区某矿井区发生M_L2.4巷道塌陷,基于塌陷周边台站观测到的短周期瑞雷波,提取面波基阶群速度频散曲线,并利用迭代反演方法得到研究区域地下10 km深度范围内的一维剪切波速度结构,用于精定位分析。速度分析结果表明,研究区域浅表剪切波速度约为2.46 km/s;深度为2 km时,塌陷周边存在小范围的低速区,速度约为2.57 km/s;深度约为4 km时,剪切波速度达3.47 km/s;深度为5～9 km时,唐山东部沉积盆地内存在1个剪切波低速层。精定位分析结果表明,增加浅层速度模型有助于提高深度较小的地震定位精度;塌陷周边的低速区向下延伸近20 km,为地震多发区。     

基于矢量波数变换法(VWTM)的多道Rayleigh波分析方法

在近二十年来,多道面波分析法(MASW)由于其便捷、高效等特性在浅层地震勘探领域得到了广泛的应用.本文基于多道面波勘探的采集方式,提出了一种新的面波多道分析方法——矢量波数变换法(VWTM).该方法通过对震源的近似,基于水平层状模型得到台站与震源间近似格林函数,然后进行矢量波数变换得到含有高阶模态Rayleigh波(频率-相速度)频散能量图.本研究首先利用合成地震数据到频散能量图与理论频散曲线进行叠加分析该方法的有效性和正确性;然后与相移法进行对比分析,我们发现在频散能量图中VWTM法对基阶、高阶模态成像均具有更高的分辨率和成像质量;最后我们将其应用于实际多道瞬态面波探测中,通过与相移法进行对比分析,发现VWTM法是一种方便、实用、有效的Rayleigh波频散提取方法.VWTM法提取多模态的Rayleigh波频散特征具有巨大潜力,可为基阶、高阶面波频散联合反演提供丰富的高阶模态频散信息.