一种可模态分离的高分辨率频率-波数法及其工程应用

高分辨率频率-波数法是通过计算F-K谱从能量角度获取主导表面波频散信息的一种常用方法。然而,由于高模态瑞利波的能量通常低于基阶波的能量,因此难以分离多模态频散信息。本文通过建立多模态瑞利波模型,并讨论其相速度、波数和能量特性,提出一种可模态分离的高分辨率频率-波数法。通过增强F-K谱上的高模态能量,提取其多模态能量的局部极值,进而得到相速度点,对所有相速度点进行概率分布并拟合,得到多模态频散曲线。工程应用表明,改进的高分辨率频率-波数法能够较好地还原多模态瑞利波信息,通过对提取的多模态频散曲线进行联合反演,可以得到与工程钻孔结果匹配较好的剪切波速度结构。     

用微动中的面波信息探测地壳浅部的速度结构

本文介绍了利用地脉动中的面波信息探测地壳浅部横波速度结构的观测方法、仪器设备、野外数据采集和用空间自相关方法测定相速度及相关的数据处理方法,并给出了在两个场地的探测实例. 通过与钻探结果对比表明,由该方法推测的地壳浅部1～2 km 深度范围的浅层横波速度结构,对于确定物性差异大的地层界面是有效和可靠的. 由于该方法使用的是地脉动噪声中的面波信息,不需要专门的震源, 因此具有经济快捷、应用范围广泛等优点,将可能成为一种新的具有很好应用前景的地球物理勘探方法.     

微动面波的介质响应和H/V谱特征研究

目前,微动面波信息研究的主要方法是对面波中的Rayleigh波成分进行相关性分析.为了充分有效的利用面波信息和提高识别的准确度,本文基于微动面波H/V谱的基本原理,通过对给定模型的数值计算,得到了微动面波的介质响应曲线和H/V谱,分析了面波中Rayleigh波和Love波多模式波的介质响应和H/V谱特征.结果表明微动面波的介质响应特征与地层界面具有一定的对应关系,且在H/V谱中Rayleigh波和Love波的主频具有一致性,Love波的利用对H/V谱具有增强作用,文中也指出了H/V谱法在高频应用领域中有待进一步解决的问题.由于该方法使用的是地微动噪声中的面波信息,不需要专门的震源,因此具有经济快捷、应用范围广泛等优点,将可能成为一种新的有很好应用前景的地球物理勘探方法.     

利用SPAC法估算地壳S波速度结构

S波速度结构能够反映地球介质的物性差异,是地壳内低速区结构特征判别的重要依据.本文尝试利用空间自相关法(SPAC法)从地震台站微动信号的垂直分量中提取瑞利波相速度频散曲线,通过对频散曲线的反演获得地下介质的S波速度结构.以国家数字测震台网8个宽频带地震台站的实测微动数据为例,采用SPAC方法获得了首都圈地区北京附近约30 km 深度范围内的一维S波速度结构.结果表明,该区结晶基底埋深较浅约2 km;分别在5~8 km 和12~16 km 深处发育S波低速层;8 km 和 20 km 处是S波速度差异较大的速度分界面.这一结果与以往地震学及人工地震探测结果较为吻合,表明SPAC法估算地壳S波速度结构是可行、有效的.     

地脉动空间自相关方法反演 浅层S波速度结构

在近地表地球物理领域, 基于地脉动(或称背景噪声)提取的面波频散曲线反演地下S波速度结构是一种简单经济的工程勘察方法. 本文基于地脉动的空间自相关方法对一个微型台阵观测的背景噪声记录进行处理, 介绍了一种简单易行的提取频散曲线的数据处理方法, 获得了6.7—23 Hz频段的可靠频散曲线; 通过对该观测频散曲线与预测模型的频散曲线进行拟合, 反演得到S波速度结构. 结果表明, 该速度结构与钻孔直接测试的结果相吻合.      

微动探测方法软件的实现

利用微动进行勘探无需振动源,方便快捷、对环境没有干扰,是一种很有发展前景的勘探方法。针对微动探测数据处理的需求,开发研制了一套可视化微动探测处理分析软件系统MSMSPAC。该软件采用C~#语言开发,主要功能包括台阵设计、台阵方位角分布分析、数据格式转换、微动有效数据段挑选、数据滤波、重采样、参数计算及频散曲线提取、编辑、合并、项目管理等功能。软件系统界面友好,操作简便。     

频率-波数域方法的发展及其在台阵数据分析中的应用

频率-波数域分析(Frequency-wavenumber analysis,简称F-K analysis)是一种常用的台阵数据处理方法,在地震学等领域具有良好的应用效果。本文通过介绍F-K分析的基本原理及各种改进的F-K分析方法,并结合实例综述了其在台阵数据分析中的几种应用,包括检测微弱信号源、分析噪声特征、提取面波频散曲线、台阵设计这4方面;通过对这些研究的回顾,本文总结了该研究领域的新进展及需要注意的问题,并对F-K成像新的应用前景进行了分析和展望。     

城市微动高阶面波在浅层勘探中的应用：以苏州河地区为例

频率-贝塞尔变换方法(Frequency-Bessel Transform method,简称F-J方法)是一种分析微动信号的新方法,由于该方法采用频率矢量波数变换处理水平层状各向同性弹性模型中时空平稳随机分布的微动信号,所以从理论上可以提取出清晰的瑞利波基阶和高阶模态频散曲线,但是目前还没有相关的野外实验对此进行研究和应用.本文首先采用该方法对上海市苏州河地区采集的城市微动信号进行处理获得了频率-相速度谱,然后提取了多模态瑞利波频散曲线,最后通过粒子群算法对频散曲线进行联合反演,得到了浅地表0~70 m深度范围的S波速度结构,并且利用钻孔数据对反演的速度结构进行了验证.另外,本文还通过对比F-J方法和传统的SPAC(SPatial AutoCorrelation method)方法分别提取的频散曲线,展示了F-J方法在处理城市微动信号方面的优势.本文研究结果表明:(1)F-J方法可以从少量台站(21个台站)短时记录(1小时)的微动信号垂直分量中提取出清晰的基阶和高阶模态瑞利波频散曲线;(2)F-J方法提取的高阶模态频散曲线比传统SPAC方法提取的更加清晰,高频部分(>13 Hz)优势更为明显;(3)联合基阶和高阶模态频散曲线反演的浅地表速度结构更加精确,可以分辨出第四系沉积层中物性相差较小的速度界面和低速异常,在城市浅地表精细结构成像方面具有较好的应用前景.     

微动探测方法研究进展与展望

微动探测方法是在背景噪声成像理论的基础上发展起来的一种新型地球物理探测手段,其根据获取野外数据的观测台站方式分为微动阵列方法和微动单台方法.本文综述了前人对微动探测方法的研究进展,并对目前该方法存在的问题及研究的发展趋势进行了展望.微动阵列方法采用频率波数法或空间自相关法从微动信号中提取频散曲线,进而反演获得地下横波速度结构.微动单台方法即H/V谱比法以三分量台站为观测基础,对水平分量信号与垂直分量信号进行傅里叶谱比,以此估算沉积层厚度、获得共振频率以及场地放大因子等.目前微动探测发展还有诸多问题需要进行深入研究,例如瑞雷波与勒夫波浅层探测理论方法、同时考虑基阶和高阶面波的影响进行多阶面波反演方法研究以及H/V谱比曲线与频散曲线联合反演方法研究等,从而提高微动探测方法浅层探测精度以满足城市地下空间精细探测的需求,加深探测深度为透明地壳、地下第三空间的精细探测提供一种新型地球物理手段.     

SPAC法在江汉平原地层结构分层中的应用

微动探测可以确定岩土性质差异较大的地质界面。利用微动探测方法,获取S波速度剖面,对潜江市浩口中学地下介质结构分层,并与该场地地震监测井项目的钻孔对比。结果表明,微动探测方法能较好分辨地层结构,对岩土性质差异较大的地层探测效果良好,可为地层分层提供重要依据。     

微震记录的空间自相关法误差特性分析

本文定量研究了当面波能量分布不遵循各向均匀的假设时,运用空间自相关法（SPAC法）出现的误差.通过分析合成微震记录,研究了方位局限的入射、站台的数量对空间自相关系数的影响,明确了一些圆形排列的SPAC系数偏差空间构造.它可分为两个部分：低频域的零偏差部分和高频域的偏差部分.在高频偏差域,存在排列特色的周期特性.其角度周期是排列圆周上相邻站点之间夹角的一半.研究中要强调的是对于每种圆形排列存在一些特殊的入射方向的现象（如,对三角形排列,那些方向角度为 15°, 45°, 75°,…）.当瑞利波沿着这些角度之一传播时,在SPAC谱中,有效的无偏差频率范围扩展到先前研究结果的两倍.这个现象为提高野外SPAC法勘探精度提供了一个新的可能.     

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.

     

Application of passive source surface-wave method in site engineering seismic survey

Site engineering seismic survey provides basic data for seismic effect analysis. As an important parameter of soil, shear-wave velocity is usually obtained through wave velocity testing in borehole. In this paper, the passive source surface-wave method is introduced into the site engineering seismic survey and practically applied in an engineering site of Shijingshan District. By recording the ubiquitous weak vibration on the earth surface, extract the dispersion curve from the surface-wave components using the SPAC method and obtain the shear-wave velocity structure from inversion. Over the depth of 42 m underground, it totally consists of five layers with interface depth of 3.31, 4.50, 7.23, 17.41, and 42.00 m; and shear-wave velocity of 144.0, 198.3, 339.4, 744.2, and 903.7 m/s, respectively. The inversion result is used to evaluate site classification, determine the maximum shear modulus of soil, provide basis for further seismic hazard analysis and site assessment or site zoning, etc. The result shows that the passive source surface-wave method is feasible in the site engineering seismic survey and can replace boreholes, shorten survey period, and reduce engineering cost to some extent.     

Three‐dimensional VS profiling using microtremors in Kushiro,Japan

A practical method is presented for determining three‐dimensional S‐wave velocity (V_S) profile from microtremor measurements. Frequency–wave number (f–k) spectral analyses of microtremor array records are combined, for this purpose, with microtremor horizontal‐to‐vertical (H/V) spectral ratio techniques. To demonstrate the effectiveness of the proposed method, microtremor measurements using arrays of sensors were conducted at six sites in the city of Kushiro, Japan. The spectral analyses of the array records yield dispersion characteristics of Rayleigh waves and H/V spectra of surface waves, and joint inversion of these data results in V_S profiles down to bedrock at the sites. Conventional microtremor measurements were performed at 230 stations within Kushiro city, resulting in the H/V spectra within the city. Three‐dimensional V_S structure is then estimated from inversion of the H/V spectra with the V_S values determined from the microtremor array data. This reveals three‐dimensional V_S profile of Kushiro city, together with an unknown hidden valley that crosses the central part of the city. The estimated V_S profile is consistent with available velocity logs and results of subsequent borings, indicating the effectiveness of the proposed method. Copyright © 2008 John Wiley & Sons, Ltd.     

高密度面波勘探和小型台阵地脉动观测在西部地区地震防灾中的应用

鉴于我国西部地区地震防灾需要一种简便快速、低成本的地下构造调查方法,本文利用对甘肃岷县漳县地震灾害科考机会,对高密度面波勘探和小型台阵地脉动观测在西部山区地下构造调查中的有效性进行了试验.试验选取房屋倒塌和滑坡等不同灾害类型以及不同地质条件的场地进行;2种方法的数据采集都使用普通小型便携式面波仪和4 Hz地震检波器,其中,小型台阵采用底边长16m的正三角形台阵,观测时间约30分钟.试验结果显示,高密度面波勘探能够探测地下约30～40m以内的剪切波速度构造,小型台阵探测深度稍深,约为40～50m,但是浅层分辩率较低.试验还显示,两种勘探方法使用同一台普通面波仪和地震检波器,设备小、成本低、便于携带,非常适合西部地区地震防灾之地下构造调查.     

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。     

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。