地震面波,主要包括瑞雷波(Rayleigh waves)和勒夫波(Love waves),具有低速度、低頻率、高振幅以及頻散(相速度隨頻率變化)的特點。瑞雷波是由P波和SV波相互干涉形成,它同時具有縱向(振動方向平行于波的傳播方向)及橫向粒子運動(振動方向垂直于波的傳播方向);勒夫波是由SH波的多次反射、折射干涉而形成,它僅包含橫向粒子運動。在淺地表地震炮集記錄中,高頻面波信號占據(jù)了淺地表地震波場的主要能量,包含有豐富的地下剪切波(S波)速度信息。通過對高頻瑞雷波和勒夫波信號處理和反演,我們可以獲取淺地表S波速度結(jié)構(gòu)。面波(包括瑞雷波和勒夫波)多道分析方法(Multichannel Analysis of Surface Waves,MASW;Multichannel Analysis of Love Waves,MALW)是目前最為流行的高頻面波分析方法。由于具有無損、高效、高精度、低成本的特點,面波多道分析方法越來越受到淺地表地球物理及地質(zhì)工程學(xué)界的重視。瑞雷波和勒夫波多道分析方法都是基于面波的頻散特性,具有相似的數(shù)據(jù)處理及反演步驟。MASW/MALW方法主要分為三大步驟:1.高頻率(≥2 Hz)寬頻段瑞雷波/勒夫波的采集,野外勘探的觀測系統(tǒng)包括多道地震儀、低頻(4.5Hz)檢波器、合適的偏移距、道間距以及檢波器的排列長度等;2.提取瑞雷波/勒夫波的頻散能量,目前常用的有五種方法,包括τ-p變換法、f-k變換法、相移法、傾斜疊加法和高分辨率線性拉東變換法,其中,高分辨率線性拉東變換法是現(xiàn)有方法中精度最高的,且它可以用來對面波頻散能量中的基階與高階模式波進行分離,可實現(xiàn)數(shù)據(jù)在時間—空間域和頻率—速度域之間的互換;3.反演頻散曲線獲得橫波速度,面波頻散曲線的反演問題是一個高度非線性化的多參數(shù)多極值的最優(yōu)化問題,常用的面波頻散曲線的反演方法包括最小二乘迭代反演方法和蒙特卡洛隨機反演方法,聯(lián)合反演基階和高階模式的面波可以使得反演精度進一步提高。重復(fù)上述三個步驟,可以得到一系列的一維橫波速度隨深度變化曲線,最終拼接這些橫波速度曲線可獲得擬二維S波速度剖面圖。近20年來,國內(nèi)外有大量關(guān)于瑞雷波的研究問世。如層狀介質(zhì)中面波的能量分布,討論層狀介質(zhì)瑞雷波頻散曲線正演計算、頻散曲線反演,瑞雷波的數(shù)值模擬研究,瑞雷波的繞射和巖洞的探測,地形對瑞雷波傳播的影響,瑞雷波波形反演,利用面波的振幅衰減信息獲取淺地表品質(zhì)因子Q,關(guān)于微動中面波的研究和應(yīng)用,以及面波和其他地球物理資料聯(lián)合反演等。和瑞雷波相比,勒夫波與P波速度無關(guān),這使得勒夫波多道分析方法具有頻散能量更為清晰,頻散曲線更簡單,反演更穩(wěn)定等諸多優(yōu)勢。利用勒夫波振幅衰減獲取淺地表品質(zhì)因子,反演勒夫波波形獲取淺地表橫波速度均得到了較好的結(jié)果。聯(lián)合分析利用瑞雷波和勒夫波信息來提高成像精度的潛力巨大。面波勘探作為地震勘探的一個重要分支,越來越多地被應(yīng)用于解決淺地表地球物理和地質(zhì)實際問題。(1)地層劃分:通過對瑞雷波頻散曲線進行定性及定量解釋,得到各地層的厚度及彈性波的傳播速度。(2)地基加固處理效果評價:通過實測地基加固前后的波速差異得到處理后的地基相對于處理前的物理力學(xué)性質(zhì)的改善程度。(3)巖土力學(xué)參數(shù)原位測試:通過對實測資料的反演、解釋,可以得到巖、土層的S波速度、P波速度及密度等參數(shù)。(4)公路、機場跑道質(zhì)量無損檢測:利用人工激發(fā)的高頻瑞雷波,可以確定路面的抗折、抗壓強度及路基的載荷能力,以及各結(jié)構(gòu)層厚度。該方法用于機場跑道及高速公路的另一項意義是實現(xiàn)質(zhì)量隨年代變化的連續(xù)監(jiān)控。(5)飽和砂土層的液化判別:根據(jù)一定場地內(nèi)的飽和砂土層的埋深、地下水位的深淺等地質(zhì)條件,可以計算出飽和砂土層的液化臨界波速值。(6)場地類型劃分:通過面積性的瑞雷波探測,再結(jié)合微動觀測,可以更可靠地劃分場地類型,或更大范圍的地震區(qū)劃。(7)油氣勘探方面的應(yīng)用:面波多道分析方法可以為其在淺地表改正等環(huán)節(jié)中提供準(zhǔn)確的淺層地層信息,將淺地表的“毛玻璃”擦干凈,從而更清晰地看到地下深處的信息。在以往大量的反射波及折射波數(shù)據(jù)中,面波一直被視為噪音而存在于那些資料中,我們可以用面波多道分析方法對這些資料進行重新處理,從而獲得一些新的信息。(8)其他方面的應(yīng)用:滑坡調(diào)查、堤壩危險性預(yù)測、基巖的完整性評價和樁基入土深度探測、地下隧道空洞探測、水文調(diào)查、考古調(diào)查、軍事調(diào)查等等。淺地表介質(zhì)是地球最復(fù)雜、最敏感和最脆弱的部分,與人類的生產(chǎn)和生活息息相關(guān)。淺地表介質(zhì)具有極端不均勻性,并進行著快速和復(fù)雜的物理和/或化學(xué)性質(zhì)變化。如何精確刻畫復(fù)雜淺地表地質(zhì)結(jié)構(gòu)并獲取其波速信息是目前高頻面波分析方法的研究重點和前沿。傳統(tǒng)的面波分析方法實際上是一維的方法,這是因為反演頻散曲線獲取橫波速度是基于水平層狀介質(zhì)假設(shè)的。在實際環(huán)境中,這種方法通常忽略介質(zhì)的橫向變化,從而得到地下介質(zhì)的簡化模型。然而,介質(zhì)的橫向變化會引起反演所得橫波速度的擾動,因此,這種一維的方法仍然被用于探測并恢復(fù)介質(zhì)的二維橫向變化。換句話說,面波分析方法的數(shù)據(jù)處理和反演是一維的,但在最終的解釋中可以恢復(fù)介質(zhì)的二維橫向變化。在這種情況下,評價面波多道分析方法的水平分辨能力具有極其重要的意義。目前,面波多道分析方法大多用于一維和二維地下結(jié)構(gòu)探測,如果能夠聯(lián)合利用瑞雷波和勒夫波多道分析方法確定淺地表三維橫波速度結(jié)構(gòu)并評價介質(zhì)參數(shù),則可以極大地推動高頻面波方法理論和應(yīng)用研究的發(fā)展,對于實現(xiàn)淺地表復(fù)雜介質(zhì)高精度探測具有重要意義。復(fù)雜的淺地表介質(zhì)使得面波各模式之間相互接觸,面波頻散能量更加復(fù)雜。當(dāng)?shù)叵陆橘|(zhì)存在低速夾層時,面波頻散能量出現(xiàn)“跳躍”現(xiàn)象,即隨著頻率的增高,頻散能量從基階向高階跳躍,并在高頻部分趨向于較高的相速度。前人針對面波在低速夾層中的傳播特性以及反演存在的問題做了大量研究。這些研究是基于:當(dāng)理論計算的頻散曲線與波動方程數(shù)值模擬的頻散能量不能一一對應(yīng)時,人們認為是頻散曲線正演出了問題,通過改進頻散曲線正演方法使其結(jié)果可以與頻散能量一一對應(yīng)。然而,理論計算的頻散曲線與波動方程數(shù)值模擬的頻散能量不能一一對應(yīng)以及引起頻散能量不連續(xù)分布的本質(zhì)原因尚未被解釋清楚。上述關(guān)于瑞雷波的研究中,大多基于垂向檢波器接收的瑞雷波。瑞雷波不僅具有垂向分量,同時具有徑向分量。在某些情況下,瑞雷波徑向分量可以提供更多的地下介質(zhì)信息,聯(lián)合利用瑞雷波水平和垂向分量可以提高橫波速度的勘探精度。瑞雷波的水平-垂向振幅譜比(Horizontal-to-Vertical Spectral Ratio,HVSR,又稱H/V譜比,與瑞雷波的橢圓極化率相聯(lián)系)對地下介質(zhì)層界面更加敏感,聯(lián)合分析瑞雷波的頻散特性及H/V譜比可以獲取更準(zhǔn)確的地下介質(zhì)信息。淺層面波勘探方法正在從較低的分辨率向高分辨率,簡單的一維水平層狀介質(zhì)向復(fù)雜的三維非層狀介質(zhì),單一分量的面波勘探向多分量面波勘探,單一的屬性反演向多屬性聯(lián)合反演的方向發(fā)展。目前,三維面波多道分析方法僅限于理論研究,利用面波勘探獲取地下三維剪切波速度結(jié)構(gòu)的實例并不多見。多分量面波聯(lián)合分析的優(yōu)勢并未得到充分發(fā)揮。本文在前人的研究基礎(chǔ)之上,對復(fù)雜淺地表彈性介質(zhì)環(huán)境中面波分析方法進行理論和應(yīng)用研究,評價解釋復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下的面波勘探特性,發(fā)展多分量面波分析方法,提高淺層勘探的探測精度(空間分辨率)及反演結(jié)果的可靠性,從而指導(dǎo)實際淺層勘探,為復(fù)雜淺地表地質(zhì)條件下面波勘探提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)指導(dǎo)。本文主要研究內(nèi)容包括:(1)首次在水文地球物理試驗場地(Boise Hydrogeophysical Research Site,BHRS)同時采集了三維瑞雷波和勒夫波數(shù)據(jù),獲取了淺地表三維米級橫波速度結(jié)構(gòu),精確勾繪了地下低速異常區(qū)(沙通道)的邊界,并與測井和探地雷達(GPR)結(jié)果進行對比,通過瑞雷波和勒夫波反演結(jié)果的對比,確定了淺地表徑向各向異性的存在,該研究是利用瑞雷波和勒夫波多道分析方法獲取淺地表三維橫波速度結(jié)構(gòu)和各向異性信息的先例。(2)定量分析確定了面波多道分析方法的水平分辨率,這是利用面波多道分析方法探測二維橫向異常體的前提。本文給出了利用數(shù)值模擬方法評價面波多道分析方法水平分辨率的一般步驟,并根據(jù)影響水平分辨率的不同因素,對不同的二維含異常體模型進行了數(shù)值實驗,通過比較擬二維橫波速度剖面中異常體的恢復(fù)情況,評價其水平分辨能力,并通過兩個實例對結(jié)果進行了驗證。(3)深刻分析了含低速夾層模型中瑞雷波和勒夫波頻散能量特點,通過低速層導(dǎo)波特性解釋頻散能量跳躍現(xiàn)象,比較了不同頻散曲線正演方法所得理論頻散曲線與波動方程數(shù)值模擬所得頻散能量的差異,從本質(zhì)上解釋了低速夾層模型頻散能量與理論頻散曲線不能一一對應(yīng)的問題,分析了基于不同低速層模型導(dǎo)致的低速層導(dǎo)波對瑞雷波和勒夫波模式識別不同程度的干擾。(4)基于對低速層頻散能量特點的分析,本文利用基于頻散方程的矩陣行列式目標(biāo)函數(shù)(不需要模式識別,可避免模式誤判)對多模式瑞雷波和勒夫波頻散曲線進行反演,準(zhǔn)確獲取了低速層信息。通過兩個理論模型和兩個實例證實了該方法反演瑞雷波和勒夫波獲取淺地表低速層模型的有效性。(5)提出了聯(lián)合反演瑞雷波和勒夫波頻散曲線獲取淺地表橫波速度和徑向各向異性信息。該方法不僅可以綜合利用瑞雷波和勒夫波的優(yōu)勢,而且考慮了實際介質(zhì)中瑞雷波所得Vsv與勒夫波所得Vsh存在差異的情況,本文引入了一個徑向各向異性參數(shù),將Vsv和Vsh聯(lián)系起來,并在反演過程中對它們進行約束。(6)提出了從主動源地震垂向和徑向分量記錄中計算瑞雷波的H/V譜比,將被動源中的H/V譜比法推廣到主動源地震勘探中。本文指出從主動源地震記錄中直接計算瑞雷波的H/V譜比是不可行的,證實了通過模式分離計算瑞雷波的H/V譜比的可行性,并在強速度差異模型和非層狀模型中進行了測試,討論了瑞雷波的H/V譜比曲線峰值頻率和低谷頻率與模型參數(shù)的相關(guān)性。本文研究得出如下結(jié)論:(1)利用瑞雷波和勒夫波多道分析方法可以精確獲取淺地表三維橫波速度結(jié)構(gòu)以及各向異性信息。在水文地球物理試驗場地的測試結(jié)果表明,面波多道分析方法所獲取的橫波速度與測井結(jié)果基本一致,對于速度突變的層界面,面波結(jié)果相比于測井結(jié)果提供了一個較平滑的速度模型。面波所確定的低速區(qū)域邊界與探地雷達結(jié)果高度一致。瑞雷波與勒夫波多道分析方法獲取的橫波速度相差15%左右,表明該區(qū)域介質(zhì)的正的徑向各向異性特性(VshVsv)。(2)面波多道分析方法水平分辨率隨深度的增加而降低,近似為可探測該深度的瑞雷波最小波長的一半。擬二維橫波速度剖面中的異常體速度值受多種因素的影響,如果異常體的水平長度小于檢波器排列長度,則擬二維橫波速度剖面中不能完全恢復(fù)異常體的真實速度。(3)低速夾層模型中會產(chǎn)生低速層導(dǎo)波,在頻散能量圖中,低速層導(dǎo)波會干擾正常的瑞雷波和勒夫波。低速層導(dǎo)波的每一階在高頻部分會缺失能量,使得頻散能量發(fā)生“跳躍”現(xiàn)象,這是由于低速層導(dǎo)波的短波長成分不能傳播到地表造成的。如果低速層的橫波速度比表層高,則低速層導(dǎo)波只污染常規(guī)面波的高階能量,不會與基階面波交叉;如果低速層的橫波速度比表層低,低速層導(dǎo)波能量會與基階面波交織在一起。這兩種情況都會引起面波的模式誤判。(4)利用矩陣行列式目標(biāo)函數(shù),避免模式識別和誤判,可以實現(xiàn)低速層面波頻散曲線的反演,并準(zhǔn)確獲得低速層信息。對瑞雷波進行反演時,需要選擇合理的模型邊界。由于勒夫波目標(biāo)函數(shù)的特殊性,使得其反演更不依賴于初始模型。(5)聯(lián)合反演瑞雷波和勒夫波頻散曲線不僅可以結(jié)合瑞雷波和勒夫波各自的優(yōu)勢,而且可以同時獲取橫波速度和徑向各向異性信息。聯(lián)合反演提供了更好的約束,其結(jié)果比各自單獨反演更精確。(6)從主動源地震記錄中計算H/V譜比是可行的,但必須先進行面波模式分離,模式分離依賴于在頻散能量圖中準(zhǔn)確識別各階能量。當(dāng)模型中存在強速度差異分界面時,會出現(xiàn)模式接吻,但模式接吻不影響H/V譜比曲線的低谷。該方法對于橫向變化的非層狀模型同樣適用,所計算的H/V譜比含有地下介質(zhì)橫向變化的信息。H/V譜比的峰值和低谷頻率對模型參數(shù)非常敏感,用于探測和重建淺地表二維結(jié)構(gòu)的潛力巨大。本文整體結(jié)構(gòu)如下:引言部分主要介紹高頻面波方法的發(fā)展歷程,基本原理、方法,應(yīng)用領(lǐng)域,以及存在的問題,從而引出本文的研究內(nèi)容。第一章首先展示了博伊西水文地球物理試驗場地的三維試驗,簡要介紹了該試驗場地進行瑞雷波和勒夫波三維試驗的優(yōu)勢,數(shù)據(jù)采集過程,詳細闡述了該三維試驗的數(shù)據(jù)處理結(jié)果以及與測井和探地雷達結(jié)果的對比,討論了瑞雷波與勒夫波以及測井所得橫波速度的差異性。第二章討論了面波多道分析方法的水平分辨率問題,首先給出了利用數(shù)值模擬手段研究其水平分辨率的一般步驟,然后分別對影響二維異常體成像精度的檢波器排列長度、異常體水平長度、異常體厚度、異常體埋深、異常體與圍巖的速度差異、多個異常體情況以及低速異常體模型進行數(shù)值模擬實驗,分析評價其水平分辨能力與上述影響因素的關(guān)系,并通過兩個實際例子加以說明,討論了各影響因素與面波多道分析方法水平分辨率的內(nèi)在聯(lián)系。第三章針對低速夾層模型進行討論,首先通過三個模型數(shù)值模擬結(jié)果的頻散能量對比給出了低速夾層模型情況下瑞雷波和勒夫波頻散能量特點,然后引入低速層導(dǎo)波,通過波場快照和理論頻散曲線對比證實了低速夾層模型中低速層導(dǎo)波的存在,分析了低速層導(dǎo)波的特點,解釋了頻散能量“跳躍”現(xiàn)象的本質(zhì)原因,并通過三個模型展示了由低速層導(dǎo)波引起的正常的瑞雷波和勒夫波的模式誤判。第四章緊接第三章討論低速夾層模型的瑞雷波和勒夫波頻散曲線反演問題,由于低速層導(dǎo)波的存在會引起瑞雷波和勒夫波頻散曲線的模式誤判,本章首先介紹了頻散方程矩陣行列式目標(biāo)函數(shù)以及利用該目標(biāo)函數(shù)可以不用區(qū)分各階頻散曲線,從而避免模式誤判的基本原理,然后通過兩個理論的低速夾層模型驗證該反演方法的有效性,最后展示了兩個應(yīng)用實例,并將反演結(jié)果與鉆孔資料進行對比。第五章討論瑞雷波和勒夫波聯(lián)合反演的問題,首先引入徑向各向異性系數(shù),給出聯(lián)合反演的目標(biāo)函數(shù)以及本文使用的反演方法,然后通過兩個各向同性、兩個各向異性的理論模型驗證了該聯(lián)合反演方法的有效性,對比展示了瑞雷波和勒夫波聯(lián)合反演的優(yōu)勢,最后展示了一個應(yīng)用實例,并將反演結(jié)果與測井結(jié)果對比。第六章引入瑞雷波的徑向分量,討論主動源瑞雷波H/V的計算問題,首先通過一個理論模型展示了直接計算瑞雷波H/V存在的問題,然后討論了通過模式分離計算H/V的可行性,并討論了強速度差異模型和二維橫向不連續(xù)模型情況下的H/V計算,最后討論了H/V曲線峰值頻率和低谷頻率與模型參數(shù)之間的相關(guān)性。第七章對全文進行總結(jié)。
【學(xué)位授予單位】：中國地質(zhì)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：P631.4



本文編號：2736067