瑞雷波(Rayleigh-wave)是由縱波(P-wave)和橫波垂直分量(SV-wave)相互干涉而形成的一種地震面波,其具有能量強(qiáng)、衰減慢、信噪比高、抗干擾能力強(qiáng)以及在層狀介質(zhì)中具有頻散特性等特點(diǎn),適用于推斷固體地球內(nèi)部介質(zhì)結(jié)構(gòu)和巖土力學(xué)參數(shù),已廣泛應(yīng)用于區(qū)域和全球地震學(xué)、淺地表地球物理工程和超聲無損檢測(cè)等領(lǐng)域。尤其是在淺地表地球物理領(lǐng)域中,由于瑞雷波勘探具有非侵入性、無損、高效、經(jīng)濟(jì)、抗干擾性強(qiáng)、淺層分辨率高等優(yōu)點(diǎn),已在實(shí)際生產(chǎn)和科研中獲得了廣泛應(yīng)用。迄今為止,瑞雷波勘探方法仍是建立在各向同性彈性(Isotropic Elastic,IE)介質(zhì)理論框架下,然而,地球介質(zhì)已被廣泛證實(shí)具有各向異性和粘彈性,且對(duì)瑞雷波的傳播具有較大的影響。因此,通過正演模擬的方法,開展對(duì)各向異性粘彈性(Anisotropic Viscoelastic,AV)介質(zhì)中瑞雷波衰減和頻散等特性的研究,對(duì)于進(jìn)一步拓寬瑞雷波勘探應(yīng)用領(lǐng)域和指導(dǎo)實(shí)際瑞雷波勘探工作等都具有重要意義。本文按照從理論到實(shí)踐的研究思路,在調(diào)研并總結(jié)了瑞雷波波場(chǎng)數(shù)值模擬和瑞雷波頻散曲線正演研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,針對(duì)現(xiàn)有AV介質(zhì)瑞雷波正演模擬研究中存在的不足,基于廣義Zener體粘彈模型和VTI(Transversely Isotropy with A Vertical Axis of Symmetry,VTI)介質(zhì)模型,提出了“粘彈性VTI介質(zhì)瑞雷波有限差分模擬及其特性分析”的研究主題。本文基于一階P-SV波速度-應(yīng)力粘彈性VTI介質(zhì)波動(dòng)方程,采用應(yīng)力鏡像法(Stress Image Method,SIM)作為自由邊界條件,采用多軸完美匹配層(Multiaxial Perfectly Matched Layer,M-PML)作為吸收邊界條件,并將標(biāo)準(zhǔn)交錯(cuò)網(wǎng)格高階有限差分算法和四階龍格-庫塔(Runge-Kutta)時(shí)間積分法相結(jié)合,編寫了空間上12階差分精度和時(shí)間上4階差分精度的粘彈性VTI介質(zhì)瑞雷波有限差分波場(chǎng)正演模擬程序。由于粘彈性介質(zhì)中瑞雷波頻散函數(shù)變成了復(fù)函數(shù),因此無法采用實(shí)數(shù)域求根方法來計(jì)算頻散曲線。本文在前人研究的基礎(chǔ)上,提出采用相速度代替復(fù)速度在實(shí)數(shù)域近似計(jì)算頻散曲線的策略,基于簡(jiǎn)化的Delta矩陣法,將瑞雷波頻散曲線正演算法從各向異性彈性(Anisotropic Elastic,AE)介質(zhì)中擴(kuò)展到了AV介質(zhì)中,編寫了快速穩(wěn)定的粘彈性VTI介質(zhì)瑞雷波頻散曲線正演模擬程序。通過設(shè)置Thomsen參數(shù)ε=δ=0,兩程序均可實(shí)現(xiàn)各向同性粘彈性(Isotropic Viscoelastic,IV)介質(zhì)的模擬;通過設(shè)置松弛時(shí)間關(guān)系~(())_(7))=~(())_(7)),兩程序均可實(shí)現(xiàn)AE介質(zhì)的模擬;通過同時(shí)設(shè)置ε=δ=0和~(())_(7))=~(())_(7)),兩程序均可實(shí)現(xiàn)IE介質(zhì)的模擬。本文實(shí)現(xiàn)了在IE、IV、AE以及AV介質(zhì)中瑞雷波的正演模擬,并分別通過IV與IE介質(zhì)、AE與IE介質(zhì)以及AV與AE介質(zhì)模擬結(jié)果的對(duì)比,深入研究了瑞雷波在IV、AE以及AV介質(zhì)中的傳播、衰減和頻散等特性。首先,作者分別從波場(chǎng)快照、波形曲線和頻散能量圖3個(gè)角度來詳細(xì)地研究了瑞雷波在均勻半空間模型中的特性。然后,作者以兩層速度遞增型、四層速度遞增型、四層含低速軟夾層以及四層含高速硬夾層等地質(zhì)模型為例,研究了瑞雷波在典型的層狀介質(zhì)模型中的特性。最后,作者通過對(duì)斷層和空洞等地質(zhì)模型的模擬分析,研究了瑞雷波在復(fù)雜地質(zhì)模型中的特性。研究結(jié)果表明:(1)在頻散能量圖上,不同介質(zhì)的瑞雷波頻散能量最大峰值均能同對(duì)應(yīng)的理論頻散曲線相吻合,這驗(yàn)證了數(shù)值模擬結(jié)果的正確性。(2)介質(zhì)的粘彈性會(huì)引起瑞雷波振幅(或頻散能量)衰減,高頻成分比更低頻成分(或高頻同相軸比更低頻同相軸,或高階模式比基階模式)衰減得更加劇烈,地震記錄振幅譜的中心頻率向低頻端移動(dòng);衰減程度隨著偏移距增大而增強(qiáng)。介質(zhì)的粘彈性會(huì)引起瑞雷波相速度頻散,該頻散的整體趨勢(shì)是頻散程度隨著頻率增大而增強(qiáng)。介質(zhì)的粘彈性會(huì)一定程度地降低瑞雷波頻散能量的分辨率。介質(zhì)粘彈性的影響隨著品質(zhì)因子減小而增強(qiáng)。(3)參考頻率不會(huì)影響介質(zhì)粘彈性引起的瑞雷波振幅衰減和相速度頻散的程度,但會(huì)影響頻散曲線相速度的大小,并決定了粘彈性和彈性介質(zhì)相速度相等的頻率位置,即在參考頻率處相等。(4)與IE介質(zhì)相似的是,AE介質(zhì)瑞雷波振幅也幾乎不隨偏移距增大而改變,相速度在均勻半空間中也不發(fā)生頻散,即為一常值。與IE介質(zhì)不同的是,AE介質(zhì)瑞雷波在振幅、波型(或波形)以及波速(或旅行時(shí))等方面都展現(xiàn)了顯著的差異,且不同的Thomsen參數(shù)取值,這種差異也存在顯著的不同。例如:在均勻半空間波形曲線對(duì)比中,當(dāng)δ=0.2一定時(shí),隨著ε從0.3降低到0.1,瑞雷波起跳時(shí)間越來越晚,振幅越來越大;當(dāng)ε=0.3時(shí),AE介質(zhì)瑞雷波起跳時(shí)間比IE介質(zhì)的更早,振幅比IE介質(zhì)的更小;當(dāng)ε=0.1時(shí),AE介質(zhì)瑞雷波起跳時(shí)間比IE介質(zhì)的更晚,振幅比IE介質(zhì)的更大。這體現(xiàn)了介質(zhì)各向異性的復(fù)雜性。(5)在特定的Thomsen參數(shù)(ε=0.4和δ=0.2)下,對(duì)于層狀介質(zhì)模擬結(jié)果,與IE介質(zhì)相比,AE介質(zhì)炮集記錄上瑞雷波同相軸更加集中,同相軸的傾斜程度有所減小,數(shù)量顯著減少;AE介質(zhì)頻散能量圖上瑞雷波相速度明顯更高,相鄰模式間的距離明顯更大,高階模式的數(shù)量明顯更少,高階模式的頻散能量更加連續(xù)。(6)AV介質(zhì)瑞雷波的特性實(shí)際上是由介質(zhì)各向異性和介質(zhì)粘彈性共同影響的結(jié)果,因此,可以分解開來進(jìn)行分析,即AV與IE介質(zhì)模擬結(jié)果的對(duì)比分析結(jié)論可通過AE和IE介質(zhì)的對(duì)比以及AV和AE介質(zhì)的對(duì)比來獲得。本文的創(chuàng)新點(diǎn)主要體現(xiàn)在:1、將結(jié)合了標(biāo)準(zhǔn)交錯(cuò)網(wǎng)格高階有限差分算法、四階龍格-庫塔時(shí)間積分法、應(yīng)力鏡像法自由邊界條件、多軸完美匹配層吸收邊界條件等的數(shù)值模擬方案應(yīng)用于基于一階P-SV波速度-應(yīng)力粘彈性VTI介質(zhì)波動(dòng)方程的瑞雷波波場(chǎng)數(shù)值模擬中,極大地提高了數(shù)值模擬精度,避免了數(shù)值頻散與物理頻散相混淆。2、將基于簡(jiǎn)化的Delta矩陣法的瑞雷波頻散曲線正演算法從彈性VTI介質(zhì)中擴(kuò)展到了粘彈性VTI介質(zhì)中,實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定且高效地瑞雷波頻散曲線正演計(jì)算,為粘彈性VTI介質(zhì)瑞雷波頻散曲線反演提供了基礎(chǔ),也為驗(yàn)證瑞雷波波場(chǎng)數(shù)值模擬結(jié)果的正確性和輔助分析瑞雷波的頻散特性提供了有力的工具。3、分別深入研究了瑞雷波在各向同性粘彈性介質(zhì)、各向異性彈性介質(zhì)以及各向異性粘彈性介質(zhì)中的傳播、衰減和頻散等特性,有助于人們更好地理解地球介質(zhì)中瑞雷波的行為,并對(duì)進(jìn)一步提高瑞雷波勘探的反演解釋精度和拓寬瑞雷波勘探應(yīng)用領(lǐng)域等具有重要意義。
【學(xué)位單位】：中國地質(zhì)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：P631.4
【部分圖文】：

的品質(zhì)因子和速度頻散，并延伸到二維介質(zhì)中。T性介質(zhì)模型，第二節(jié)將介紹 TI 介質(zhì)的彈性矩陣以及更先進(jìn)的流變模型能同時(shí)反映介質(zhì)各向異性和粘I 介質(zhì)的本構(gòu)關(guān)系。2.1 粘彈性介質(zhì)基本理論er 體粘彈模型流變行為可以通過基于力學(xué)模型的粘彈性本構(gòu)方建需要用到兩種基本元件：（1）彈簧——用于代表代表粘性流體。根據(jù)粘彈性力學(xué)“器件組合法”，或混聯(lián)可以構(gòu)建一個(gè)新的粘彈性模型。例如，Max器相互串聯(lián)組合而成，Kelvin-Voigt 模型由一個(gè)彈成，它們是組合方式最簡(jiǎn)單的粘彈性力學(xué)模型[49]

圖 2.1.2 廣義 Zener 體力學(xué)模型[49]r 模型[117]，又稱為標(biāo)準(zhǔn)線性固體模型，是由一個(gè)彈簧和一個(gè) K串聯(lián)組合而成，如圖 2.1.1，可用于描述更符合實(shí)際情況的粘彈金屬和聚合物。廣義 Zener 體模型是由 L 個(gè) Zener 元件并聯(lián)組合相比較于 Zener 模型，它可以獲得在整個(gè)地震勘探頻帶范圍內(nèi)子[57]。每一個(gè) Zener 元件，其應(yīng)力l 與應(yīng)變 的關(guān)系可表示為：( ), 1,2, , ,l l t l Rl l tM l L 弛模量RlM ，應(yīng)力和應(yīng)變松弛時(shí)間 l 和 l 可分別表示為：1 21 2,l lRll lk kMk k 1 2 2, .l ll ll l lk k k 性模量k 0和k 0，粘性系數(shù) 0。在頻率域中應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)

袁士川：粘彈性 VTI 介質(zhì)瑞雷波有限差分模擬及其特性分析 為 0。（3.2.1）可推導(dǎo)出質(zhì)點(diǎn)速度需滿足的條件：1333 . zxvc vz c x 上，xx （方程（3.1.3）），1le （方程（3.1.15））和2le （方程方程（3.2.3）進(jìn)行更新。根據(jù)Robertsson（1996）的研究[的虛擬層中，質(zhì)點(diǎn)速度的設(shè)置方法有3種，本文采用直接

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 夏江海;高玲利;潘雨迪;沈超;尹曉菲;;高頻面波方法的若干新進(jìn)展[J];地球物理學(xué)報(bào);2015年08期

2 高靜懷;何洋洋;馬逸塵;;黏彈性與彈性介質(zhì)中Rayleigh面波特性對(duì)比研究[J];地球物理學(xué)報(bào);2012年01期

3 劉江平;羅銀河;何偉兵;;相鄰道瞬態(tài)瑞雷面波法與壓實(shí)度檢測(cè)[J];巖土工程學(xué)報(bào);2009年11期

4 熊章強(qiáng);張大洲;肖柏勛;秦臻;;裂縫介質(zhì)中瑞雷面波傳播的漸變非均勻交錯(cuò)網(wǎng)格數(shù)值模擬[J];湖南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2008年08期

5 邵廣周;李慶春;梁志強(qiáng);;液體表層層狀介質(zhì)導(dǎo)波頻散曲線研究[J];地球物理學(xué)報(bào);2007年03期

6 周竹生;劉喜亮;熊孝雨;;彈性介質(zhì)中瑞雷面波有限差分法正演模擬[J];地球物理學(xué)報(bào);2007年02期

7 裴正林,牟永光;地震波傳播數(shù)值模擬[J];地球物理學(xué)進(jìn)展;2004年04期

8 張永剛;地震波場(chǎng)數(shù)值模擬方法[J];石油物探;2003年02期

9 凡友華,劉家琦,肖柏勛;計(jì)算瑞利波頻散曲線的快速矢量傳遞算法[J];湖南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2002年05期

10 董良國,馬在田,曹景忠;一階彈性波方程交錯(cuò)網(wǎng)格高階差分解法穩(wěn)定性研究[J];地球物理學(xué)報(bào);2000年06期

本文編號(hào)：2824428