【摘要】：面波,通常指瑞雷波(Rayleigh wave)和勒夫波(Love wave),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(diǎn)。瑞雷波由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(yùn)動(振動方向垂直于波的傳播方向)；勒夫波由不同形式的SH波干涉而形成,它僅包含橫向粒子運(yùn)動。在淺地表地震炮集記錄中,高頻面波信號占據(jù)了淺地表地震波場能量的主要部分,并包含有豐富的地下剪切波(S波)速度信息�；趯Ω哳l面波信號的分析,高頻面波(包括瑞雷波和勒夫波)方法已廣泛應(yīng)用于求取淺地表S波速度結(jié)構(gòu)。通過對多道地震信號的處理與分析,面波(包括瑞雷波和勒夫波)多道分析方法(Multichannel Analysis of Surface Waves, MASW,這里的Surface Waves代指瑞雷波;Multichannel Analysis of Love Waves, MALW)是目前最為廣泛應(yīng)用的高頻面波方法。由于具有無損、高精度及高效的特點(diǎn),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具有相似的數(shù)據(jù)處理及反演步驟,具體包括：多道瑞雷波和/或勒夫波野外數(shù)據(jù)采集；野外數(shù)據(jù)向頻率速度(f-v)域的變換；根據(jù)連續(xù)的頻散能量峰值拾取面波相速度(又稱為頻散曲線)；反演拾取的相速度獲得地下一維S波速度結(jié)構(gòu)；重復(fù)前面的工作獲得擬二維S波速度剖面圖。大量的實(shí)例證明了面波多道分析方法的有效性。然而,在遇到一些較為復(fù)雜的地球模型時(例如含有低速夾層,斷層,空洞等),現(xiàn)行的面波多道分析方法會遇到問題而無法給出準(zhǔn)確地下速度結(jié)構(gòu)。本博士學(xué)位論文的主要目的是提高高頻面波方法對任意非均勻二維模型的成像能力,具體包括改進(jìn)現(xiàn)行面波多道分析方法中頻散曲線的正演算法,使其適用于含低速層的地球模型；改進(jìn)勒夫波多道分析方法的野外采集系統(tǒng),嘗試新的勒夫波激發(fā)方式,并將勒夫波多道分析方法推廣至三維數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；提出反演面波波形獲取地下S波速度結(jié)構(gòu)。計(jì)算地球模型對應(yīng)的理論頻散曲線是面波多道分析方法(MASW)的一個重要基礎(chǔ)。然而,當(dāng)?shù)叵鲁霈F(xiàn)低速層時,用傳統(tǒng)方法計(jì)算瑞雷波頻散曲線會出現(xiàn)問題,該問題具體可分為以下兩類：當(dāng)半空間為低速層時,由于它的頻散方程中出現(xiàn)了復(fù)數(shù)矩陣,使其無法在實(shí)數(shù)域中獲得方程的根,從而難以在某些頻率范圍內(nèi)計(jì)算獲得面波理論相速度值；當(dāng)?shù)貙又泻械退賷A層時且該層的S波速度低于表層S波速度時,計(jì)算得到的頻散曲線在其高頻部分會趨近該低速夾層的S波速度而非某個與表層S波速度相關(guān)的值。然而,基于波動方程的數(shù)值模擬結(jié)果顯示其頻散能量的高頻部分趨近于表層S波速度的大約91%,即現(xiàn)行的頻散曲線計(jì)算方法對于該類含有低速夾層的模型無法在高頻范圍獲得正確的相速度。對于第一類問題,本文提出利用頻散方程的實(shí)部求解瑞雷波相速度；對于第二類問題,本文基于瑞雷波的穿透深度對現(xiàn)行算法進(jìn)行改進(jìn)：我們建立一個僅含低速夾層及其上方地層的替代模型,在計(jì)算頻散曲線過程中,當(dāng)瑞雷波波長無法穿透該低速夾層時,我們采用替代模型計(jì)算其頻散曲線。本文通過基于波動方程的數(shù)值模擬方法在頻率-速度域中驗(yàn)證了這兩種解決方案的正確性,通過數(shù)值模擬反演算例證明了這兩類改進(jìn)的頻散計(jì)算方案在頻散曲線反演過程中的穩(wěn)定性。勒夫波僅由SH波形成,而與P波無關(guān),這使得勒夫波頻散曲線比瑞雷波更加簡單,從而使勒夫波多道分析方法成為一種很有吸引力的獲取淺地表S波速度的方法。在勒夫波多道分析方法中通常采用橫向震源激發(fā)勒夫波信號。然而,橫向震源相比垂向震源而言激發(fā)難度更大,且不適用于硬地表等實(shí)際情況,在一定程度上限制了勒夫波多道分析方法的適用范圍。本文提出在勒夫波多道分析方法中采用垂向震源激發(fā)勒夫波。本文對垂向震源與橫向震源激發(fā)勒夫波的效果進(jìn)行了四組對比試驗(yàn)。通過對比勒夫波波形,野外數(shù)據(jù)振幅及其頻散能量圖,本文發(fā)現(xiàn)垂向震源可以激發(fā)出與橫向震源能量相當(dāng)、質(zhì)量相似的勒夫波信號。這為將來在采用勒夫波多道分析方法時的震源方式提供了新的選擇,拓寬了勒夫波多道分析方法的適用范圍�，F(xiàn)行的勒夫波多道分析方法基于二維地震采集系統(tǒng)(檢波器與震源沿同一測線排列),無法適用于三維地震采集系統(tǒng)。由于勒夫波的粒子振動方向平行于地表且與傳播方向垂直,這使得我們很難在三維地震采集系統(tǒng)中直接觀測和采集到勒夫波信號。本文提出在地震數(shù)據(jù)采集時,在每個檢波點(diǎn)同時采集兩個相互垂直的水平分量(沿線方向和垂線方向水平分量)。通過這兩個分量的旋轉(zhuǎn)與合成,我們分別恢復(fù)每個采集點(diǎn)的勒夫波分量。在將二維空間域的勒夫波信號按照真實(shí)炮檢距轉(zhuǎn)換到一維空間域后,我們可以對重獲的勒夫波信號進(jìn)行頻散分析及頻散曲線反演,從而獲得地下S波速度結(jié)構(gòu)。本文采用數(shù)值模擬算例和一組實(shí)測數(shù)據(jù)證明了該方法的正確性。瑞雷波和勒夫波多道分析方法(MASW和MALW)均是基于頻散曲線的反演獲得地下S波速度結(jié)構(gòu)。由于頻散曲線正演基于水平層狀模型假設(shè),瑞雷波和勒夫波多道分析方法均僅適用于水平層狀模型及橫向S波速度緩變的地球模型。這被視為目前高頻面波方法發(fā)展的一個重要局限。另一個目前高頻面波方法遇到的問題是頻散曲線及其模式的正確識別,特別是對含有軟夾層、起伏地表等較為復(fù)雜的地球模型。波形反演直接擬合實(shí)測地震波波形,不需要拾取及反演頻散曲線,適用于大多數(shù)地球模型。波形反演不受層狀模型假設(shè)約束,同時也不依賴于頻散曲線的拾取,而從突破了現(xiàn)行高頻方法的局限及困難。本文提出在時間域通過反演面波(包括瑞雷波和勒夫波)波形獲取淺地表S波速度結(jié)構(gòu)。本文通過檢測板模型測試了面波對地下介質(zhì)的分辨率,并根據(jù)該分辨率將反演網(wǎng)格由淺至深依次增大,提出變反演網(wǎng)格。本文采用有限差分作為面波(包括瑞雷波和勒夫波)波形正演計(jì)算方法。通過共軛梯度算法更新變反演網(wǎng)格中每個網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的S波(或和P波)速度使目標(biāo)函數(shù)收斂,從而獲得地下S波速度結(jié)構(gòu)。在地震波波形反演中地震子波效應(yīng)的處理十分重要。本文提出兩種方式來處理這個問題。第一種方式是利用虛實(shí)源對比法(Virtual Real Source)從兩炮(或多炮)具有相同檢波器排列的炮集記錄中提取地震子波。第二種方式是對實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行反卷積處理消除數(shù)據(jù)中的地震子波效應(yīng),從而實(shí)現(xiàn)不依賴地震子波的波形反演。本文利用一些數(shù)值模擬算例和野外實(shí)測數(shù)據(jù)證明了這兩種方法的有效性。
[Abstract]:......
【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】：2016
【分類號】：P631.4

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本文編號：2456345