背景噪音提取高阶频散曲线的矢量波数变换方法

发布时间：2020-05-31 10:52

【摘要】：利用背景噪音分析得到地下介质横波速度结构是一个新兴的地震学研究课题。背景噪音在工程地球物理勘探中又称为微震,是地球表面上持续发生的微弱震动所产生的信号。根据周期分为两类:一类为自然现象,如潮汐、水流、风雨等产生的长周期背景噪音信号,频率低于1 Hz;一类为人类活动,如车辆行驶、机械震动、人类的生活等等产生的短周期背景噪音信号,频率高于1 Hz。因为对环境没有破坏、操作简单、花费低、正确性高等优点,背景噪音分析方法无论是在工程地球物理探勘中还是地壳上地幔大尺度速度结构研究方面都得到了快速的发展。在工程地球物理勘探中广泛应用于地况比较复杂不方便用常规物探方法实现的区域,如人类活动集中的城市和不希望环境遭到破坏或污染的区域。虽然背景噪音的能量以基阶面波能量为主导,但是也含有体波、散射波、高阶振型面波等多种波动能量,这部分高阶模式成分中含有很多地层结构的信息。仅依靠面波的基阶频散曲线对地层模型进行反演会有很大的不确定性,如果能够提取出高阶面波频散曲线并利用其进行反演,那么可以大大增强反演时的约束从而降低不确定性。从背景噪音信号中提取出频散曲线是背景噪音层析成像的关键步骤,目前主要有以下几种方法:由Aki于1957年提出的空间自相关方法(SPAC)、Capon(1969)和Lacoss等学者(1969)提出的频率-波数算法(F-K法)、Yao等学者于2006年提出的相速度成像方法、Park等学者于1998年提出的MASW方法(Multichannel Analysis of Surface Wave)和Lou等学者于2008年提出的高分辨率线性拉东变换(LRT)方法。上述方法都对高阶面波反应不灵敏,无法准确而清晰的从背景噪音信号中提取出面波频散曲线,尤其是高阶频散曲线。本文中我们从Rayleigh波频散曲线正演,背景噪音信号分析处理方法和不同观测系统等几个方面进行研究,提出了全新的可以清晰的从背景噪音中提取出面波高阶频散曲线的方法——矢量波数变换方法(VWTM)和野外采集背景噪音数据时台站的分布方式。第二章中讨论了 Rayleigh波频散曲线的计算方法。第三章详细介绍了离散波数法合成背景噪音的过程。第四章中给出了矢量波数变换方法的理论推演过程,详细介绍了该方法的工作原理。第五章通过数值模拟实验来验证矢量波数变换方法的有效性、准确性和适用性,并对实现过程中需要的参数和数据采集时使用的观测系统做了测试,给出更加实用的建议。第六章我们将VWTM应用到短周期和长周期两类实际背景噪音信号中。第七章我们利用高阶频散曲线信息进行反演工作。通过对不同类别的地质结构,不同观测系统得到的背景噪音信号进行矢量波数变换方法分析表明,通过阵列观测方式采集背景噪音信号,矢量波数变换方法可以方便准确的得到清晰的多阶面波频散曲线,为之后的反演提供了很好的约束,有效的降低反演的不确定性,增强了准确性。
【图文】：

频散曲线,理论频散曲线,模型,久期

频率点数１３１，最大模式数４３逡逑２．２．５频散曲线的数值计算逡逑模型Ｉ为渐变型模型，速度结构逐层递增，，介质参数见表２．１，图２．２是该模型逡逑０？４邋Ｈｚ的频散曲线。图２．３、２．４、２．５、２．６是模型Ｉ在频率为１邋Ｈｚ时的每一层久期逡逑函数，可以看到久期函数的根分布都有一个特点：在该层Ｓ波速度到最大Ｓ波速逡逑度之间分布，小于该层横波速度的根用这层的久期函数是搜索不到的。对于不含逡逑低速层的情况，我们没有必要用整个久期函数簇（共Ｎ＋１个函数，Ｎ为地层层数）逡逑来找根（即求各个振型的相速度），只需要利用表面的久期函数Ｄｅｔ｛Ｉ邋—逡逑和Ｒａｙｌｅｉｇｈ振型函数（公式（２．４５））就可以全部找到了（Ｃｈｅｎ，邋１９９３［５５］）。逡逑模型ＩＩ为含有低速层的４水平层状结构，介质参数见表２．２，在第三层横波逡逑速度和纵波速度都出现了低速层。图２．７是该模型０？４邋Ｈｚ的频散曲线。逡逑图２．８是模型ＩＩ在１邋Ｈｚ时的位移本征函数，可以看出低阶振型对应的能量主逡逑要在低速层内传播

久期,频率,函数,模型

３逦３．２逦３．４逦３．６逦３．８逦４逦４．２逦４．４逦４．６逦４．８逡逑ｐｈａｓｅ邋ｖｅｌｏｃｉｔｙ邋（ｋｍ／ｓ）逡逑图２．４频率为１邋Ｈｚ时模型Ｉ的第一层久期函数。红色的点为该频率下的逡逑根，＊为Ｒａｙｌｅｉｇｈ模式逡逑１９逡逑
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：P631.4

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