高频面波的灵敏性分析及其反演方法的研究

发布时间：2017-12-15 12:28

  本文关键词：高频面波的灵敏性分析及其反演方法的研究

  更多相关文章： 高频面波 灵敏性分析 勘探深度 联合反演 水平分辨率 面波旅行时层析成像

【摘要】：瑞雷波和拉夫波是沿自由界面传播的两种基本形式的面波。瑞雷波是P波和SV波在自由界面处干涉形成的,而拉夫波是由层内的SH波多次反射和干涉后的结果。由于高频面波方法具有非破坏性、非侵入性、低成本和高精度的特点,它在解决浅地表地质和地球物理问题中应用广泛。相对于瑞雷波勘探,人们对拉夫波勘探方法的研究较少,这是由于野外激发SH波数据比激发P波数据更困难。随着科学技术的发展,现在已能获得宽频段(1 Hz-1000 Hz)的拉夫波数据,拉夫波勘探方法的研究逐渐受到浅地表地球物理学家的关注。基于水平层状介质的假设,瑞雷波的相速度取决于频率和四组参数(每层的纵波速度、横波速度、密度和层厚)。与瑞雷波不同,拉夫波的相速度函数只由频率和三组参数(每层的横波速度、密度和层厚)构成的。由于拉夫波的相速度与纵波速度无关,所以高频拉夫波方法具有几个突出的优势：(1)拉夫波的相速度频散曲线的形态比瑞雷波的更简单；(2)拉夫波的频散能量更清晰,且具有较高的分辨率；(3)相对于瑞雷波相速度频散曲线的反演,拉夫波相速度频散曲线的反演对初始模型的依赖程度较小,反演也更稳定。鉴于瑞雷波和拉夫波的特殊性质及其在浅层勘探研究中的重要性,开展高频瑞雷波和拉夫波的灵敏性分析及其频散曲线的联合反演方法的研究,以及解决高频面波方法中水平分辨率较低的问题显得极为重要。本文采用理论分析和实际应用相结合的研究方法,合理地设计理论模型,探究不同水平层状介质中瑞雷波和拉夫波的传播特点,根据应用实例验证高频面波(瑞雷波和拉夫波)方法的适用性。通过对若干种典型的地球模型中瑞雷波和拉夫波相速度频散曲线的灵敏性分析,为获得浅地表准确的横波速度结构奠定了基础。文献调研表明,高频面波方法中得到的一维横波速度剖面反映了检波器排列中点的平均横波速度,所以该方法获得的横波速度的水平分辨率较差。因此,使用面波层析成像(即面波旅行时反演)的方法提高水平方向上相邻两道间横波速度精度的方法是必要的。论文的主要研究内容包括：(1)根据三种典型的地球模型(速度递增模型、含低速夹层模型和含高速夹层模型),分析多模式瑞雷波和拉夫波相速度频散曲线的形态。(2)计算各阶模式瑞雷波和拉夫波相速度频散曲线关于不同地层横波速度的敏感度,探究含速度异常夹层模型中速度异常夹层对面波灵敏性的影响,并为获得较高精度的反演横波速度结果提供理论支持。(3)比较各阶模式瑞雷波和拉夫波的勘探深度,定量分析瑞雷波和拉夫波勘探深度的差异。(4)在各向同性层状介质和径向各向异性介质中,提出瑞雷波和拉夫波相速度频散曲线的联合反演方法。讨论面波(瑞雷波或拉夫波)频散数据缺失和含速度异常夹层模型反演的问题,研究如何利用瑞雷波和拉夫波的相速度频散曲线的联合反演方法获得精确的横波速度。通过一个实例验证联合反演方法的正确性和稳定性。(5)利用面波旅行时层析成像的方法提高面波方法的水平分辨率,通过理论模型和实例验证该方法的实用性。本文以高频瑞雷波和拉夫波为研究对象,对两种面波频散特性、勘探深度、反演方法和水平分辨率进行了系统的研究,并获得了如下主要结论：(1)选取三种典型的地球层状模型(速度递增模型、含低速夹层模型和含高速夹层模型)绘制多模式瑞雷波和拉夫波的相速度频散曲线。通过对三种典型的地球模型中各阶模式瑞雷波和拉夫波的相速度关于不同地层的横波速度的灵敏性分析得出：①某一特定频率的相速度对不同深度的横波速度的敏感度不同；无论是瑞雷波还是拉夫波,表层的敏感性频段占据了整个高频部分,且随着深度的递增,深部地层的敏感性频段变得更窄。②速度递增模型中,随着面波模式阶次的增加,面波的敏感性增加(二阶高阶模式波一阶高阶模式波基阶模式波),高阶模式面波的加入可拓宽横波速度敏感性的频带范围,因此在速度递增模型中加入高阶模式面波可提高反演精度。③含低速夹层模型中,基阶模式面波和高阶模式面波均表现为对低速夹层的横波速度敏感,然而对于低速夹层以下地层的横波速度敏感性较低。④含高速夹层模型中,各阶模式面波对高速夹层及高速夹层以下地层横波速度的敏感性较低。⑤相同地层中,瑞雷波和拉夫波的灵敏性的频段范围不同,因此可以考虑联合瑞雷波和拉夫波反演以获得精确的地下横波速度结构。(2)利用雅克比矩阵的归一化行向量探究高频瑞雷波和拉夫波的勘探深度与波长的关系。模拟结果表明不同模式的面波的敏感性范围不同,表现为长波长分量对深层敏感,短波长分量对浅层敏感；对于相同波长,高阶模式波比基阶模式波的勘探深度深。基阶模式瑞雷波比基阶模式拉夫波勘探深度深；而高阶模式的瑞雷波和拉夫波可勘探到相同深度。根据理论模型定量分析瑞雷波和拉夫波的勘探深度,相同波长的基阶模式瑞雷波的最大勘探深度是基阶模式拉夫波勘探深度的1.3—1.4倍。(3)在各向同性介质中,利用两层介质模型和多层介质模型测试瑞雷波和拉夫波相速度频散曲线的联合反演方法的正确性和有效性。通过分别在理论模型计算的相速度频散曲线上加载10%和20%不同信噪比的随机白噪声,验证该方法的抗噪能力。由于瑞雷波或拉夫波的频散数据缺失时将导致瑞雷波或拉夫波相速度单独反演得到的横波速度的精度较低,因此本文提出利用瑞雷波和拉夫波的相速度频散曲线的联合反演提高反演横波速度结果的精度。考虑到异常夹层的影响,导致含速度异常夹层模型中某些地层的灵敏性较低,造成该层反演得到的横波速度的不准确,同时由于含速度异常夹层模型中瑞雷波和拉夫波相速度频散曲线对相同地层的横波速度的灵敏性的频段范围不同,通过理论模型证实了瑞雷波和拉夫波相速度频散曲线的联合反演方法可有效提高反演得到的横波速度的精度。(4)相对于各向同性介质,在径向各向异性介质中瑞雷波和拉夫波相速度频散曲线联合反演的目标函数中增加了模型差异的约束项。本论文设计一个横波速度径向各向异性的六层模型,并用瑞雷波和拉夫波相速度频散曲线的联合反演方法进行理论模型试算,再结合实测资料验证联合反演方法的有效性。(5)本文提出面波旅行时反演的方法提高面波方法的水平分辨率。首先利用相位扫描的互相关方法,计算面波的多道记录中相邻两道之间的相速度频散曲线；然后计算测量得到的面波旅行时；根据面波旅行时层析成像,获得不同网格内的高分辨率的纯路径频散曲线；最后,将所有目标网格内的纯路径频散曲线反演得到研究区域的拟二维横波速度结构。面波旅行时层析成像的方法可准确地提取炮集记录中任意相邻两道之间的频散曲线,同时该方法具有一定的抗噪能力。理论模型和实际资料都证实了面波旅行时的层析成像方法可有效提高面波方法的水平分辨率。
【学位授予单位】：中国地质大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：P631.4

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本文编号：1291983