本文關(guān)鍵詞：海底介質(zhì)地震波場模擬及在典型地質(zhì)災害中應用研究

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【摘要】：隨著科技的進步與時代的發(fā)展,一個開發(fā)海洋的新時代己經(jīng)來臨。人類在海洋工程的生產(chǎn)建設(shè)活動日益頻繁,吹填造陸、興建碼頭、疏浚航道、籌建淺海核電站、勘探開發(fā)海洋油氣、規(guī)模化布列海上風電場、延綿不斷地鋪設(shè)海底電纜,踵趾相接的海洋建設(shè)全面鋪開,都需要一個安全的地質(zhì)環(huán)境。由于海底地質(zhì)情況復雜,以及海水和海水動力的作用,常伴隨有復雜的淺海地質(zhì)災害,多年來,由于海洋地質(zhì)災害勘探技術(shù)的限制,對災害現(xiàn)象認識不清,由此引發(fā)的工程失敗給人類帶來了不可估量的慘痛損失。發(fā)現(xiàn)、認識、規(guī)避海洋地質(zhì)災害風險,已經(jīng)是海洋工程建設(shè)一個不容繞開的難題。海底區(qū)域相比陸域,地形復雜、沉積物多變,為建設(shè)帶來較大的困難。采用先進的地球物理技術(shù),對淺海區(qū)域沉積物分布規(guī)律、地層分布規(guī)律進行探測,將為海底工程建設(shè)提供重要的指導�？碧胶Ｑ蟮刭|(zhì)災害,減少海上工程損失,需要對淺海環(huán)境進行精細探測與評價,對海底已有建筑進行密切的監(jiān)測。可見,研究淺海環(huán)境的探測方法與技術(shù)具有重要意義。在海洋的地球物理探測中,地震勘探是主要探測手段,該方法成本低廉,效率更高。地震波數(shù)值模擬有助于認識復雜地質(zhì)構(gòu)造的現(xiàn)象和提高探測數(shù)據(jù)的解釋,是地震反演算法的基礎(chǔ)。本論文針對海洋地質(zhì)災害問題,如滑坡、淺層氣、古河道、淺斷層等一系列影響近岸工程施工及其安全維護的典型災害現(xiàn)象進行了地震波場模擬與應用研究,為淺海地震勘探數(shù)據(jù)分析與解釋提供了基礎(chǔ)。海底表層覆蓋砂、碎石、淤泥土、生物碎屑等非固結(jié)沉積物,不是完全彈性介質(zhì),具備粘彈介質(zhì)屬性。地震波在其中傳播時,海底沉積物與地層的粘滯性會使地震波能量產(chǎn)生較大損耗,使其振幅衰減和子波中心頻率逐漸降低,使得探測信號的分辨率和信噪比降低,較難獲得高分辨率的探測圖像。進行海底粘彈介質(zhì)的地震波正演模擬,為分析地震波傳播特性,具有重要意義。論文從粘彈性介質(zhì)的基本概念入手,分析了地震波在粘彈性介質(zhì)中的吸收和衰減規(guī)律。討論了一維垂向粘彈介質(zhì)內(nèi)平面波的數(shù)值模擬,采用了一種計算垂向粘彈性介質(zhì)里的平面波響應的時間-空間交錯網(wǎng)格有限差分FDTD算法,可用來估算存在垂向速度變化模型的平面波傳播參數(shù)響應值。通過模擬計算,將視品質(zhì)因子Q和視速度與實測的數(shù)值對比,證實了該算法在粘彈性模擬中的精確性,證明了在10~40Hz的相關(guān)頻率范圍內(nèi),即使是強衰減介質(zhì),該算法也能取得良好的計算結(jié)果。在此基礎(chǔ)上,用這種算法計算海底水平層狀介質(zhì)的模型,得到了不同層狀介質(zhì)模型下的一維地震波場響應,實現(xiàn)了海底粘彈介質(zhì)的一維地震波場模擬。有限差分法雖然具有較高的空間域分辨率、簡單、直接、便于實現(xiàn)的優(yōu)點,但是也有一些固有的缺陷,如累計誤差、數(shù)值頻散、數(shù)值各向異性等。論文從粘彈性理論入手研究地震波的吸收和衰減,將(高階網(wǎng)格)有限差分與通量傳輸校正(FCT)相結(jié)合,實現(xiàn)了適合海上勘探的粘彈介質(zhì)波動方程的二維數(shù)值模擬。我們通過建立一個簡單的三層水平層狀粘彈性介質(zhì)模型,驗證了FCT有限差分正演算法的正確性。然后,我們對一個凹陷模型進行了數(shù)值模擬試驗,從波場快照和單炮記錄圖中可以看出,波場信息清晰,如繞射波、側(cè)面波等等,驗證了算法對復雜模型的適應性。通過建立一個鹽丘模型,來模擬二維海底粘彈介質(zhì),考慮到數(shù)值頻散,我們選用了一個有明顯陷波頻率的高頻震源,從數(shù)值模擬得到的單炮記錄可以看出,地震波的波場信息清晰,證明了FCT算法對海底粘彈介質(zhì)數(shù)值模擬是有效的。而且,從其波場快照可以看出,FCT四階精度有限差分經(jīng)過校正后,頻散現(xiàn)象基本上被抑制了,因此,FCT有限差分算法模擬海底粘彈介質(zhì)是合適的。論文還簡要探討了三維各向同性介質(zhì)粘彈性波方程數(shù)值模擬。中國擁有遼闊的海洋領(lǐng)土和綿長的海岸線,海洋地質(zhì)情況復雜,災害類型較多。能對海洋工程產(chǎn)生直接危害或者對海洋工程的施工有一定影響的災害地質(zhì)因素目前發(fā)現(xiàn)的就有20多種,其危害性最大的及最常見的有海底斷層、淺層高壓氣、海底滑坡、古河道等,集中對這些典型地質(zhì)災害開展專項研究,將大幅降低淺海工程風險,有利于全面認識地質(zhì)災害。前人研究主要集中在海洋地質(zhì)災害的特征、成因、危害研究上,缺乏針對地質(zhì)災害現(xiàn)象的地球物理響應方面的討論,因此,我們采用FCT有限差分算法應用于淺海地質(zhì)災害數(shù)值模擬中,對海底斷層、海底滑坡、海底淺層天然氣、海底古河道等典型地質(zhì)災害現(xiàn)象進行了地震波場二維正演模擬。通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn),地質(zhì)災害體形狀、間距和分布特征、充填物或儲存層的變化都將會影響探測效果。例如,海底淺層氣的波場特征與儲存層有關(guān),當儲存層充填物不一樣時,地震波數(shù)值模擬能很好地描述海底淺層氣的形態(tài),不同儲存層充填物時,地震波反射形態(tài)是一樣的,但是,充填物與圍巖的物性差異越大,反射振幅強度越大,差異越小,振幅越小。當海底淺層氣儲存層與圍巖分界面的過渡帶為漸變地質(zhì)情況時,淺層氣儲存層的強反射同相軸振幅降低了很多,形成了一個反射過渡帶,但是,淺層氣的形態(tài)與邊界突變時候沒有變化。另外,如果目標體傾斜,采用共偏移距觀測方式時,模擬斷層的同相軸傾角會變小,斷層的深度也會出現(xiàn)差異,模擬的目標體波場響應深度要大于實際斷層深度,所以,在野外實際探測時,進行適當?shù)臄?shù)據(jù)偏移處理來使偏移歸位是必須的。通過對典型地質(zhì)災害的模擬,總結(jié)出了每種地質(zhì)災害的詳細識別標志。這些模擬研究擴大了地震成像的有效信息量,增強了對研究區(qū)域海洋地質(zhì)災害地質(zhì)結(jié)構(gòu)與物性真實分布的認識,提高了后期反演結(jié)果的分辨率和可靠性。最后,我們將這些方法應用于近岸工程的勘察實踐中,應用單、多道地震,以及多波束測深、側(cè)掃聲吶和淺地層剖面等現(xiàn)階段主流海洋地球物理探測技術(shù),對典型地質(zhì)災害進行探測,分析總結(jié)了多種聲學探測技術(shù)方法,指出了其適用范圍和條件,以及實際應用過程中的注意事項。例如,地層剖面儀能夠探測海底以下沉積物性質(zhì)和地層結(jié)構(gòu)特征,穿透深度能達幾十米至幾百米,其縱向和橫向的分辨率可達0.2米。得出了一些有益的結(jié)論,為海洋地質(zhì)災害勘察提供了重要的科學研究手段,有利于提高工程勘察效率、降低勘察成本,對海洋地質(zhì)災害研究具有重要科學價值。
【學位授予單位】：吉林大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：P631.4;P694;P75

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本文編號：1303207