本文關鍵詞：高頻面波的靈敏性分析及其反演方法的研究

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【摘要】：瑞雷波和拉夫波是沿自由界面?zhèn)鞑サ膬煞N基本形式的面波。瑞雷波是P波和SV波在自由界面處干涉形成的,而拉夫波是由層內的SH波多次反射和干涉后的結果。由于高頻面波方法具有非破壞性、非侵入性、低成本和高精度的特點,它在解決淺地表地質和地球物理問題中應用廣泛。相對于瑞雷波勘探,人們對拉夫波勘探方法的研究較少,這是由于野外激發(fā)SH波數據比激發(fā)P波數據更困難。隨著科學技術的發(fā)展,現在已能獲得寬頻段(1 Hz-1000 Hz)的拉夫波數據,拉夫波勘探方法的研究逐漸受到淺地表地球物理學家的關注。基于水平層狀介質的假設,瑞雷波的相速度取決于頻率和四組參數(每層的縱波速度、橫波速度、密度和層厚)。與瑞雷波不同,拉夫波的相速度函數只由頻率和三組參數(每層的橫波速度、密度和層厚)構成的。由于拉夫波的相速度與縱波速度無關,所以高頻拉夫波方法具有幾個突出的優(yōu)勢：(1)拉夫波的相速度頻散曲線的形態(tài)比瑞雷波的更簡單；(2)拉夫波的頻散能量更清晰,且具有較高的分辨率；(3)相對于瑞雷波相速度頻散曲線的反演,拉夫波相速度頻散曲線的反演對初始模型的依賴程度較小,反演也更穩(wěn)定。鑒于瑞雷波和拉夫波的特殊性質及其在淺層勘探研究中的重要性,開展高頻瑞雷波和拉夫波的靈敏性分析及其頻散曲線的聯合反演方法的研究,以及解決高頻面波方法中水平分辨率較低的問題顯得極為重要。本文采用理論分析和實際應用相結合的研究方法,合理地設計理論模型,探究不同水平層狀介質中瑞雷波和拉夫波的傳播特點,根據應用實例驗證高頻面波(瑞雷波和拉夫波)方法的適用性。通過對若干種典型的地球模型中瑞雷波和拉夫波相速度頻散曲線的靈敏性分析,為獲得淺地表準確的橫波速度結構奠定了基礎。文獻調研表明,高頻面波方法中得到的一維橫波速度剖面反映了檢波器排列中點的平均橫波速度,所以該方法獲得的橫波速度的水平分辨率較差。因此,使用面波層析成像(即面波旅行時反演)的方法提高水平方向上相鄰兩道間橫波速度精度的方法是必要的。論文的主要研究內容包括：(1)根據三種典型的地球模型(速度遞增模型、含低速夾層模型和含高速夾層模型),分析多模式瑞雷波和拉夫波相速度頻散曲線的形態(tài)。(2)計算各階模式瑞雷波和拉夫波相速度頻散曲線關于不同地層橫波速度的敏感度,探究含速度異常夾層模型中速度異常夾層對面波靈敏性的影響,并為獲得較高精度的反演橫波速度結果提供理論支持。(3)比較各階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異。(4)在各向同性層狀介質和徑向各向異性介質中,提出瑞雷波和拉夫波相速度頻散曲線的聯合反演方法。討論面波(瑞雷波或拉夫波)頻散數據缺失和含速度異常夾層模型反演的問題,研究如何利用瑞雷波和拉夫波的相速度頻散曲線的聯合反演方法獲得精確的橫波速度。通過一個實例驗證聯合反演方法的正確性和穩(wěn)定性。(5)利用面波旅行時層析成像的方法提高面波方法的水平分辨率,通過理論模型和實例驗證該方法的實用性。本文以高頻瑞雷波和拉夫波為研究對象,對兩種面波頻散特性、勘探深度、反演方法和水平分辨率進行了系統(tǒng)的研究,并獲得了如下主要結論：(1)選取三種典型的地球層狀模型(速度遞增模型、含低速夾層模型和含高速夾層模型)繪制多模式瑞雷波和拉夫波的相速度頻散曲線。通過對三種典型的地球模型中各階模式瑞雷波和拉夫波的相速度關于不同地層的橫波速度的靈敏性分析得出：①某一特定頻率的相速度對不同深度的橫波速度的敏感度不同；無論是瑞雷波還是拉夫波,表層的敏感性頻段占據了整個高頻部分,且隨著深度的遞增,深部地層的敏感性頻段變得更窄。②速度遞增模型中,隨著面波模式階次的增加,面波的敏感性增加(二階高階模式波一階高階模式波基階模式波),高階模式面波的加入可拓寬橫波速度敏感性的頻帶范圍,因此在速度遞增模型中加入高階模式面波可提高反演精度。③含低速夾層模型中,基階模式面波和高階模式面波均表現為對低速夾層的橫波速度敏感,然而對于低速夾層以下地層的橫波速度敏感性較低。④含高速夾層模型中,各階模式面波對高速夾層及高速夾層以下地層橫波速度的敏感性較低。⑤相同地層中,瑞雷波和拉夫波的靈敏性的頻段范圍不同,因此可以考慮聯合瑞雷波和拉夫波反演以獲得精確的地下橫波速度結構。(2)利用雅克比矩陣的歸一化行向量探究高頻瑞雷波和拉夫波的勘探深度與波長的關系。模擬結果表明不同模式的面波的敏感性范圍不同,表現為長波長分量對深層敏感,短波長分量對淺層敏感；對于相同波長,高階模式波比基階模式波的勘探深度深�；A模式瑞雷波比基階模式拉夫波勘探深度深；而高階模式的瑞雷波和拉夫波可勘探到相同深度。根據理論模型定量分析瑞雷波和拉夫波的勘探深度,相同波長的基階模式瑞雷波的最大勘探深度是基階模式拉夫波勘探深度的1.3—1.4倍。(3)在各向同性介質中,利用兩層介質模型和多層介質模型測試瑞雷波和拉夫波相速度頻散曲線的聯合反演方法的正確性和有效性。通過分別在理論模型計算的相速度頻散曲線上加載10%和20%不同信噪比的隨機白噪聲,驗證該方法的抗噪能力。由于瑞雷波或拉夫波的頻散數據缺失時將導致瑞雷波或拉夫波相速度單獨反演得到的橫波速度的精度較低,因此本文提出利用瑞雷波和拉夫波的相速度頻散曲線的聯合反演提高反演橫波速度結果的精度�？紤]到異常夾層的影響,導致含速度異常夾層模型中某些地層的靈敏性較低,造成該層反演得到的橫波速度的不準確,同時由于含速度異常夾層模型中瑞雷波和拉夫波相速度頻散曲線對相同地層的橫波速度的靈敏性的頻段范圍不同,通過理論模型證實了瑞雷波和拉夫波相速度頻散曲線的聯合反演方法可有效提高反演得到的橫波速度的精度。(4)相對于各向同性介質,在徑向各向異性介質中瑞雷波和拉夫波相速度頻散曲線聯合反演的目標函數中增加了模型差異的約束項。本論文設計一個橫波速度徑向各向異性的六層模型,并用瑞雷波和拉夫波相速度頻散曲線的聯合反演方法進行理論模型試算,再結合實測資料驗證聯合反演方法的有效性。(5)本文提出面波旅行時反演的方法提高面波方法的水平分辨率。首先利用相位掃描的互相關方法,計算面波的多道記錄中相鄰兩道之間的相速度頻散曲線；然后計算測量得到的面波旅行時；根據面波旅行時層析成像,獲得不同網格內的高分辨率的純路徑頻散曲線；最后,將所有目標網格內的純路徑頻散曲線反演得到研究區(qū)域的擬二維橫波速度結構。面波旅行時層析成像的方法可準確地提取炮集記錄中任意相鄰兩道之間的頻散曲線,同時該方法具有一定的抗噪能力。理論模型和實際資料都證實了面波旅行時的層析成像方法可有效提高面波方法的水平分辨率。
【學位授予單位】：中國地質大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：P631.4

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本文編號：1291983