F-K域多尺度瑞雷面波全波形反演

论文摘要

瑞雷面波具有低频、强能量和频散特性,对地下介质中横波速度敏感,利用面波测量浅层横波速度结构,在浅表勘探领域有了广泛的应用。在频率—波数（Frequency-Wavenumber,F-K）谱或频率—速度谱中提取瑞雷波的频散曲线,反演该曲线可以得到地下介质的弹性参数,受限于水平层状假设,面波频散反演得到伪二维速度结构,在横向上分辨率不足,难以满足浅地表精细探测与无损检测需求。本文利用瑞雷面波波形信息,采用全波形反演方法来获得地下横波速度结构。瑞雷面波全波形反演是强非线性问题,本文在F-K域构建反演目标函数,该目标函数具有更宽的全局最小范围。利用交错网格有限差分对一阶弹性波波动方程近似,采用完全匹配层（PML）和镜像法对边界条件进行处理,实现瑞雷面波波场的正演模拟;将地震数据进行二维傅里叶（Fourier）变换至F-K域,利用F-K域振幅谱数据构建目标函数梯度算子;并通过拟牛顿方法对模型参数进行迭代求解,得到最优的反演速度结构。初始模型是全波形反演的关键参数,本文基于面波数据频散曲线的速度值,进行光滑处理设定初始模型,缓解了反演中周期跳跃问题。为了避免面波波形反演陷入局部极小值,采用了分步骤、多尺度策略,面波对近地表横波速度最为敏感,横波速度作为反演的模型参数,由经验表达式换算纵波波速和密度;基于已知的背景速度信息,反演过程中采用不同的频率分尺度方案,可以逐步重构高分辨率的速度结构,且使反演过程稳定。为了验证本文F-K域瑞雷面波波形反演方法的可行性,分别对水平层状模型、软夹层模型、倾斜地层模型反演试算。结果显示该方法能较好地重建横波速度结构,准确分辨纵向强变速界面;对于横向变速模型,能够实现横向变速结构的精确刻画,得到高分辨率的近地表速度二维成像。该方法对简单的初始速度能很好地收敛,且具有较好地抗噪性。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 研究背景与意义
•   1.2 国内外研究现状
•     1.2.1 地震面波频散曲线提取方法
•     1.2.2 地震面波频散曲线反演方法
•     1.2.3 地震面波波形反演方法
•   1.3 本文工作内容与各章安排
• 第2章 瑞雷面波特征与正演理论
•   2.1 面波及其特性
•     2.1.1 瑞雷面波的频散特性
•     2.1.2 瑞雷面波能量的衰减
•   2.2 弹性波一阶速度—应力方程
•     2.2.1 柯西方程
•     2.2.2 运动微分方程
•     2.2.3 本构方程
•   2.3 弹性波交错网格有限差分格式
•   2.4 震源子波形式
•   2.5 边界条件的实现以及稳定性分析
•     2.5.1 吸收边界条件
•     2.5.2 自由地表的实现
•     2.5.3 数值稳定性
•   2.6 瑞雷面波波场模拟
•   2.7 本章小结
• 第3章 瑞雷面波波形反演基本理论与反演策略
•   3.1 F-K域瑞雷面波波形反演目标函数
•   3.2 梯度推导
•     3.2.1 弹性波一阶速度—应力方程形式梯度介绍
•     3.2.2 F-K域振幅谱形式目标函数梯度介绍
•   3.3 迭代步长的估计
•   3.4 反演数据准备与反演策略
•     3.4.1 初始模型
•     3.4.2 多尺度瑞雷面波全波形反演方法实现
•   3.5 本章小结
• 第4章 瑞雷面波全波形反演模型测试
•   4.1 水平层状模型
•   4.2 低速夹层模型
•   4.3 倾斜地层结构模型
•   4.4 隧道仰拱混凝土模型
•     4.4.1 单一位置不密实填充模型
•     4.4.2 多位置不密实填充模型
•   4.5 抗噪性分析
•   4.6 本章小结
• 第5章 结论与展望
•   5.1 本文主要结论
•   5.2 展望
• 致谢
• 参考文献

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 周云腾

导师: 张致付,刘春园

关键词: 瑞雷面波,波形反演,多尺度

来源: 中国地质大学(北京)

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 地质学,地球物理学,矿业工程

单位: 中国地质大学(北京)

分类号: P631.4

DOI: 10.27493/d.cnki.gzdzy.2019.001421

总页数: 65

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