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基于地脉动的近地表三维速度结构探测和建模成像

师黎静  
【摘要】: 场地条件对地震动和震害有十分显著的影响,相关研究一直是工程地震和地震学领域的重要内容。地震动研究中的众多疑难问题归根结底是由于对场地条件缺乏了解造成的。利用地脉动观测推断工程场地近地表三维速度结构,会为地球科学这一分支的发展提供有力的技术手段。本文利用地脉动方法进行场地近地表三维速度结构探测与建模成像研究,主要取得了如下成果。 1.发展了一套适用于不同工况下的利用瑞利波频散曲线推算剪切波速度结构的免疫启发遗传反演策略,以浮点数编码、轮盘赌选择、实数均匀交换与变异算子相互匹配为基本遗传反演框架,以免疫启发为局部搜索强化策略,免重复计算为加速策略,多次运行,经模拟退火算法局部化后取最优为最终结果。 借助虚拟反演思路,通过对各种遗传算子和编码方式不同匹配方式的比较研究,指出对于频散曲线反演浮点数编码与轮盘赌选择的匹配方式离线性能最好,提出利用浮点数编码、轮盘赌选择、浮点数均匀交换与变异算子匹配组成基本遗传算法框架。 本文算法在基本遗传框架基础上施加了免疫启发策略和免重复计算加速策略。前者充分利用最佳个体的信息加速进化进程,通过对每代的最佳个体施加一服从标准正态分布的随机数来加强对邻近区域的局部搜索,同时通过标准差的调整也兼顾了对邻近区域以外区域的搜索,将局部搜索和全局搜索有机地结合起来,最大限度地降低了对遗传算法自身进化进程的干扰;通过施加免重复计算策略,大大减少了正演计算次数,节约了计算成本,提高了反演效率。 通过对复杂工况的分析,指出了等厚薄层策略的不足,设计了固定层数、以土层厚度和波速为待反演参数的策略。同时,建议了多次运行,对每次运行结果继续施加模拟退火算法使其至少达到局部最优,最后取最优解的作法,避免了多次平均法的缺陷,提高了反演结果的稳定性和精度,降低了非唯一性。 2.提出了一种多个场地联合、地脉动台阵方法和单点谱比法联合的区域速度结构探测方法,设计了多个子群体同步独立进化,定时交换进化成果的伪并行遗传反演策略。 针对区域近地表三维速度结构的探测,提出了地脉动联合反演方法。联合反演包含多场地的联合、地脉动台阵方法与单点谱比法的联合。多场地联合反演,假设所有场地相应土层具有相同的剪切波速,考虑了各场地土层结构的共性和生成上的联系,同时减弱了单个场地观测、频散曲线提取和反演等误差的影响;各土层的剪切波速和在每个场地中的厚度通过台阵方法和单点谱比法联合反演获得,充分利用单点谱比的基阶频率信息与覆盖层厚度的良好对应关系,弥补了台阵方法对基岩深度不敏感的弱点,很好地反映了每个场地的自身特殊性。 联合反演中利用了已达成共识的基阶卓越周期,比已有研究中采用有争议的瑞利波椭圆率要更为合理。 针对联合反演中,反演参数大幅增加,反演效率降低和多解可能性增加等问题,设计了伪并行遗传反演方法,采取多个子群体同步进化,运行参数各不相同,对解空间“探测”和“开采”各有侧重,充分保持了种群的多样性,有效降低了早熟现象的发生。同时,子群体相互之间还定时交换最新进化成果,提高了反演效率。 3.建立了一种根据分布稀疏且不均匀的探测数据进行区域场地近地表三维速度结构成像的双调和格林张力样条函数方法和克里金方法相结合的两步空间预测方法,根据地脉动探测数据实现了唐山及周边地区近地表三维速度结构成像。 本文发展了两步空间预测方法。首先,固定各土层的平均波速,利用双调和格林函数作为样条函数进行研究区域各土层间界面的空间预测,保证界面的相对光滑性;提出了一种基于地脉动单点谱比法的张力系数确定方法,在充分利用地脉动单点谱比信息的同时避免了张力系数取值的随意性。第二步,利用克里金方法深刻发掘速度结构作为区域化变量的变异本质,充分考虑结构特性,通过高精度的空间外推和预测,很好地模拟了界面间速度结构的空间连续分布格局,最终形成空间二维、三维体精细结构模型。这种两步空间预测方法,充分考虑了场地速度结构自身区域化变量特点和地脉动探测数据相对稀疏和分布不均匀的特点,除用于地脉动探测成果外,还可以方便地吸纳其它各种方法速度结构探测的成果。 4.通过参加ESG2006盲比测验、唐山26个联合观测场地的数据分析,与国际领先的地脉动和表面波谱分析方法的比较验证,评价了本文发展的地脉动分析方法的测试精度,通过对结果的分析,得出诸多有益结论和认识。作为一种在实践中发展起来的方法,在实用中检验是至关重要的。通过在唐山26个场地与表面波谱分析方法的国际领先水平比较和参加ESG2006组织的盲比测验,全面地检验了本文整套方法的精度。结果表明,不论人工合成记录还是实际观测记录,不论是速度还是加速度记录,本文方法得到的场地瑞利波频散曲线,均能够为后续反演研究提供可靠的目标曲线;可以根据仪器实际情况自由选择观测加速度或速度。人工合成数据分析中,有两例频散曲线受到了高阶振型影响,在实际观测数据中影响不明显。通过对前人结论的分析,结合唐山26个场地和ESG2006盲比测验结果,提出空间自相关方法的可探测波长范围为Rm in λ 4Rmax,为观测台阵的设计提供了指导依据。反演的速度结构可以达到与目前工程勘察中广泛应用的表面波谱分析方法的国际领先水平相同的精度,且在探测深度上有优势。 总之,本文从频散曲线提取、反演策略和三维速度结构成像等三方面入手,先分头研究,再整合提高,发展了一套完整的场地近地表三维速度结构的地脉动探测和成像方法。


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