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基于波场分离的高频面波波形反演研究

胡悦  
【摘要】:城镇化是人类社会现代化发展的必然趋势。在未来的10年里,中国城镇化进程将以其历史上最高的速度运行。中国城镇化对地下空间的需求极大。如能在我国现阶段城镇化发展对环境的影响和破坏尚未达到无法控制之前,深入研究和利用高频面波方法,有效探测、检测和监测与人类生存息息相关的浅地表环境,为城镇发展提供科学观测数据,无疑对促进我国社会的高速可持续发展至关重要。浅地表地球物理方法在合理开发、综合利用和有效保护地下空间的应用中面临诸多理论和实际问题。随着浅层勘探方法的不断发展,如何提高地震反演的精度,精确的刻画浅地表地下结构已成为浅层勘探亟待解决的问题。瑞雷波和勒夫波多道分析方法(MASW和MALW)均是基于频散曲线的反演获得地下S波速度结构。由于频散曲线正演基于水平层状模型假设,瑞雷波和勒夫波多道分析方法均仅适用于水平层状模型及横向S波速度缓变的地球模型。这被视为目前高频面波方法发展的一个重要局限。另一个问题是频散曲线模式的正确识别,如泄漏波和“模式接吻”的存在,实际资料处理中,如没有其它资料对模型的限制,频散曲线模式的正确识别几乎是不可能的。对于含有软夹层、起伏地表等较为复杂的地球模型,频散曲线的提取将变得十分困难。因此,全波形反演(FWI)方法作为地球物理界的一个新的研究热点,吸引了越来越多的数学家以及地球物理学家的关注。它是一种基于全波场模拟技术的数据拟合反演方法,利用地表观测的地震波场直接反演地下介质的参数,比如纵横波速度、密度、衰减因子、各向异性参数等。由于它利用了地震波场的运动和动力学两方面信息,相比传统的地震反演方法,能更加真实地揭示复杂地质背景下构造细节及储层信息。波形反演不受层状模型假设的约束,通过直接拟合实测地震波波形来获取浅地表横波速度,不依赖于频散曲线的拾取,适用于大多数地球模型,从而突破了现行高频面波方法的局限及困难。尤其是面波的能量较强,基于面波的波形反演潜力极大。目前对于模型参数较少的勒夫波波形反演已证明这一点。由于瑞雷波是P波和SV(横波垂直分量)波沿自由表面传播时相互迭加而形成的,因此瑞雷波不仅与S波速度有关,还与P波速度有关,较多的模型参数使得瑞雷波波形反演的结果对初始模型依赖度极高,非唯一性增加,因此实际应用效果受到限制。为使得瑞雷波波形反演的结果在地质意义上合理,通常的做法是假定P波速度已知,以提高反演过程的稳定性和减少解的非唯一性。这种假定对于横向P波速度扰动不大的模型是可以接受的。但近年来高频面波的实践表明,对于含异常体(具有较大的速度差)的浅地表速度模型这种假定不成立。地下空间合理开发、综合利用和有效保护所面对的众多浅地表速度模型正是这种含异常体(具有较大的速度差)的介质。虽然S波速度是影响瑞雷波最主要因素,P波速度影响相对较小,但是对于体波影响较严重的实际高频地震资料,若假设成已知量的P波速度偏离真值较远,会造成反演过程的极不稳定。因此,在瑞雷波波形反演过程中,如何确定相对准确的P波速度仍有待解决。在没有其它资料对地球模型进行约束时,提高地球物理资料反演稳定性和减少解的非唯一性的有效手段无非是减少模型参数(自我约束)。对瑞雷波的研究表明,一般而言,除S波速度外,P波速度也是影响瑞雷波的参数之一。尽管P波速度对瑞雷波的影响只是S波速度的20%左右,但在瑞雷波全波形反演中的影响不容忽视。如果将P波速度也作为未知参数参与瑞雷波全波形反演,无法保证反演模型的可靠性。因此,实际应用中,通常假定P波速度是已知的。如能在反演瑞雷波获取S波速度结构之前,利用瑞雷波本身含有的体波信息提取相对准确的P波速度,然后在反演瑞雷波获取S波速度结构过程中将其设为已知参数,则将有效提高反演的稳定性和反演模型的可靠性。对于瑞雷波全波形反演而言(未知变量多),更是如此。本论文的主要研究内容是将瑞雷波全波形反演分为两步。第一,研究将垂向分量地震记录中体波和面波分离的有效和高精度方法,将面波从地震记录中分离,利用声波波形反演来反演分离后的体波,获取P波速度结构。第二,将反演体波获取的P波速度结构作为已知参数,利用瑞雷波波形反演达到获取S波速度结构的目的。由于在瑞雷波波形反演中,P波速度已知,模型受到约束,减少了模型参数,从而降低瑞雷波反演的多解性,提高反演过程的稳定性。本文的主要研究内容以及成果包括:(1)分析了弹性波全波形反演(P-SV波)不同参数之间的串扰,由于S波在面波记录中占有主要部分,分析结果表明S波模型对P波和密度反演的影响较大,多参数弹性波波性反演可以较好的恢复S波速度结构,对P波速度和密度恢复效果较差。但是尽管P波速度的反演效果较差,P波速度仍然是影响瑞雷波波形反演的重要原因。为了进一步证明P波速度对反演结果的影响,分别设置了准确的初始P波速度和不准确的初始P波速度,比较了反演获取的S波速度模型,结果表明,设置准确的初始P波速度对获取较高精度的S波速度模型具有重要的意义。同时,分别设置了准确的初始密度模型和不准确的初始密度模型,比较了反演获取的S波速度模型,结果表明,相比P波速度而言,初始密度模型对反演获得的S波速度影响较小。因此,如何在瑞雷波波形反演之前,确定相对准确的初始P波速度至关重要。(2)利用高分辨率线性Radon变换将地震数据从时间-空间域变换到频率-速度域。在频率-速度域中,由于速度和频率的双重差异,体波和面波几乎完全分离,通过滤波,实现提取高精度体波(或面波)。通过逆变换将频率-速度域体波反变换到时间-空间域,获得体波记录。从而为基于声波波动方程的全波形反演提供资料。分离的体波资料几乎不含有面波信息,因此,基于声波波动方程的全波形反演结果可以为下一步基于P-SV波波动方程的瑞雷波全波形反演提供较为精确的初始P波速度模型。基于模拟和实际数据的研究结果表明,利用高分辨率线性Radon变换在频率-速度域中的体波和面波的分离效果优于目前已知的方法。基于模拟数据的研究结果表明,分离的体波和面波几乎同理论数据相同。(3)在声波全波形反演中,对于去面波后的体波数据,只将P波速度作为模型参数来进行反演。在没有S波影响的前提下,降低声波全波形反演对初始模型的依赖性,提高其反演过程的稳定性和结果的可靠性。对于模拟的断层模型,通过设置相对准确的P波速度(声波全波形反演结果),直接反演分离后得到的瑞雷波波形来获取浅层S波速度结构,结果表明,采用声波波形反演获取的P波速度模型作为初始模型,获得的S波速度结构精度较高。(4)分析了影响面波波形反演精度的几个主要的参数,比如排列长度,检波器个数,炮点个数,子波主频。对不同的排列长度,不同的检波器个数,炮点个数的模型进行了数值试验,通过比较恢复的S波速度模型,分析不同参数的影响。结果表明,分辨埋藏较深的异常体,需要较长的排列长度。当排列长度固定时,异常体的分辨能力同检波器和炮点的个数成正比。本论文利用面波能量较强这一特点,通过对高频瑞雷波波形反演的研究获取相对准确的浅地表P波和高精度的S波速度结构,为地下空间合理开发、综合利用和有效保护提供环境友好、高效和低成本的地球物理方法。本论文的成果旨在提高高频面波方法对浅地表复杂介质成像的精度,拓宽其适用范围,提高其在浅地表地球物理与岩土工程领域的应用价值。


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