分层介质半空间瑞利波模式分析和介质参数反演

【摘要】： 利用瑞利波信息反演层状半空间介质的性质和状态,是地震勘探、岩土工程、及超声检测领域关注的研究课题。本文由层状半空间瑞利波的实验数据,分析给出了层状半空间中瑞利波的传播模式和频散曲线,并进而利用基阶和(或)高阶模式瑞利波频散曲线反演了层状介质参数。本文分别用数值模拟和实验分析进行了深入的研究。 在数值模拟中,采用地震勘探中常用的爆炸点源激发产生的瑞利波,利用频率波数分析方法分析了层状半空间瑞利波的频散,考察了源检距,道间距,接收道数目等因素对频散曲线的影响,给出了这些参数的定量要求。研究表明频率波数分析方法得到的频散曲线和按激发强度占主导的模式随频率的变化而形成的跳跃频散曲线一致。对于速度递增的层状半空间,反演时可以仅考虑基阶模式的瑞利波频散曲线,对于含有低速层的层状半空间,则必须考虑模式跳跃后形成的“之”字形频散曲线。在用遗传算法反演介质参数时,也必须考虑激发强度占主导地位的模式随频率的变化,从而恰当地设计目标函数,才能得出对层状介质参数的正确反演。 在超声实验中,用表面圆形法向力源激发的瑞利波,对三个层状半空间模型,即均匀半空间,速度递增的两层半空间,含低速层的三层半空间,利用我们实验室自行研制的数字式多通道发射和接收系统,进行了超声探测实验。通过对实验得到的多道瑞利波信号,利用频率波数分析的方法得到了和理论结果一致的实验频散曲线,并基此利用遗传算法实现了层状介质参数的正确反演,得到了和实际介质参数相符的反演结果。 数值模拟和实验研究的结果均表明,由实验数据正确给出频散曲线和相应的采用遗传算法发展的适合层状半空间介质的反演方法,是一种优良的反演方法,一般可以找到全局的最优解。获得介质性状较好反演结果的原因,是因为我们首次考虑到了由激发强度决定的占主导地位的模式随频率的变化规律,对应地我们建立了爆炸点源和表面法向力源激发下,分层半空间多模瑞利波模式分析及频散曲线获取和介质参数反演的系统方法。 此外,本文最后为了与频率波数分析的结果进行对比,研究了时频分析方法-魏格纳维尔分布,用数值模拟和实验结果分析了层状介质中瑞利波的频散曲线。