起伏地形瑞雷波频散能量和传播特性研究

论文摘要

瑞雷波（Rayleigh waves）是纵波（P-waves）和横波的垂直分量（SV-waves）相互干涉形成的一种沿着自由界面传播的地震面波。它具有能量强、频率低、速度低、沿水平方向衰减慢和在非均匀介质中频散等特点。利用这些特点发展出各种瑞雷波勘探方法。这些方法具有无损、环境友好、低成本和高效等优势,在工程地质和无损检测等方面发挥着非常重大的作用。目前,应用较为广泛的瑞雷波勘探方法是面波多道分析（Multi-channel Analysis of Surface Waves,MASW）方法。该方法有效地填补了浅地表横波速度结构成像方法的空缺,在岩土工程和工程地质等领域有着重要的意义。水平层状介质模型的假设是MASW方法的应用前提,但实际地层极其复杂,地表并非完全水平。因此,起伏地形对瑞雷波传播的影响引起了浅地表地球物理学者的关注。先前的研究焦点主要集中在起伏自由界面上瑞雷波的传播,但尚未定量研究起伏地形的变化幅度对瑞雷波传播特性的影响。为了拓展瑞雷波勘探方法在起伏地形区域中的应用,研究起伏地形对瑞雷波传播的影响具有重要的意义。本文通过数值模拟的手段,研究二维起伏地形模型中瑞雷波的频散能量分布特性和传播特性,进一步完善瑞雷波在起伏地形上的传播理论。本文在调研总结瑞雷波波场理论、瑞雷波频散曲线正演算法、频散曲线提取方法、以及弹性波波场分离方法研究现状的基础上,针对当前起伏地形瑞雷波传播研究中存在的不足,设计高斯凹陷和隆起地形半空间模型,研究了起伏地形瑞雷波频散能量和传播特性。本文在前人提出的起伏地表下瑞雷波交错网格有限差分法的基础上,加入波场分离技术,较为详细地研究了两类经典二维起伏地形上瑞雷波的传播特性。对于二维高斯起伏地形模型,研究对比了起伏地形上采取不同形式偏移距（水平偏移距和实际路径偏移距）的地震记录与瑞雷波频散能量成像的效果,并将瑞雷波频散能量与地表水平均匀半空间模型得到的理论频散曲线进行比较;分析了瑞雷波在P波和S波波场分离后的能量转换问题。研究结果表明:1、随着起伏地形变化幅度的增加,瑞雷波频散能量出现断裂和分叉的现象愈严重;2、在数值模拟过程中,在凹陷地形上使用实际路径偏移距可以获得较好的瑞雷波频散能量成像效果,而对于隆起地形则应使用水平偏移距;3、当凹陷地形的深度与瑞雷波主波长的比值小于0.5且凹陷地形的水平跨度大于主波长时,瑞雷波相速度同水平地形的相速度的相对差异小于8%;当隆起地形的高度与瑞雷波主波长的比值小于0.5且隆起地形的水平跨度大于主波长时,瑞雷波相速度同水平地形的相速度的相对差异小于17%;4、对于水平和倾斜自由界面半空间模型,波场分离模拟结果表明,弹性波波场分离的模拟精度高。从结果分析可知,由瑞雷波转换成S波的能量强于由瑞雷波转换成P波的能量,参与转换的S波能量的比例大于参与转换的P波能量的比例。

论文目录

• 作者简历
• 摘要
• abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 选题的目的与意义
•   1.2 国内外的研究现状及存在的问题
•     1.2.1 瑞雷波波场理论正演研究
•     1.2.2 瑞雷波频散曲线正演算法
•     1.2.3 瑞雷波频散曲线提取方法
•     1.2.4 弹性波波场分离数值模拟
•   1.3 主要研究内容和创新点
•     1.3.1 论文的主要研究内容
•     1.3.2 论文的创新点
• 第二章 瑞雷波传播机制理论
•   2.1 均匀半空间瑞雷波的形成
•   2.2 瑞雷波的传播特征
•     2.2.1 瑞雷波的质点振动
•     2.2.2 瑞雷波穿透深度与波长的关系
•     2.2.3 瑞雷波与横波速度和泊松比的关系
•     2.2.4 瑞雷波的衰减
•     2.2.5 瑞雷波的频散
• 第三章 起伏地表模型瑞雷波传播正演模拟和波场分离方法
•   3.1 二维P-SV弹性波方程推导
•   3.2 二维P-SV波动方程有限差分基本原理
•     3.2.1 时间上的2M阶差分近似
•     3.2.2 空间上的2N阶差分近似
•     3.2.3 P-SV弹性波动方程交错网格高阶有限差分格式
•   3.3 边界条件的设定
•     3.3.1 自由表面边界条件
•     3.3.2 吸收边界条件
•   3.4 稳定性条件
•   3.5 瑞雷波频散曲线正演
•   3.6 一阶速度-应力弹性波波场分离方程
•   3.7 参数的设置和算法精度测试
•     3.7.1 模拟参数设置
•     3.7.2 起伏地形瑞雷波有限差分算法精度测试
•     3.7.3 起伏地形瑞雷波传播波场分离算法精度测试
• 第四章 起伏地表模型对瑞雷波频散能量的影响
•   4.1 地表水平均匀半空间模型模拟结果分析
•   4.2 二维含高斯凹陷地形半空间模型模拟结果分析
•   4.3 二维含高斯隆起地形半空间模型模拟结果分析
•   4.4 二维含高斯凹陷隆起组合地形半空间模型模拟结果分析
• 第五章 起伏地表模型中偏移距对瑞雷波频散能量的影响
•   5.1 高斯凹陷地形半空间模型模拟结果分析
•   5.2 高斯隆起地形半空间模型模拟结果分析
• 第六章 起伏地表模型中瑞雷波的能量转换
•   6.1 地表水平均匀半空间模型模拟结果分析
•     6.1.1 波场快照分析
•     6.1.2 波形曲线分析
•   6.2 高斯凹陷地形半空间模型模拟结果分析
•     6.2.1 波场快照分析
•     6.2.2 波形曲线分析
•   6.3 高斯隆起地形半空间模型模拟结果分析
•     6.3.1 波场快照分析
•     6.3.2 波形曲线分析
• 第七章 结论与展望
•   7.1 结论
•   7.2 展望
• 致谢
• 参考文献

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 宁玲

导师: 夏江海

关键词: 瑞雷波,起伏地形,频散能量,传播特性

来源: 中国地质大学

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

分类号: P631.4

DOI: 10.27492/d.cnki.gzdzu.2019.000003

总页数: 103

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