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        Rayleigh面波各階模式頻散曲線對(duì)橫波速度和層厚的敏感性探討

        2011-10-17 08:40:18張明財(cái)熊章強(qiáng)張大洲劉白璐
        物探化探計(jì)算技術(shù) 2011年2期
        關(guān)鍵詞:面波橫波高階

        張明財(cái),熊章強(qiáng),張大洲,劉白璐

        (中南大學(xué) 信息物理工程學(xué)院,湖南長沙410083)

        Rayleigh面波各階模式頻散曲線對(duì)橫波速度和層厚的敏感性探討

        張明財(cái),熊章強(qiáng),張大洲,劉白璐

        (中南大學(xué) 信息物理工程學(xué)院,湖南長沙410083)

        Rayleigh面波勘探的目的在于有效利用頻散曲線反演地層厚度及橫波速度,而不同模式的頻散曲線對(duì)橫波速度和層厚的敏感性不同。通過求取介質(zhì)參數(shù)變化10%后與參數(shù)不變化時(shí)的二組頻散曲線的差值,得到各階模式的頻率~相速度差曲線,分析了Rayleigh面波各模式頻散曲線對(duì)橫波速度、層厚的敏感性。試驗(yàn)結(jié)果表明,基階模式對(duì)于淺層的橫波速度和層厚比較敏感,敏感區(qū)域主要集中在較窄的頻帶范圍內(nèi)。而高階模式對(duì)于相對(duì)較深層的橫波速度和層厚比較敏感,且頻率范圍分布較大,敏感性強(qiáng)的頻段分布比較分散。研究結(jié)果可以為Rayleigh面波多模式聯(lián)合反演提供理論依據(jù)。

        Rayleigh面波頻散曲線;橫波速度;層厚;敏感性

        作者在本文以三層速度遞增模型為例,從頻率-相速度差的角度,分析探討了Rayleigh面波各階模式頻散曲線對(duì)橫波速度和地層層厚的敏感性。其具體分析方法為:首先利用快速標(biāo)量傳遞矩陣算法(凡友華[16])計(jì)算出給定模型的頻散曲線,然后將其中一個(gè)介質(zhì)參數(shù)改變10%,而其余參數(shù)不變,再次計(jì)算出參數(shù)變化后的頻散曲線,將二次計(jì)算出的對(duì)應(yīng)的各階模式相減,即得到頻散曲線各階模式的頻率~相速度差曲線。頻率~相速度差曲線能夠很好地反映參數(shù)變化前后各階模式的頻散曲線的變化,即各階模式對(duì)于變化的參數(shù)的敏感性。

        1 對(duì)橫波速度的敏感性

        SNazarian[17]認(rèn)為,均勻?qū)訝罱橘|(zhì)中Rayleigh面波的相速度,是頻率和四個(gè)地層參數(shù),即橫波速度、縱波速度、層厚、密度的非線性函數(shù),可用隱函數(shù)方程表示為:

        式中fj表示第j個(gè)頻率;VRmj表示第j個(gè)頻率,第m階模式的相速度;VS=(vs1,vs2,…,vsn)T表示橫波速度向量,其中vsi表示第i層的橫波速度,n表示模型層數(shù);VP=(vp1,vp2…,vpn)T、ρ=(ρ1,ρ2,…,ρn)T、H=(h1,h2,…,hn-1)T分別表示縱波速度向量、密度向量、層厚向量。

        在給定頻率及地層參數(shù)后,就可通過方程(1)求解出Rayleigh面波頻散曲線。

        由于快速標(biāo)量算法具有穩(wěn)定性好,計(jì)算速度快,精度高的特點(diǎn),作者采用該方法計(jì)算頻散曲線。取如表1所示的模型參數(shù),由快速標(biāo)量傳遞矩陣法計(jì)算得頻散曲線如圖1所示。從圖1可見,隨著頻率的增加(波長減小),Rayleigh面波各階模式的頻散曲線趨于表層的橫波速度。

        表1 三層模型參數(shù)Tab.1 Three layersmodel parameter

        圖1 三層模型頻散曲線Fig.1 Dispersion curve of three layersmodel

        1.1 第一層橫波速度變化

        將第一層的橫波速度增大10%(即變?yōu)?20 m/s),其它的參數(shù)不變,仍采用快速標(biāo)量傳遞矩陣法計(jì)算出其頻散曲線,由式(2)計(jì)算各階模式的相速度差異,即將各階模式的各個(gè)頻率對(duì)應(yīng)的相速度值相減,得到第一層的橫波速度變化后頻散曲線各階模式的頻率~相速度差曲線如圖2所示(為方便展示,只取基階模式和1階~4階高階模式)。

        分析圖2中各階模式的頻率~相速度差曲線可知:當(dāng)?shù)谝粚訖M波速度發(fā)生變化時(shí),基階模式對(duì)低頻段(約7 Hz~13 Hz)的相速度比較敏感。其它各階模式對(duì)第一層橫波速度的敏感區(qū)段比較寬,呈駝峰狀,出現(xiàn)兩個(gè)峰值:第一高階模式的兩個(gè)峰值區(qū)段分別為10 Hz~16 Hz和18 Hz~28 Hz;第二高階模式的兩個(gè)峰值區(qū)段分別為16 Hz~23 Hz和32 Hz~47 Hz;第三高階模式的兩個(gè)峰值區(qū)段分別為26 Hz~36 Hz和46 Hz~63 Hz;第四高階模式的兩個(gè)峰值區(qū)段分別為32 Hz~48 Hz和60 Hz~85 Hz。隨著模式的升高,相速度差第一個(gè)峰值對(duì)應(yīng)的頻率依次升高。且隨著頻率的增加,各階模式的相速度差峰值交替出現(xiàn),即依次出現(xiàn)基階模式相速度差第1個(gè)峰值,第一高階模式第1個(gè)峰值,第二高階模式第1個(gè)峰值,第一高階模式第2個(gè)峰值,第三高階模式第1個(gè)峰值,第二高階模式第2個(gè)峰值,第四高階模式第1個(gè)峰值,第三高階模式第2個(gè)峰值,第四高階模式第2個(gè)峰值。隨著頻率的增大,各階模式的相速度差先后都趨于恒定值20 m/s。

        1.2 第二層橫波速度變化

        將表1模型參數(shù)中第二層橫波速度(400m/s)增加10%,即變?yōu)?40 m/s后,再由式(1)計(jì)算出第二層橫波速度變化10%后的頻散曲線各階模式的頻率~相速度差曲線,如圖3(見下頁)所示。對(duì)比圖2、圖3不難發(fā)現(xiàn),各階模式的相速度差的最大值明顯減小(第一層橫波速度變化10%時(shí),相速度差趨于20 m/s,相速度差最大值大于80 m/s,而第二層橫波速度變化10%時(shí),各階模式的相速度差趨于0 m/s,相速度差最大值小于35 m/s),且頻率范圍也變窄(基階模式頻率范圍變?yōu)? Hz~11 Hz,第一高階模式頻率范圍變?yōu)?2 Hz~23 Hz,第二高階模式頻率范圍變?yōu)?3 Hz~33 Hz,第三高階模式頻率范圍變?yōu)?8 Hz~48 Hz,第四高階模式頻率范圍變?yōu)?0 Hz~60 Hz)。

        1.3 第三層橫波速度變化

        圖2 第一層橫波速度變化10%時(shí)各階模式頻率~相速度差曲線Fig.2 Frequency-phase velocity difference curve with the shear velocity of the first layer 10%changed

        圖3 第二層橫波速度變化10%時(shí)各階模式頻率~相速度差曲線Fig.3 Frequency-phase velocity difference curve with the shear velocity of the second layer 10%changed

        圖4 第三層橫波速度變化10%時(shí)各階模式頻率~相速度差曲線Fig.4 Frequency-phase velocity difference curve with the shear velocity of the third layer 10%changed

        將表1模型參數(shù)中第三層橫波速度(600m/s)增加10%,即變?yōu)?60 m/s后,由式(1)計(jì)算出第三層橫波速度變化10%后的頻散曲線各階模式的頻率~相速度差曲線,如圖4(見下頁)所示。隨著頻率的增大,各階模式的相速度差曲線急劇衰減;隨著階次的增高,各階模式的相速度差依次趨于恒定值0 m/s;隨著深度的增加,各階模式的頻散曲線對(duì)相速度的敏感區(qū)段向低頻段推移(第一層橫波速度變化時(shí),頻率高達(dá)100 Hz時(shí),各階模式的頻率~相速度差曲線尚未全部趨于恒定值;第二層橫波速度變化時(shí),頻率為80 Hz時(shí),各階模式的頻率~相速度差曲線全部趨于恒定值;第三層橫波速度變化時(shí),頻率為40 Hz時(shí),各階模式的頻率~相速度差曲線已經(jīng)全部趨于恒定值)。

        2 對(duì)層厚的敏感性

        2.1 第一層層厚變化

        將表1模型參數(shù)中第一層的層厚(10 m)增加10%,即變?yōu)?1 m后,由式(1)計(jì)算出第一層的層厚變化10%后的頻散曲線各階模式的頻率~相速度差曲線,如圖5(見下頁)所示。與第一層橫波速度變化時(shí)的各階模式的頻率~相速度差曲線相似,基階模式對(duì)低頻段(約6 Hz~12 Hz)的相速度比較敏感,其它各階模式對(duì)第一層橫波速度的敏感區(qū)段比較寬,呈駝峰狀,出現(xiàn)兩個(gè)峰值。第一高階模式的兩個(gè)峰值區(qū)段分別為6 Hz~9 Hz和18 Hz~26 Hz;第二高階模式的二個(gè)峰值區(qū)段分別為13 Hz~19 Hz和29 Hz~41 Hz;第三高階模式的二個(gè)峰值區(qū)段分別為23 Hz~33 Hz和40 Hz~57 Hz;第四高階模式的二個(gè)峰值區(qū)段分別為30 Hz~42 Hz和50 Hz~74 Hz。隨著模式的升高,相速度差第一個(gè)峰值對(duì)應(yīng)的頻率依次升高。且隨著頻率的增加,各階模式的相速度差峰值交替出現(xiàn)。

        2.2 第二層層厚變化

        將表1模型參數(shù)中第二層的層厚(10 m)增加10%,即變?yōu)?1 m后,由式(1)計(jì)算出第二層的層厚變化10%后的頻散曲線各階模式的頻率~相速度差曲線,如圖6所示。類似于橫波速度變化時(shí)的情形,各階模式的相速度差的最大值明顯減小(第一層的層厚變化10%時(shí),相速度差最大值大于60 m/s,而第二層的層厚變化10%時(shí),相速度差最大值小于15 m/s),頻率范圍也變窄(基階模式頻率范圍變?yōu)? Hz~9 Hz,第一高階模式頻率范圍變?yōu)? Hz~17 Hz;第二高階模式頻率范圍變?yōu)?1 Hz~26 Hz;第三高階模式頻率范圍變?yōu)?0 Hz~32 Hz;第四高階模式頻率范圍變?yōu)?8 Hz~40 Hz)。同時(shí)隨著深度的增加,各階模式的頻散曲線對(duì)相速度的敏感區(qū)段向低頻段推移(第一層的層厚變化,頻率高達(dá)100 Hz時(shí),各階模式的頻率~相速度差曲線尚未全部趨于恒定值;而第二層的層厚變化,頻率為50 Hz時(shí),各階模式的頻率~相速度差曲線已經(jīng)全部趨于恒定值)。

        圖5 第一層層厚變化10%時(shí)各階模式頻率~相速度差曲線Fig.5 Frequency-phase velocity difference curve with the depth of stratum of the first layer 10%changed

        圖6 第二層層厚變化10%時(shí)各階模式頻率~相速度差曲線Fig.6 Frequency-phase velocity difference curve with the depth of stratum of the second layer 10%changed

        3 結(jié)論

        (1)對(duì)比圖2和圖4;圖3和圖5可知:在同一地層中,Rayleigh面波各階模式的頻散曲線對(duì)橫波速度和層厚的敏感性的頻帶分布特征相似??傮w上,對(duì)橫波速度的敏感性強(qiáng)于對(duì)層厚的敏感性,且隨著層數(shù)的增加,對(duì)橫波速度的敏感性比對(duì)層厚的敏感性增強(qiáng)。

        (2)在表層,Rayleigh面波各階模式對(duì)深層的橫波波速和層厚的敏感性,隨著頻率的變化而起伏變化。頻率~相速度差曲線的單調(diào)區(qū)間較多,隨著層數(shù)的增加,起伏程度變?nèi)?,頻率~相速度差曲線的單調(diào)區(qū)間減少,最底層橫波速度變化后,頻率~相速度差曲線在截至頻率處便開始迅速衰減,最后趨于0 m/s。

        (3)基階模式的頻散曲線在低頻范圍內(nèi)比較敏感,且敏感的頻帶范圍較窄。如果單純地只利用基階模式反演頻散曲線,勢必會(huì)損失高頻范圍內(nèi)的信息,增加高頻范圍內(nèi)的不確定性,使反演工作很難開展。相對(duì)地,高階模式的敏感性強(qiáng)的頻率范圍分布比較大,且都分布在較高的頻率范圍內(nèi)。基階模式和高階模式聯(lián)合反演,可以減少頻散曲線分析時(shí)參數(shù)的不確定性,減少反演的多解性,提高反演結(jié)果的精度。

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        P 315.9

        A

        1001—1749(2011)02—0153—06

        0 前言

        “十一五”國家科技支撐項(xiàng)目(2006BAC07B00)

        2010-08-12

        張明財(cái)(1986-),男,碩士,主要研究方向:瑞雷面波正反演研究。

        Rayleigh面波憑借其衰減小,信噪比高,抗干擾能力強(qiáng),分辨率高,在層狀介質(zhì)中所具有的頻散特性以及傳播速度,與介質(zhì)的物理力學(xué)性質(zhì)有密切關(guān)系,在工程勘察和無損檢測中有著廣泛的應(yīng)用[1、2]。Rayleigh面波勘探的目的在于有效利用頻散曲線,反演地層厚度及橫波速度。傳統(tǒng)的頻散曲線反演都是基于基階模式的,沒有充分利用高階模式的頻散曲線,導(dǎo)致反演結(jié)果不甚理想。張碧星等[3]研究了層狀介質(zhì)中Rayleigh面波的能量分布,并得出結(jié)論:Rayleigh面波的能流密度隨深度的增加而很快衰減,能量分布在各階模式中,在某些頻率范圍內(nèi),高階模式的能量強(qiáng)于基階模式。這表明,以能量高低為標(biāo)準(zhǔn)提取的頻散曲線,并不一定是基階模式的頻散曲線。X Shuang等[4]特別指出:Rayleigh面波的模式識(shí)別錯(cuò)誤,可能會(huì)影響到反演結(jié)果的錯(cuò)誤。肖伯勛[5]對(duì)高模式的Rayleigh面波進(jìn)行了研究后認(rèn)為:高模式Rayleigh面波對(duì)地層參數(shù)變化的敏感性,較之基階模式波要強(qiáng)得多。在不同地層參數(shù)條件下獲取的Rayleigh面波的基階模式可能很相似,但高階模式的頻散曲線會(huì)有明顯差別。在分層介質(zhì)中,Rayleigh面波具有多個(gè)模式,由于截止頻率[6、8]的存在,模式數(shù)量會(huì)隨著頻率的增加而增多。楊天春[7、8]分析了不同類型的三層層狀介質(zhì)中的Rayleigh面波頻散曲線的特征后認(rèn)為:位移的激發(fā)強(qiáng)度與聲波的頻率密切相關(guān),不同模型接收到的導(dǎo)波模式不同,且各個(gè)導(dǎo)波的相速度曲線之間不相交。一般地,基階模式沿介質(zhì)深度方向衰減較快,影響深度約為一個(gè)波長,而波長越長,穿透深度越深。在頻率相同的情況下,高階模式的相速度高于基階模式的相速度,而其波長比基階模式的波長長,因此高階模式的穿透深度較深,對(duì)較深層傳播介質(zhì)的橫波速度和層厚比較敏感。在不同分層中,部份模式頻散在某一頻率范圍內(nèi)可能是接近的,甚至是相同的。在某一頻率范圍內(nèi),某些階次的模式頻散曲線對(duì)分層參數(shù)(橫波速度、層厚)的變化并不敏感[9]。XIA Jiang-h(huán)ai等[10]研究發(fā)現(xiàn):地層的縱波速度和密度,只對(duì)頻散曲線的基階模式的高頻部份有影響,在實(shí)際的頻散曲線反演過程中,可將地層的縱波速度和密度視為誤差高達(dá)25%的常數(shù),僅考慮地層厚度和橫波速度。XIA Jiang-h(huán)ai等[11~13]聯(lián)合基階模式和第一高階模式的頻散曲線,對(duì)Rayleigh面波進(jìn)行了反演,增加了反演結(jié)果的可靠性,減少了反演的多解性。羅銀河等[14、15]利用Jacobian矩陣Js研究了Rayleigh面波基階模式和第一高階、第二高階模式的頻散曲線,對(duì)橫波速度的敏感性,并聯(lián)合基階模式和第一高階、第二高階模式的頻散曲線進(jìn)行反演,增強(qiáng)了反演的穩(wěn)定性,提高了反演的精度。

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