邱新明,王 赟,韋永祥,錢忠平,范秦軍,錢榮毅

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)地球物理與信息技術(shù)學(xué)院,北京100083;2.福建省地震局,福建福州350003;3.中國(guó)石油集團(tuán)東方地球物理公司物探技術(shù)研究中心,河北涿州072750;4.黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司,河南鄭州450003)

近地表傳播的面波包括瑞利波和勒夫波,其中瑞利波由P波與SV波相互干涉形成,勒夫波由SH波的多次反射、折射疊加形成[1-2]。面波因具有橫向傳播衰減小、信噪比高及頻散等特點(diǎn),故廣泛應(yīng)用于地球殼幔結(jié)構(gòu)成像、巖土工程勘查、油氣勘探等領(lǐng)域[3-5]。在油氣勘探領(lǐng)域,近地表?xiàng)l件影響著地震數(shù)據(jù)的品質(zhì)。復(fù)雜的近地表?xiàng)l件會(huì)造成嚴(yán)重的靜校正問(wèn)題[4],進(jìn)而影響地震數(shù)據(jù)的品質(zhì)。面波勘探是解決近地表結(jié)構(gòu)問(wèn)題的重要勘探方法之一,高頻(>1Hz)面波分析方法主要利用面波相速度頻散特性揭示地下介質(zhì)的橫波速度結(jié)構(gòu)[6]。研究表明,層狀介質(zhì)中存在多個(gè)模式(階)的瑞利波或勒夫波,各個(gè)模式在空間上對(duì)應(yīng)著地震波在每層之間來(lái)回反射的不同路徑[7]?；诟鱾€(gè)模式的面波對(duì)地層參數(shù)的不同響應(yīng)特征,采用多模式面波聯(lián)合反演以提高反演精度是該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一[8-9]。

近年來(lái),面波多道分析方法(multichannel analysis of surface waves,MASW)在工程勘查領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注,它采用單點(diǎn)激發(fā),多道等間距垂直(Z)分量檢波器采集瑞利波,獲得多模式的頻散信息[6,10]。我們通常以頻散能譜的強(qiáng)弱和連續(xù)性為標(biāo)準(zhǔn),在能譜中拾取頻散曲線。利用地震記錄計(jì)算頻散能譜的方法包括高分辨率Radon變換法、F-K變換法、相移法和矢量波數(shù)變換法等[11-13]。在噪聲干擾及各個(gè)模式面波之間干涉的影響下,如果我們僅采用Z分量地震數(shù)據(jù)的瑞利波提取頻散曲線,可能造成頻散曲線出現(xiàn)不完整、不準(zhǔn)確、模式誤判等問(wèn)題,那么最終得到的反演橫波速度不準(zhǔn)確[14-15]。改善Z分量地震數(shù)據(jù)的瑞利波在提取頻散曲線方面的不足,以獲得精確的橫波速度模型,成為目前的研究重點(diǎn)之一。

均勻各向同性水平層狀介質(zhì)中的瑞利波偏振為垂直平面內(nèi)的橢圓運(yùn)動(dòng),其在徑向和垂向上均有能量分布[16]。已有研究表明徑向(R)分量地震數(shù)據(jù)包含了重要的瑞利波頻散信息,且頻散能譜分布與Z分量地震數(shù)據(jù)不同[17-18]。傳統(tǒng)面波勘探僅采集Z分量地震數(shù)據(jù)中的瑞利波,獲取關(guān)于介質(zhì)的信息有限。通過(guò)分析R分量地震數(shù)據(jù)中的瑞利波頻散信息,對(duì)Z分量地震數(shù)據(jù)中的瑞利波頻散信息進(jìn)行補(bǔ)充,可以得到更加完備、可靠的瑞利波速度頻散曲線[19]。

數(shù)字地震儀和檢波器的發(fā)展有助于采集高精度高質(zhì)量的勒夫波數(shù)據(jù),這使得勒夫波數(shù)據(jù)在淺表工程勘探、殼幔結(jié)構(gòu)成像中的應(yīng)用不斷增加[20-22]。瑞利波和勒夫波頻散曲線的聯(lián)合反演可揭示更精細(xì)的近地表橫波速度結(jié)構(gòu)[16]。R分量和Z分量地震數(shù)據(jù)中的面波以瑞利波為主,切向(T)分量地震數(shù)據(jù)中的面波以勒夫波為主,因此多分量面波勘探能夠以較低成本獲取更多波場(chǎng)信息。近年來(lái),多分量地震觀測(cè)在油氣藏勘探開發(fā)、地震監(jiān)測(cè)中的廣泛應(yīng)用極大地推動(dòng)了多分量面波觀測(cè)技術(shù)的發(fā)展。對(duì)于如何利用多分量面波信息,DAL等[23-24]進(jìn)行了探討,并取得了一些研究成果。目前,多分量面波應(yīng)用尚處于起步階段,國(guó)內(nèi)外成功應(yīng)用的實(shí)例不多。為推動(dòng)多分量面波技術(shù)在工程勘查、油氣勘探、天然地震領(lǐng)域的應(yīng)用,本文首先系統(tǒng)梳理了多分量面波技術(shù)的研究成果,然后對(duì)多模式速度頻散曲線、多分量頻散特征和偏振特征等方面進(jìn)行了討論,最后介紹了旋轉(zhuǎn)分量在面波分離和面波頻散分析等方面的應(yīng)用,旨在促進(jìn)多分量面波技術(shù)的深入研究與應(yīng)用。

1 面波多模式頻散

根據(jù)平面波理論,由相鄰界面?zhèn)鞑ス?、自由表面邊界條件及無(wú)窮遠(yuǎn)處輻射條件可推導(dǎo)出層狀介質(zhì)中瑞利波頻散方程。通過(guò)求解瑞利波頻散方程,可得到不同頻率對(duì)應(yīng)的相速度[25]。相速度是頻率的多值函數(shù),分別對(duì)應(yīng)由不同路徑的P波與SV波干涉形成的不同模式的瑞利波[7,26]。

1.1 理論相速度頻散曲線計(jì)算

最初采用Thomson-Haskell矩陣算法[25]計(jì)算瑞利波理論頻散曲線,但該算法存在計(jì)算速度慢、高頻數(shù)值不穩(wěn)定等問(wèn)題。在此基礎(chǔ)上,KNOPOFF[27]通過(guò)求解4n+2階頻散方程行列式,避免了數(shù)值不穩(wěn)定問(wèn)題。隨后SCHWAB[28]采用快速Schwab-Knopoff方法通過(guò)行列式變換將某些層矩陣變形為塊狀對(duì)角陣形式,簡(jiǎn)化頻散函數(shù),降低計(jì)算量。KE等[29]提出了提高頻散方程求解效率的根搜索算法,并提出Double Thomson-Haskell矩陣算法和正則Thomson-Haskell矩陣算法,分別用于計(jì)算各向異性介質(zhì)的瑞利波和勒夫波理論頻散曲線。此外,瑞利波頻散方程求取方法還包括Abo-Zena算法[30]、δ矩陣法[31-32]、廣義反射透射系數(shù)法[33-35]等。本文采用Knopoff算法[27]計(jì)算理論頻散曲線。

1.2 面波的多模特性

XIA等[8]和羅銀河等[9]的研究表明基階瑞利波對(duì)淺層的橫波速度更為敏感,而高階瑞利波的穿透深度更大,多模式面波聯(lián)合反演可以提高反演的精度和穩(wěn)定性。近年來(lái),多模式面波勘探已經(jīng)有很多成功應(yīng)用[36-37],在微動(dòng)探測(cè)、背景噪聲成像等被動(dòng)源面波成像研究中,基階和高階面波頻散曲線聯(lián)合反演也受到廣泛關(guān)注[38-39]。YAO等[40]研究發(fā)現(xiàn)不同模式的瑞利波聯(lián)合反演可以得到準(zhǔn)確的地殼和上地幔結(jié)構(gòu)。

從實(shí)際地震數(shù)據(jù)中提取完整、準(zhǔn)確的多模式面波頻散曲線并非易事。受體波信號(hào)和強(qiáng)干擾噪聲的影響,面波頻散能譜會(huì)發(fā)生擾動(dòng),因此難以辨別面波模式[11]。圖1展示了反射波對(duì)瑞利波頻散能譜的影響[41]。從圖1a可以看出,在無(wú)反射波影響時(shí),可以清晰判別高階瑞利波的階數(shù)。從圖1b可以看出,當(dāng)瑞利波與深部反射波在時(shí)空域形成強(qiáng)干涉時(shí),能譜極大值的位置發(fā)生偏離,無(wú)法判別橢圓圈中所示能譜的模式,這種情況下,如果直接根據(jù)圖1b拾取頻散曲線,會(huì)引起模式誤判。此外,不同模式的瑞利波在地震記錄中相互干擾,實(shí)際提取到的頻散曲線往往表現(xiàn)為多個(gè)模式的疊加,容易引起模式跳躍,與理論頻散曲線不完全對(duì)應(yīng),給面波模式的識(shí)別造成困難[42-44]。模式跳躍極易引發(fā)模式誤判的問(wèn)題,導(dǎo)致最終反演的橫波速度不準(zhǔn)確[14,42]。模式跳躍本質(zhì)上反映了瑞利波各個(gè)模式下的激發(fā)能量相對(duì)大小隨頻率變化的關(guān)系[42]。對(duì)于含低速層的層狀介質(zhì),MI等[45]認(rèn)為軟弱層間形成的高頻導(dǎo)波無(wú)法從軟弱層穿透到地表,不能形成對(duì)應(yīng)的面波,因而造成頻散能譜高頻缺失,進(jìn)而導(dǎo)致頻散能譜的不連續(xù)或模式跳躍。同樣地,實(shí)際提取的瑞利波頻散曲線只是理論頻散曲線中的一段,不完整、不準(zhǔn)確的頻散曲線會(huì)導(dǎo)致不穩(wěn)定、不可靠的反演結(jié)果[15]。

圖1 原始面波頻散能譜(a)和受反射波干擾的面波頻散能譜(b)

為避免模式誤判,研究人員相繼提出了一些解決方案。魯來(lái)玉等[46]提出根據(jù)各模式位移的分布情況,識(shí)別頻散曲線對(duì)應(yīng)的面波模式;FOTI等[43]提出增加檢波器個(gè)數(shù),以減弱各模式的干涉;LU等[47]認(rèn)為當(dāng)最小炮檢距大于0.5倍面波波長(zhǎng)時(shí),可獲得較可靠的頻散曲線;DAL等[18]對(duì)頻散曲線的模式進(jìn)行判別,直接對(duì)頻散能譜進(jìn)行反演;PAN等[48-49]提出無(wú)需識(shí)別面波模式的時(shí)空域面波波形反演方法,無(wú)需識(shí)別面波模式的反演方法雖然可以直接反演頻散能譜或面波數(shù)據(jù),但是運(yùn)算量極大,并且對(duì)數(shù)據(jù)的信噪比要求高。

與理論頻散曲線不同,視頻散曲線考慮了各個(gè)模式下瑞利波的疊加效應(yīng),與實(shí)際提取的頻散曲線具有良好的一致性[44]。LAI等[44]提出了在垂向點(diǎn)源激發(fā)時(shí)R分量和Z分量地震數(shù)據(jù)的瑞利波視頻散曲線計(jì)算方法:

(1)

(2)

式中:Vr,Vz分別為R分量、Z分量地震數(shù)據(jù)瑞利波視頻散曲線對(duì)應(yīng)的相速度;w1,w2分別為R方向和Z方向的位移特征函數(shù)[50];i或j均為瑞利波的階數(shù);ki,kj為波數(shù);ci,cj為相速度;Ui,Uj為群速度;Ii,Ij為瑞利波第一能量積分[50];r為偏移距;z,zs分別為檢波點(diǎn)和炮點(diǎn)的深度。根據(jù)表1所示的模型1參數(shù),得到的瑞利波理論頻散曲線和Z分量的視頻散曲線如圖2所示,可以看出,在38Hz處,視頻散曲線從基階跳躍到第一高階;在59Hz處視頻散曲線從第一高階跳躍到第二高階。視頻散曲線可用于預(yù)測(cè)多模式瑞利波的能量分布規(guī)律,研究多模式面波的疊加效應(yīng)[51]。視頻散曲線能直接用于反演橫波速度結(jié)構(gòu),無(wú)需辨別面波的模式,避免了前述頻散曲線的模式誤判問(wèn)題[52]。

表1 模型1參數(shù)

圖2 根據(jù)模型1參數(shù)得到的瑞利波理論頻散曲線和Z分量視頻散曲線

2 多分量面波頻散

傳統(tǒng)面波技術(shù)因僅采用Z分量的瑞利波,故不足以完整描述面波在近地表的傳播特征。隨著多分量檢波器和地震儀的應(yīng)用,多分量觀測(cè)已在油氣藏勘探開發(fā)、地震監(jiān)測(cè)中得到廣泛應(yīng)用[53-54],并在近地表工程地震中進(jìn)行了一些有益的嘗試。目前能夠以較低成本獲取更多速度頻散信息及偏振特征,進(jìn)而得到更準(zhǔn)確的橫波速度模型。

2.1 R分量、Z分量瑞利波頻散特征

各個(gè)模式的瑞利波在R分量、Z分量的響應(yīng)不同。CHEN[33]利用本征函數(shù)研究了瑞利波振動(dòng)特征,發(fā)現(xiàn)對(duì)于同一個(gè)頻散點(diǎn),水平和垂直方向的本征位移曲線存在差異。QIU等[15]認(rèn)為地表接收的各階瑞利波在R分量、Z分量強(qiáng)弱分布不同,這造成了R分量、Z分量瑞利波頻散能譜特征不同。在石油地震勘探領(lǐng)域,IKEDA等[19]利用R分量瑞利波補(bǔ)充了傳統(tǒng)Z分量瑞利波中缺失的高階瑞利波的頻散信息。綜合利用R分量、Z分量的地震數(shù)據(jù),可提取到準(zhǔn)確、完整的瑞利波多模式頻散曲線,以減小模式誤判的風(fēng)險(xiǎn),提升橫波速度反演精度[55]。

表2給出了模型2的參數(shù)[15],圖3展示了根據(jù)模型2參數(shù)合成的R分量、Z分量瑞利波記錄及其頻散能譜。由頻散能譜可見,R分量基階瑞利波缺失,其它階瑞利波分布在不同的頻帶,頻帶寬度相近;Z分量基階瑞利波在6～39Hz占優(yōu),第三高階以上的瑞利波能量很弱。為方便對(duì)比頻散曲線的頻帶,我們將能譜值大于0.7的頻帶定為有效頻帶。同一模式下,R分量、Z分量瑞利波的頻帶不同,如R分量第二高階瑞利波的頻帶為25～36Hz,而Z分量第二高階瑞利波的頻帶為33～41Hz。R分量、Z分量瑞利波的頻散特征互為補(bǔ)充,二者結(jié)合有助于得到完整的瑞利波頻散信息。

圖3 根據(jù)模型2參數(shù)合成的R分量、Z分量瑞利波記錄及其頻散能譜[15](圖中白色虛線是理論頻散曲線)

2.2 勒夫波頻散特征

與瑞利波不同,勒夫波的速度頻散特征只取決于橫波速度、密度和層厚度,而與縱波速度無(wú)關(guān),這使得勒夫波具有與瑞利波不同的頻散特征[50]。利用Knopoff算法[27]計(jì)算模型1的瑞利波和勒夫波理論頻散曲線如圖4所示,不難發(fā)現(xiàn),與瑞利波“之”字形的頻散曲線相比,勒夫波的頻散曲線形態(tài)較簡(jiǎn)單。此外,勒夫波頻散能譜清晰,易于拾取頻散曲線,不會(huì)產(chǎn)生模式誤判的問(wèn)題[56]。XIA等[21]提出了勒夫波多道分析方法(multichannel analysis of Love waves,MALW),該方法通過(guò)勒夫波頻散曲線提取和反演,獲得近地表橫波速度模型。與瑞利波頻散曲線反演相比,勒夫波頻散曲線反演對(duì)初始模型的依賴較低,反演結(jié)果更穩(wěn)定[21]。

2.3 多分量面波勘探

勒夫波頻散曲線形態(tài)簡(jiǎn)單,在地層細(xì)節(jié)刻畫等方面不及瑞利波精細(xì)[18]。YIN等[57]研究表明,相同波長(zhǎng)的勒夫波和瑞利波對(duì)深度的敏感性不同。勒夫波和瑞利波含有不同的頻散信息,因此采用瑞利波和勒夫波的聯(lián)合反演有助于獲得準(zhǔn)確的近地表橫波速度模型。在天然地震成像研究中已有采用瑞利波和勒夫波聯(lián)合反演的應(yīng)用實(shí)例[20]。因R分量和Z分量瑞利波頻散信息互補(bǔ),故使用三分量(three-component,3C)檢波器進(jìn)行面波采集,能夠獲取頻散信息豐富的瑞利波和勒夫波數(shù)據(jù),且不增加采集工作量。

在工程面波勘探中,常用震源為錘擊震源和可控震源。根據(jù)震源的激發(fā)方向與測(cè)線方向的不同,震源可分為垂向力源(Sz)、徑向力源(Sr)、切向力源(St)。多分量震源能夠同時(shí)激發(fā)3個(gè)方向的力源,但傳統(tǒng)多分量震源在各個(gè)激發(fā)方向上震源耦合不同,導(dǎo)致波場(chǎng)在各個(gè)方向上的振幅大小關(guān)系失真,這給多分量數(shù)據(jù)處理造成困難[58]。3C Galperin震源解決了上述問(wèn)題,并在面波數(shù)據(jù)采集中得到成功應(yīng)用[58-59]。將該3C震源與3C檢波器組合應(yīng)用,可以得到9個(gè)分量的地震記錄,其面波的類型如表3所示[59-60]。傳統(tǒng)面波勘探采用垂直力源激發(fā)、Z分量檢波器接收的采集方式,只獲得一個(gè)瑞利波分量(Sz-z);而3C震源激發(fā)、3C檢波器接收的采集方式可獲得包含5個(gè)分量的面波數(shù)據(jù),包括4個(gè)瑞利波分量(Sr-r,Sr-z,Sz-r,Sz-z)和一個(gè)勒夫波分量(St-t),經(jīng)反演可獲得更準(zhǔn)確的橫波速度模型[61]。

圖4 模型1瑞利波(a)和勒夫波(b)的理論頻散曲線

表3 不同方向的震源在不同測(cè)線產(chǎn)生的不同分量地震記錄的面波類型

2.4 多分量面波數(shù)據(jù)聯(lián)合處理

國(guó)內(nèi)外研究者從不同角度給出了多種處理多分量面波數(shù)據(jù)的方法。DAL等[16]分別提取了R分量、Z分量瑞利波頻散曲線,而后組合得到瑞利波頻散曲線,對(duì)于干擾較強(qiáng)的地震數(shù)據(jù),上述處理方法仍可能造成模式誤判的問(wèn)題,還容易造成提取的頻散曲線不準(zhǔn)確。PAN等[59]提出將各分量瑞利波頻散能譜疊加,以提高瑞利波頻散能譜的準(zhǔn)確性。疊加處理的前提是各個(gè)分量所包含的頻散信息一致,對(duì)于分量頻散差異較大的地震數(shù)據(jù),這種處理方法難以達(dá)到預(yù)期的效果,考慮到R分量、Z分量瑞利波頻散信息的互補(bǔ)性,利用復(fù)矢量數(shù)據(jù)頻散提取方法,將R分量、Z分量組合為復(fù)矢量,采用高分辨率Radon變換算法計(jì)算復(fù)矢量數(shù)據(jù)的頻散能譜[15]。與傳統(tǒng)Z分量瑞利波頻散曲線的提取方法相比,基于復(fù)矢量數(shù)據(jù)的頻散提取方法能夠削弱噪聲干擾,避免模式誤判,獲得更完整、可靠的頻散曲線,但該方法只能處理同一震源激發(fā)的R分量、Z分量數(shù)據(jù),無(wú)法同時(shí)處理表3所示的包含4個(gè)分量的瑞利波數(shù)據(jù)。DAL等[18]為Sz-r,Sz-z,St-t 3個(gè)分量的面波數(shù)據(jù)分別構(gòu)建了3個(gè)目標(biāo)函數(shù),然后采用Pareto優(yōu)勢(shì)準(zhǔn)則優(yōu)化求解,最終實(shí)現(xiàn)了包含R分量、Z分量瑞利波和T分量勒夫波的三分量面波數(shù)據(jù)聯(lián)合反演,這為多分量面波聯(lián)合反演提供了新的研究思路。

3 瑞利波偏振特征

3.1 面波偏振特征與波場(chǎng)分離

在層狀介質(zhì)中,瑞利波的偏振特征較為復(fù)雜[50]。RENE等[62]分析了勘探地震數(shù)據(jù)中基階瑞利波和第一高階瑞利波的橢圓極化差異,發(fā)現(xiàn)基階瑞利波呈逆時(shí)針偏振,偏振角近于90°;第一高階瑞利波呈順時(shí)針偏振,偏振角近于0。MA等[63]對(duì)沉積盆地地區(qū)的背景噪聲互相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行了研究,也發(fā)現(xiàn)基階瑞利波呈逆時(shí)針偏振,而第一高階瑞利波呈順時(shí)針偏振。

利用面波的偏振特征可實(shí)現(xiàn)多分量地震數(shù)據(jù)的波場(chǎng)分離。石油地震勘探和天然地震研究中已有很多利用面波和反射波偏振形態(tài)的差異實(shí)現(xiàn)面波和反射波分離的應(yīng)用實(shí)例[64-66]。利用基階瑞利波和第一高階瑞利波偏振橢圓的旋轉(zhuǎn)方向差異,可以設(shè)計(jì)偏振濾波器實(shí)現(xiàn)基階瑞利波和高階瑞利波的分離[67]。利用偏振特征差異還可以分離勒夫波和瑞利波[68]。此外,瞬時(shí)相位差也可以用于面波和反射波的波場(chǎng)分離[66],但地震數(shù)據(jù)和背景噪聲數(shù)據(jù)的瑞利波頻率較低,關(guān)于瑞利波偏振橢圓旋轉(zhuǎn)方向的假設(shè)不完全適用于10～80Hz的高頻瑞利波[24,69-70]。對(duì)于10～80Hz的高頻瑞利波,BOAGA等[55]和QIU等[15]的研究表明,多層介質(zhì)各模式瑞利波的偏振橢圓的旋轉(zhuǎn)方向和橢圓率均隨頻率變化,因此很難根據(jù)偏振特征將各模式瑞利波相互分離。

3.2 橢圓率頻散

IKEDA等[71]提出了多模式瑞利波橢圓率的計(jì)算公式。多模式瑞利波橢圓率的理論計(jì)算結(jié)果表明,多模式瑞利波的橢圓率是頻率的函數(shù),不同模式下的橢圓率頻散特征存在差異[15]。研究表明,瑞利波橢圓率與介質(zhì)橫波速度結(jié)構(gòu)密切相關(guān)[55,72]。張立等[73]的研究表明,瑞利波水平分量和垂直分量的頻譜比(簡(jiǎn)稱HV譜比)實(shí)質(zhì)上為瑞利波橢圓極化的頻散特征,HV譜比與介質(zhì)泊松比相關(guān)。LIN等[74]認(rèn)為,與頻散曲線相比,瑞利波橢圓率對(duì)淺層結(jié)構(gòu)更敏感。在殼幔結(jié)構(gòu)成像中,HV譜比與速度頻散曲線聯(lián)合反演可以得到更準(zhǔn)確的地殼和上地幔速度結(jié)構(gòu)[75]。MI等[76]從多道面波記錄中準(zhǔn)確提取了瑞利波HV譜比曲線,并發(fā)現(xiàn)其HV譜比曲線的峰頻和槽頻對(duì)介質(zhì)縱、橫波速度比和界面深度敏感。此外,在巖土工程領(lǐng)域,橢圓率和速度頻散曲線的聯(lián)合反演可以更準(zhǔn)確地估計(jì)基巖深度[17,77]。目前對(duì)橢圓率頻散的研究,多基于瑞利波主要能量來(lái)自于基階瑞利波的假設(shè);多模式瑞利波的橢圓率頻散對(duì)介質(zhì)速度結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響是未來(lái)的研究方向之一。

4 旋轉(zhuǎn)分量記錄的面波

地震波傳播時(shí),波場(chǎng)的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)包括了平動(dòng)、旋轉(zhuǎn)和變形,為了完整描述波場(chǎng)特征,必須研究地震波的3個(gè)旋轉(zhuǎn)分量[78]。其中,旋轉(zhuǎn)張量ω定義為[79]:

(3)

旋轉(zhuǎn)分量和平動(dòng)分量共同組成了6個(gè)分量的地震觀測(cè)數(shù)據(jù),構(gòu)成了地震波場(chǎng)包含6個(gè)自由度(six degree-of-freedom,6-DOF)的矢量觀測(cè)數(shù)據(jù),該數(shù)據(jù)可用于面波的識(shí)別與分離[79]。EDME等[85]認(rèn)為旋轉(zhuǎn)分量Rx或Ry以面波為主,利用該分量地震數(shù)據(jù)生成面波模型,通過(guò)自適應(yīng)相減法可壓制平動(dòng)分量的面波。受協(xié)方差矩陣秩的限制,對(duì)單臺(tái)站的地震數(shù)據(jù)采用平動(dòng)三分量偏振分析法無(wú)法分離時(shí)域重合的波場(chǎng);而六分量地震數(shù)據(jù)由于包含了水平視速度信息,提升了協(xié)方差矩陣的秩,因此可以有效分離時(shí)域重合的波場(chǎng)[86]。SOLLBERGER等[86]利用多重信號(hào)分類算法獲取六分量偏振信息,識(shí)別和分離面波。BARAK等[87]將單臺(tái)站的六分量地震數(shù)據(jù)組合為矩陣,利用奇異值分解法識(shí)別波場(chǎng)偏振特征和分離面波。

因瑞利波對(duì)高層建筑物的影響范圍廣,破壞性強(qiáng),所以地震工程中對(duì)高樓地震響應(yīng)的分析,大多情況下直接評(píng)估瑞利波引發(fā)的震動(dòng)[88-89]。目前在工程設(shè)計(jì)中,如果只考慮平動(dòng),忽略旋轉(zhuǎn),容易導(dǎo)致近場(chǎng)建筑結(jié)構(gòu)的振幅響應(yīng)估計(jì)不足[81]。為準(zhǔn)確評(píng)價(jià)地震響應(yīng),有必要同時(shí)考慮平動(dòng)和旋轉(zhuǎn)[88]。因此,利用六分量面波評(píng)價(jià)高樓的地震響應(yīng),將成為該領(lǐng)域未來(lái)研究方向之一。

5 多分量面波的發(fā)展趨勢(shì)

在石油地震勘探領(lǐng)域,面波既可作為反射波勘探的干擾,也可用于近地表結(jié)構(gòu)調(diào)查[90-91]。為壓制面波,需準(zhǔn)確把握面波的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特征。傳統(tǒng)單分量面波壓制方法只利用面波的速度、頻率等特征,而多分量面波壓制方法可以利用面波的偏振特征,波場(chǎng)分離更徹底且能有效保持矢量特征[65]。與三分量偏振分析方法相比,利用六分量地震數(shù)據(jù)的偏振分析方法可以更好地壓制面波[86]。在石油地震勘探領(lǐng)域,利用六分量地震數(shù)據(jù)分析面波和反射波的屬性差異,識(shí)別和分離面波,將成為未來(lái)重點(diǎn)研究方向之一。

在石油地震勘探中,為消除近地表地震-地質(zhì)條件的影響,需準(zhǔn)確把握近地表結(jié)構(gòu)。在近地表結(jié)構(gòu)調(diào)查的各種方法中,面波成像方法無(wú)需增加勘探成本,即可獲得較為準(zhǔn)確的近地表速度模型,因此受到廣泛關(guān)注[4,90]。它主要利用地震數(shù)據(jù)中的瑞利波獲得近地表橫波速度模型。目前石油地震勘探中,利用Z分量瑞利波不足以完整地描述面波在近地表的傳播和振動(dòng)特征。利用多分量地震勘探數(shù)據(jù),獲得瑞利波和勒夫波速度頻散、偏振、衰減特征,可對(duì)近地表介質(zhì)速度模型和粘彈性等屬性獲得更準(zhǔn)確的認(rèn)識(shí)。針對(duì)旋轉(zhuǎn)分量和平動(dòng)分量的面波頻散特征,研發(fā)面波頻散曲線提取和反演的方法是今后的研究方向之一。

6 結(jié)論

本文梳理了國(guó)內(nèi)外多分量面波理論和相關(guān)方法技術(shù)的研究成果,從多分量面波相速度頻散特征、面波偏振特征等方面展開論述,綜合調(diào)研分析得出以下結(jié)論。

1) 雖然地表接收的面波存在多個(gè)發(fā)育模式,但是單分量面波的頻散信息不完整,因此提取的頻散曲線可能不準(zhǔn)確。

2) 不同分量的面波數(shù)據(jù)包含了不同的速度頻散信息,多分量面波處理、反演有助于獲得更準(zhǔn)確可靠的橫波速度模型。

3) 面波的橢圓率等偏振屬性具有頻散特征,結(jié)合速度的頻散特征,能夠更好地確定淺層介質(zhì)的速度模型。

4) 六分量地震數(shù)據(jù)包含更豐富的面波運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特征。因此六分量面波研究為面波頻散提取和分離等方面提供了新思路。