浅地表面波频散曲线响应特征研究及其应用

论文摘要

浅地表的横波速度是地震安全性评价、工程地质勘察、地基处理效果评价等的重要参数,了解地下介质的横波速度结构对工程建设与地质灾害预测和防御都有着重要的意义。要获得浅地表横波速度直接的方法可通过地球物理测井,但该方法耗时耗力,而面波勘探操作简单、工作效率高效高且是无损探测,因而面波勘探被广泛运用于工程地质勘察与工程质量检测等领域。面波勘探的核心就在于对频散曲线的研究分析,因此,加深对面波的频散曲线的研究能更加准确的获得地下的横波速度结构,对实际的工程实践起着指导性的作用。本文从面波频散曲线数值模拟和面波波场模拟两个方面研究浅地表瑞雷面波的频散曲线特征,频散曲线数值模拟可以研究层状介质模型的频散曲线特征,也可以综合分析研究不同阶数各个导波模式的频散曲线特征;波动方程的高阶有限差分数值模拟,可以模拟非层状介质模型以及地形起伏时的面波波场特征,从而可以提取其频散曲线进行研究。将二者结合可以更好的分析浅地表面波频散曲线的响应特征。本文首先介绍了瑞雷波频散曲线的正演算法,对横波速度增大的层状介质模型与含软硬夹层的层状介质模型进行了频散曲线正演。研究得出:对于不同的层状介质模型,基阶导波模式的相速度都存在零频极限与高频极限;不同阶数的高阶导波模式的频散曲线存在各自的截止频率,阶数越高,截止频率越大,在截止频率处,各高阶导波模式的相速度存在极限值。然后基于一阶应力-速度方程组进行波场正演,分别得到了地形变化模型、软弱地层模型、复杂地表条件下软弱夹层模型的波场记录,通过处理得到频散谱图,进而分析其频散曲线特征。研究得出:面波勘探中,要得到真实的相速度,在资料处理时,道间距应取检波器之间的真实距离而非它们之间的水平距离;在起伏地形下获得的频散曲线反映的是地下介质的法向厚度,而非它的垂向厚度;含有夹层的层状地层与含洞穴的非层状地层的频散曲线都可能产生“之”字型拐点,二者在频散曲线上难以进行区分时,可以通过波场记录进行区分;复杂地表条件下,瑞雷波的传播较为复杂,在利用瑞雷面波进行勘探时,要考虑地形变化对瑞雷波场以及频散曲线的影响。最后讨论了面波勘探的实际应用,先介绍了面波勘探在黄土地区的应用。然后立足于当前面波勘探的发展现状与实际的应用需求,介绍了主被动源面波联合勘探的优势,并结合工程实例证明了面波联合勘探可以同时保证面波勘探的精度与深度。

论文目录

摘要

Abstract

第1章绪论

1.1 选题背景和研究意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 瑞雷面波基本特性研究现状

1.2.2 瑞雷面波频散曲线正演模拟研究现状

1.2.3 瑞雷面波地震波场正演模拟研究现状

1.3 论文的研究思路、技术路线和预期的成果

第2章瑞雷面波勘探原理与方法

2.1 瑞雷面波的基本性质

2.1.1 弹性波的波动方程

2.1.2 均匀半空间介质的瑞雷面波

2.1.3 瑞雷面波的频散

2.2 瑞雷面波勘探方法

2.2.1 主动源面波勘探

2.2.2 被动源面波勘探

2.3 本章小结

第3章瑞雷面波频散曲线正演

3.1 广义反射透射系数法

3.1.1 运动-应力向量差分方程

3.1.2 瑞雷面波频散方程

3.1.3 改进的瑞雷面波频散方程

3.1.4 二分法搜根

3.1.5 计算思路

3.2 不同类型模型瑞雷面波频散曲线正演模拟

3.2.1 上层介质厚度变化两层介质模型的频散曲线

3.2.2 横波速度随深度增大而增大模型的频散曲线

3.2.3 含低速软夹层的多层介质模型的频散曲线

3.2.4 含高速硬夹层的多层介质模型的频散曲线

3.3 本章小结

第4章瑞雷面波波场正演

4.1 波动方程的高阶有限差分

4.1.1 一阶应力-速度弹性波方程

4.1.2 交错网格时间上2M差分近似

4.1.3 交错网格空间上2N差分近似

4.1.4 各向同性介质一阶应力-速度方程差分格式

4.1.5 稳定性条件

4.1.6 边界条件

4.1.7 计算思路

4.2 不同地表条件下的瑞雷面波正演模拟

4.2.1 水平界面均匀半空间的瑞雷面波正演模拟

4.2.2 倾斜界面的瑞雷面波正演模拟

4.2.3 凹凸地形下均匀半空间的瑞雷面波正演模拟

4.3 软弱地层中瑞雷面波正演模拟

4.3.1 软弱覆盖层中瑞雷面波正演模拟

4.3.2 软弱夹层中瑞雷面波正演模拟

4.3.3 含洞穴地层瑞雷面波正演模拟

4.4 复杂地表条件软弱夹层中瑞雷面波正演模拟

4.4.1 台阶型地表条件下软弱夹层瑞雷面波正演模拟

4.4.2 凹凸型地表条件下软弱夹层瑞雷面波正演模拟

4.5 本章小结

第5章面波勘探的应用

5.1 面波勘探在黑方台地区的应用

5.2 主被动源面波联合勘探的应用

5.3 本章小结

结论与建议

致谢

参考文献

攻读学位期间取得学术成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 张桃荣

导师: 雷宛

关键词: 瑞雷面波,正演模拟,频散曲线

来源: 成都理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑,工程科技Ⅱ辑

专业: 地质学,地质学,地质学,地球物理学,矿业工程,工业通用技术及设备

单位: 成都理工大学

分类号: P631.4;P642.22

DOI: 10.26986/d.cnki.gcdlc.2019.000498

总页数: 92

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