基于频率—贝塞尔变换法的浅地表三维S波速度结构成像研究

作     者：陈春林 

作者单位：吉林大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘四新

授予年度：2023年

学科分类：081801[工学-矿产普查与勘探] 081802[工学-地球探测与信息技术] 08[工学] 0818[工学-地质资源与地质工程] 

主      题：浅地表勘探 背景噪声 频率-贝塞尔变换 高阶面波 S波速度结构 

摘      要：随着人类社会现代化速度加快,人们对于更加美好的生活方式日益增长,地表资源已经不能满足这些需求。因此,开发和利用城市地下空间也愈发重要。特别是地下100米以内的浅地表层,它们可以满足我们日常生活中的各种需求,包括轨道交通、水利工程、电缆通讯工程、油气输送和生活娱乐等。近年来,为满足浅地表的岩土工程需求,面波勘探方法在探测城市地下空间结构中得到了广泛的应用。与人类活动较少的野外勘探相比,城镇人口密集,存在严重的噪声干扰,作业时要求高效无损,且不影响生活秩序,常规的主动源面波勘探面临着巨大的挑战。因此基于环境噪声的被动源面波勘探方法应运而生,其在浅地表勘探中得到了广泛的应用。检波器接收到的噪声信号是基阶和高阶面波共同作用的结果,而传统的背景噪声频散成像方法对高阶面波的分辨率有限,得到的频散谱中各阶面波容易混叠,不利于高阶频散曲线的提取。对于复杂的地质结构,特别是含有软弱层的情况下,反演地下介质的横波速度结构时引入高阶频散曲线不仅可以降低反演的多解性,而且还能显著提高反演的收敛速度和准确性。为此,本文采用Wang提出的频率-贝塞尔变换法(F-J Method),以获得更高分辨率的高阶频散曲线,并将其应用于浅地表的环境噪声数据中。文中详细介绍了空间自相关法、互相关相移法和频率-贝塞尔变换法等三种频散成像方法,并通过模拟实验对比分析了F-J法和相移法提取高阶频散曲线的成像效果,验证了频率-贝塞尔变换法在浅地表面波频散成像的可行性。基于该方法,本文通过数值模拟进一步讨论了几何参数对F-J法的影响。理论上:F-J法对观测系统的布置要求较低,直线形、L形、矩形和随机分布的观测系统都能得到清晰的各阶频散曲线,其中检波器随机分布的观测系统频散成像效果优于其他排列观测系统,这使得F-J法能适用更多的场地环境。观测系统的布设面积越大,F-J法得到的频散谱的分辨率越高。对于接收阵列附近存在的定向噪声源,F-J法具有良好的抗噪效果,也能清晰地计算出各阶频散曲线。为了验证数值模拟实验所获得结论的可靠性,笔者将频率-贝塞尔变换法应用到两组实测案例中,均能提取出高阶频散曲线,最后通过反演获得了浅地表三维S波速度结构。经过将F-J法与Chen的MAPS法、层析成像法以及钻孔资料的计算结果加以比较,发现F-J法在深层反演中更加靠近测井资料。这表明,与MAPS法不同的是,由于F-J法提取了高阶面波信息,更有效地约束了深部地层的反演,提高了反演结果的准确性。在上述理论模拟和实测案例验证的基础上,证明了F-J法在浅地表三维S波速度结构成像上具有较大的应用前景。