含层状液体介质瑞雷面波频散曲线正演分析

瑞雷面波在地球物理勘探和工业无损检测中起着重要的作用.自由界面激发的瑞雷面波有多个导波模式,瑞雷面波频散曲线特征可以清楚反映各层介质的力学参数.很多文献已经讨论了横向均匀层状固体介质中瑞雷面波的传播模式和特征,为了研究含层状液体介质自由界面瑞雷面波的传播特征,本文用传递矩阵法,结合位移应力的边界条件,推导出不同情况下含层状液体介质的瑞雷面波频散方程,频散函数表现为实数域的行列式,所以可用二分法求解,数值计算出三种不同情况下含层状液体介质模型的多模式瑞雷面波频散曲线,并对频散曲线的特征和影响因素作了简单分析,发现频散曲线可以清晰反映某些介质的层速度参数.     

双相介质与流体平面分层时的Stonely波

本文对双相介质与流体介质平面分层情况下的 Stonely 波作了理论分析和计算。导出了关于 Stonely 波复波数的频散方程,在低频城内对此频散方程进行了数值求解,得到频散曲线和衰减曲线及偏振特性。结果表明:(1) 低频域内存在轻微的负频散;(2) 具有强衰减性,衰减系数与频率、孔隙度和渗透系数间存在敏感的增函数关系;(3) 固相质点的偏振特性与均匀弹性固体自由界面上的瑞利波的偏振有某些类似之处;(4) 流体半空间内压力波的振幅随深度单调衰减。     

基于弹性介质模型的近地表波场模拟及分析

为研究近地表波场特征,特别是瑞雷面波的波场特征,即瑞雷面波的形成机理及传播规律,根据弹性波方程,采用交错网格有限差分算法对基于浅层各向同性弹性介质模型的近地表波场进行了模拟和分析。利用对均匀半空间模型的模拟,分析了瑞雷面波能量在水平和垂直传播方向上的衰减情况以及震源埋深对面波能量的影响;利用对不同均匀层状介质模型的模拟,分析了瑞雷面波的基本特性及近地表构造对波场的影响。     

土层性质对入射平面SV波场地放大效应的影响研究

采用直接刚度法,在频域内求解了层状弹性半空间中入射平面SV波的场地放大效应问题.将控制点选在假想基岩露头,通过集整土层及半空间的动力刚度矩阵,形成整个场地的动力刚度矩阵,利用场地离散动力平衡方程求解土层顶面位移幅值与控制点位移幅值的比值,即放大系数.分析了SV波入射时,土层性质对刚度增长场地中含刚性土层场地和含软弱土层场地放大效应的影响.     

面内波倾斜传播的传递矩阵算法

采用传递矩阵法研究压电效应的影响下面内波在一维压电声子晶体当中倾斜传播时的频散特性。传递矩阵法基本思想为:元胞中的子层、两侧状态向量可由关系矩阵相连,相邻子层的状态向量,由界面间的关系也可得到一联系矩阵,最后结合布洛赫(Bloch)定理,得到波在层状周期复合结构中传播的频散方程。主要研究对象为面内波,面内波是由P波和SV波耦合而成的,当面内波在周期结构中均匀传播时,P波和SV波同时在结构中传播。通过传递矩阵法得到面内波在一维层状周期结构当中倾斜传播时的频散方程,绘制相应带隙图,分析压电效应的影响。     

VTI介质交错网格FCT有限差分数值模拟

波动方程有限差分数值模拟是研究地震波在地下介质中的波场特征和传播机理的重要手段.对于常规有限差分技术,当采用大网格对计算空间进行差分离散时会出现严重的数值频散问题,降低了计算精度.通量校正(Flux- corrected transport method,FCT)技术能够有效压制粗网格情况下有限差分的数值频散.本文研究了具有垂直对称轴横向各向同性(Vertical Transverse Isotropy,VTI)介质的交错网格FCT有限差分技术.首先从一阶速度一应力弹性波方程出发,在交错网格空间中给出了该方程的高阶有限差分法格式及稳定性条件,在此基础上研究了波动方程正演过程中的数值频散FCT压制技术,二者结合实现了该方程的高精度有限差分数值模拟.同常规算法相比,本文算法不额外增加内存需求,少量增加计算量,但可有效压制VTI介质中弹性波动方程正演的数值频散现象.当采用大网格进行数值模拟时,本文方法明显提高了波场模拟精度.     

瑞利面波最大模频散曲线的反演解释方法

讨论了高阶模态面波位移幅度占优势并由于高阶模态面波的影响、难以提取完整的基阶模态面波的频散曲线的情况下,利用"最大模"频散曲线进行反演解释的必要性.对软夹层型和地表为高速层两种高阶模态面波位移幅度较强的地层结构的理论和实测"最大模"频散曲线进行反演研究,获得了比仅利用基阶模态面波解释更好的效果.同时还讨论了初始模型建立和反演方法等问题.     

土层性质对入射平面P波场地放大效应的影响

采用直接刚度法,在频域内求解了层状弹性半空间中入射平面P波的场地放大效应问题。将控制点选在假想基岩露头,通过集整土层及半空间的动力刚度矩阵,形成整个场地的动力刚度矩阵,利用场地离散动力平衡方程求解土层顶面位移幅值与控制点位移幅值的比值,即放大系数。本文分析了P波入射时,土层性质对刚度增长场地中含刚性土层场地和含软弱土层场地放大效应的影响。得出的结论可帮助预估自由场的地震反应。     

土层性质对入射平面P波场地放大效应的影响

采用直接刚度法,在频域内求解了层状弹性半空间中入射平面P波的场地放大效应问题。将控制点选在假想基岩露头,通过集整土层及半空间的动力刚度矩阵,形成整个场地的动力刚度矩阵,利用场地离散动力平衡方程求解土层顶面位移幅值与控制点位移幅值的比值,即放大系数。本文分析了P波入射时,土层性质对刚度增长场地中含刚性土层场地和含软弱土层场地放大效应的影响。得出的结论可帮助预估自由场的地震反应。     

非均匀Kerr介质中畸形波的特性研究

以Kerr介质中二维各向异性空间孤子的传输方程为研究对象,对非均匀(2+1)维非线性薛定谔方程畸形波的动力学特性进行了分析和研究.利用相似变换和直接假设,构建出了非均匀(2+1)维非线性薛定谔方程的一阶、二阶畸形波解,深入讨论了畸形波在不同色散介质中的传播特性,包括幅值和位置等.所得结果可用于描述光纤中出现的一些物理现象.     

双相介质半空间中瑞利波的研究

应用Biot弹性波理论对双相介质中的瑞利波作了分析和计算,导出了复波数的频散方程和位移场失量的解析表达式.在一定介质参数范围内对频散方程进行了数值求解,得到频散曲线和衰减曲线.(1)在地震波频域内存在轻微的负频散,高频区域则有较强的正频散;(2)衰减因数随频率、孔隙度和渗透系数的增大而迅速增大;(3)对某一确定介质存在一相应的反转频率f_t,当频率小于f_t时,固相质点的偏振呈现完全相同的规律,偏振特性与频率及介质参数无关,偏振轨迹为沿波传播方向的前进型椭圆,频率大于f_t时,偏振特性与弹性半空间中的瑞利波有某些类似之处.     

非线性左手材料中的差频耦合

基于非线性电磁理论,推导了无耗非线性左手材料中差频耦合波方程,由此方程分析了相位匹配条件下信号波与差频波的反向能量转换过程及其空间分布．发现有限厚度的非线性左手介质板能够得到比右手材料更大的信号波和差频波能量输出．因此可利用非线性左手材料制备更加小型化的微波放大器,并通过参量调节来控制材料的左、右手特性,从而实现信号波输出方向可调的小型微波放大器件．     

弹性介质瑞雷面波交错网格有限差分法数值模拟

为了研究瑞雷面波在复杂地质条件下的传播规律和波场特征,采用交错网格高阶有限差分方法对浅层各向同性弹性介质进行了包括瑞雷面波和体波在内的全波场模拟.通过均匀半空间模型和层状介质模型的模拟,验证了含有瑞雷面波的全波场理论的正确性.     

软弱夹层瑞雷面波频散曲线特征

当瑞雷波在层状介质半空间中传播时,可以证明除了瑞雷面波以外,会出现多个模式的导波,特别是在有低速的软弱夹层情况下。利用基于基模式瑞雷波理论,实际解释工作中常常会出现问题。论文针对这些问题,对含低速夹层的三层模型的瑞雷波相速度频散曲线进行了正演计算,描述了频散曲线特征与介质参数的关系,并对其特征进行了归纳,指出了在实际工作中需注意的问题。     

多阶模态瑞利面波频散曲线的BP神经网络反演

瑞利面波勘探已经广泛应用于工程地质勘探和工程质量检测等领域中。瑞利面波勘探频散曲线反演解释时主要考虑基阶模态面波。当地层中含有软弱层以及表层为高速层时,在高频段高阶模态面波相对基阶模的能量更占优势。在瑞利面波勘探频散曲线反演解释中,必须考虑高阶模态面波的信息;在高阶模态面波占优势时,同时利用多阶模态组合频散曲线（包括基阶、二阶、三阶、四阶等）进行反演解释。本文通过对软夹层型和地表为高速层两种高阶模态面波能量较强的地层结构的理论和实测多阶组合模态频散曲线的反演研究,获得了比仅利用基阶模态面波解释更好的效果。     

数字滤波法分离高、基阶模态瑞利面波的应用

面波勘探主要利用基阶模态面波频散曲线进行定性或定量解释,而记录中的高阶模态面波对提取基阶模态面波频散曲线是一种规则干扰,本文采用二维数字滤波法去除高视速度的高阶模态面波。模拟了软夹层型和硬夹层型两种地层结构的含多阶模态面波理论记录和频散数据。利用带通切饼式二维数字滤波器对存在视速度差异的高阶模态面波和基阶模态面波进行滤波分离试验,研究证明二维数字滤波方法简单可行,可以在一定程度上压制高阶模态面波的影响。特别对于高阶模态面波影响严重的面波记录有突出基阶模态面波的较好效果。     

浅层地震多阶模态瑞利面波的位移幅度特征

研究了地层速度随深度递增型、地层中有硬层或软夹层型、表层为高速的公路型等4种地层结构在15 m深度内,瑞利面波各阶模态的位移幅度分布特征、多阶模态面波的理论频散曲线特征以及不同地层结构上的"最大模"面波频散曲线的特征.这些特征的研究有助于提高面波资料解释的准确性,在高阶模态面波占优势时,判断地层结构的类型,设计合适的反演初始模型,并有助于利用多阶模态瑞利面波解决复杂的地质问题.     

层状介质中瑞雷面波的频散研究

为了提高计算的速度和稳定性以及发现不同算法之间的联系,将位移应力矢量的传递矩阵T的元素表示为实数量及无量纲量的形式,发现柱面瑞雷面波与平面瑞雷面波的频散方程形式可以完全一样;将Menke方法的传递矩阵F表示为三个五阶矩阵的乘积,发现Menke方法与δ矩阵法的频散方程形式可以完全一样;最后提出了一种快速稳定的标量传递算法,此算法进一步提高了计算速度。     

各向异性媒质特征波数的计算

由麦克斯韦方程导出关于特征波的本征值问题，令本征矩阵的行列式为零，得到含参量的四次方程。特征波数的计算涉及到张量运算、矩阵运算、公式化简等。对于一般的各向异性媒质，给出了四次方程系数的简明算式，该算式完全适用于磁化等离子体、磁化铁氧体等回旋媒质。为使抽象的物理概念直观化，给出了特征波数的空间分布图形。该文结果可应用于分层各向异性媒质球的电磁散射、电波传播。     

有障碍物地基瑞利波频散曲线的特征研究

针对有障碍物地基瑞利波频散曲线难以准确识别的困难,采用有限元方法计算得到半空间地基中位移时域曲线,并将其转化为瑞利波的频散曲线,分析了半空间地基存在污水管道情况的瑞利波频散曲线特征。结果表明,位于障碍物前面的接收信号有反射波,而障碍物后面则基本没有反射波存在;传感器的位置和间距对计算的结果有较大影响。研究成果可为频散曲线的确定及地下障碍物的探测方法研究提供参考。