CN113945975A - 一种基于勒夫波和瑞利波联合反演地层分层结构的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于勒夫波和瑞利波联合反演地层分层结构的方法，属于地震勘探领域。技术方案是将得到的面波地震记录经过转换可以分别获得勒夫波和瑞利波频散曲线，将频散曲线带入目标方程进行联合反演。本发明与现有技术相比较具有如下显而易见的优点：综合利用勒夫波和瑞利波信号，极大的提高了反演的精度，有效遏制了反演问题的多解性。本发明方法反演的结果与地层真实模型匹配良好。
Description
技术领域
本发明涉及地震勘探领域，特别是涉及到一种综合利用勒夫波和瑞利波联合勘探地质表层分层结构的方法，极大的提高了面波勘探的精度。
背景技术
勘探地质表层结构时，常用的几种方法具有各自的优缺点：岩性取心方法最为可靠，但成本高、对地层造成破坏，且勘探结果适用范围较小；折射波法与反射波法，便于应用在较大范围的地质勘探中，但对于波阻抗差异较小的地层界面反映较弱，特别是折射波法，只能应用于速度递增的地质条件。面波勘探法是一种较新的地质表层结构地震勘探方法，受上述物性条件影响较小，仅要求各层介质间的横波速度存在差异，因此该方法在地层划分方面具有较好的分辨能力。面波法极大的弥补了传统方法的不足，同时还具有快速、经济、易于采集信号、对地层无破坏等诸多优点。
面波包括勒夫波和瑞利波两种。与勒夫波相比，由于瑞利波在振动波组中能量最强、振幅最大、频率最低，信号容易识别也易于测量，早期的面波勘探一般指瑞利波勘探。国内外诸多专家学者对瑞利波勘探进行深入研究，比如日本VIC株式基于稳态瑞利波技术研制出了GR-810佐藤式全自动地下勘察机；1982年，Stoke等人首先进行了瞬态瑞利波的实验并用互普法求得瑞利波相速度；1986年，Nazarian等人提出了表面波谱分析法(SASW)求取横波速度；1999年，Park和Miller等人提出了表面波多道分析方法，拓展了瑞利面波的应用领域；肖柏勋、杨成林、李锦飞、宋先海等人为瑞利波勘探在国内的应用做出了巨大的贡献。
勒夫波与瑞利波一样具有频散特性，并且，在频散方程上勒夫波的频散方程比瑞利波的频散方程更加简单，所含的未知参量更少，所以应用勒夫波反演地层分层结构时会比应用瑞利波更加精确。
现阶段的大部分面波勘探仪还是以瑞利波勘探为基础的。因此，如何综合利用面波信号，同时发挥勒夫波和瑞利波的优势以提高面波勘探的精度，是目前面波勘探急需解决的问题。
发明内容
本发明目的在于提供一种解决同时应用勒夫波和瑞利波进行地层勘探的问题，提高反演精度，综合利用面波信号的联合反演方法。
本发明通过以下步骤实现：
1)采用单端激振法用三分量检波器同时采集勒夫波和瑞利波剪切波速，布置检波器，以测点为对称中心，将检波器呈直线均匀安放在地表，使之与地面嵌合紧密且直立；步骤1)所述的地震记录采集，使用单端激发，用三分量检波器采集共炮点等道距单炮记录，并同时记录道间距、偏移距。
2)用重锤竖向冲击地面，地震仪记录检波器接收地表振动信号；步骤2)所述的重锤激发，在其落点与地面之间应放置一块面积较大的铁板，以便于激发出利于记录的勒夫波和瑞利波信号。
3)将2)中接收到的地震记录进行面波频散曲线的提取，获得勒夫波和瑞利波频散数据；步骤3)所述的面波频散曲线提取，可以选择将地震记录变换到f-k域或τ-p域进行人工提取或自动提取幅度峰，并根据相应变换读取相速度，获得勒夫波、瑞利波频散曲线。
4)将3)所提取到的勒夫波和瑞利波频散数据进行联合反演，得到地层模型数据；
步骤4)所述的联合反演是：
(1)将勒夫波和瑞利波的频散方程表示为隐函数形式的以下函数：
式中：VL、VR分别为勒夫波和瑞利波速度，f为频率，Vs、Vp分别为横波速度向量和纵波速度向量，ρ、h分别为地层的密度向量和厚度向量，j表示记录的数据次数，瑞雷波和勒夫波观测数据分别为m、n；i表示地层的层数，共k层。当观测数据量n＞k且m＞k时，构成超定方程，可以通过勒夫波和瑞利波的频散方程求解得到相应地层的主要信息厚度h和和波速度Vs：
(2)构建以下目标函数：
式中Φ为目标函数，VLoi、VLpi分别为第i次勒夫波观测数据和正演计算得到的理论数据，VRoj、VRpj分别为第j次瑞利波观测数据和正演计算得到的理论数据，ω1、ω2分别为勒夫波和瑞利波的加权系数且ω1+ω2＝1，由他们在传播过程中所占的能量百分比决定，一般情况下取ω1＝0.3、ω2＝0.7，m、n分别为勒夫波和瑞利波观测的数据总量；
(3)联合反演可以得到各地层的密度ρ以及厚度h。
步骤4)所述的联合反演，所采用的反演算法包括但不限于阻尼最小二乘法、遗传算法、模拟退火法，迭代和预置的模型参量包含地层的横波速度和厚度。
本发明实现了同时应用勒夫波和瑞利波进行地层结构勘探，极大的提高了勘探的精确度，建立了一种新的面波勘探地层结构的方法，对于近地表结构研究具有很高的利用价值。相比于常规的瑞利波勘探，本发明所提供的联合反演方法不但提高了信号的利用效率还能一定程度上遏制反演问题的多解性，从而使反演结果更精确。
附图说明
图1：检波器、震源布置示意图
图中：1 P波；2 S波；3信号采集；4信号分析；5检波器；6震源
图2：勒夫波地震记录(左)，瑞利波地震记录(右)；
图3：τ-p变换提取勒夫波频散曲线(上)，τ-p变换提取瑞利波频散曲线(下)；
图4：地层结构与反演结果对比图。
具体实施方式
以下结合附图和较佳实例说明本发明。
1)采用单端激振法用三分量检波器同时采集勒夫波和瑞利波剪切波速，布置检波器，以测点为对称中心，将检波器呈直线均匀安放在地表，使之与地面嵌合紧密且直立；步骤1)所述的地震记录采集，使用单端激发，用三分量检波器采集共炮点等道距单炮记录，并同时记录道间距、偏移距。具体布线情况如图1所示，偏移距为8m，道间距为1m，共30道。
2)用重锤竖向冲击地面，地震仪记录检波器接收地表振动信号；步骤2)所述的重锤激发，在其落点与地面之间应放置一块面积较大的铁板，以便于激发出利于记录的勒夫波和瑞利波信号。具体形式如图1所示，震源下垫一薄板，采集到的勒夫波地震如图2(左)所示，瑞利波地震记录如图2(右)所示。
3)将2)中接收到的地震记录进行面波频散曲线的提取，获得勒夫波和瑞利波频散数据；步骤3)所述的面波频散曲线提取，可以选择将地震记录变换到f-k域或τ-p域进行人工提取或自动提取幅度峰，并根据相应变换读取相速度，获得勒夫波、瑞利波频散曲线。如图3所示将勒夫波和瑞利波采集到的地震变换到τ-p域，人工或自动提取能量幅度峰即可得到勒夫波和瑞利波频散曲线。
4)将3)所提取到的勒夫波和瑞利波频散数据进行联合反演，得到地层模型数据；
步骤4)所述的联合反演是：
(1)将勒夫波和瑞利波的频散方程表示为隐函数形式的以下函数：
式中：VL、VR分别为勒夫波和瑞利波速度，f为频率，Vs、Vp分别为横波速度向量和纵波速度向量，ρ、h分别为地层的密度向量和厚度向量，j表示记录的数据次数，瑞雷波和勒夫波观测数据分别为m、n；i表示地层的层数，共k层。当观测数据量n＞k且m＞k时，构成超定方程，可以通过勒夫波和瑞利波的频散方程求解得到相应地层的主要信息厚度h和和波速度Vs；
(2)构建以下目标函数：
式中Φ为目标函数，VLoi、VLpi分别为第i次勒夫波观测数据和正演计算得到的理论数据，VRoj、VRpj分别为第j次瑞利波观测数据和正演计算得到的理论数据，ω1、ω2分别为勒夫波和瑞利波的加权系数且ω1+ω2＝1，由他们在传播过程中所占的能量百分比决定，一般情况下取ω1＝0.3、ω2＝0.7，m、n分别为勒夫波和瑞利波观测的数据总量；
(3)联合反演可以得到各地层的密度ρ以及厚度h。
步骤4)所述的联合反演，所采用的反演算法包括但不限于阻尼最小二乘法、遗传算法、模拟退火法，迭代和预置的模型参量包含地层的横波速度和厚度。图4所示为真实地层结构与反演结果比较，反演得到的地层厚度和横波速度均与真实地层结构匹配良好，说明基于勒夫波和瑞利波的联合反演方法具有很高的精度。
Claims (6)
1.一种基于勒夫波和瑞利波联合反演地层分层结构的方法，其特征在于通过如下方法实现：
1)采用单端激振法用三分量检波器同时采集勒夫波和瑞利波剪切波速，布置检波器，以测点为对称中心，将检波器呈直线均匀安放在地表，使之与地面嵌合紧密且直立；
2)用重锤竖向冲击地面，地震仪记录检波器接收地表振动信号；
3)将2)中的地震记录进行面波频散曲线的提取，获得勒夫波和瑞利波频散数据；
4)将3)所得到的勒夫波和瑞利波频散数据进行联合反演，得到地层模型数据；
步骤4)所述的联合反演是：
(1)将勒夫波和瑞利波的频散方程表示为隐函数形式的以下函数：
式中：VL、VR分别为勒夫波和瑞利波速度，f为频率，Vs、Vp分别为横波速度向量和纵波速度向量，ρ、h分别为地层的密度向量和厚度向量，j表示记录的数据次数，瑞雷波和勒夫波观测数据分别为m、n；i表示地层的层数，共k层。当观测数据量n＞k且m＞k时，构成超定方程，可以通过勒夫波和瑞利波的频散方程求解得到相应地层的主要信息厚度h和和波速度Vs；
(2)构建以下目标函数：
式中Φ为目标函数，VLoi、VLpi分别为第i次勒夫波观测数据和正演计算得到的理论数据，VRoj、VRpj分别为第j次瑞利波观测数据和正演计算得到的理论数据，ω1、ω2分别为勒夫波和瑞利波的加权系数且ω1+ω2＝1，由他们在传播过程中所占的能量百分比决定，一般情况下取ω1＝0.3、ω2＝0.7，m、n分别为勒夫波和瑞利波观测的数据总量；
(3)联合反演可以得到各地层的密度ρ以及厚度h。
2.根据权利要求1所述的一种基于勒夫波和瑞利波联合反演地层分层结构的方法，其特征在于，在步骤1)所述的在进行地震记录采集时，使用单端激发，用三分量检波器采集共炮点等道距单炮记录，并同时记录道间距、偏移距；
3.根据权利要求1所述的一种基于勒夫波和瑞利波联合反演地层分层结构的方法，其特征在于，在步骤2)所述的在重锤激发时，其落点与地面之间应放置一块面积较大的铁板，以便于激发出利于记录的勒夫波和瑞利波信号；
4.根据权利要求1所述的一种基于勒夫波和瑞利波联合反演地层分层结构的方法，其特征在于，在步骤3)所述的面波频散曲线提取时，可以选择f-k域或τ-p域进行人工提取或自动提取幅度峰，并根据相应变换读取相速度，获得勒夫波、瑞利波频散曲线；
5.根据权利要求1所述的一种基于勒夫波和瑞利波联合反演地层分层结构的方法，其特征在于，在步骤4)所述的联合反演时，所采用的反演算法包括但不限于阻尼最小二乘法、遗传算法、模拟退火法；
6.根据权利要求1所述的一种基于勒夫波和瑞利波联合反演地层分层结构的方法，其特征在于，在步骤4)所述的联合反演时，迭代和预置的模型参量包含地层的横波速度和厚度。
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