各向异性近地表中面波的传播机制及频散特性研究

In the field of near-surface geophysics, the mismatch between prediction based on isotropic theory and seismic observations indicates the need for the inclusion of medium anisotropy. It is very important to use surface wave dispersion to study the near-surface anisotropy, not only for the study of medium properties, but also for the accuracy of forward modeling and inversion. In this project, surface wave propagation properties in anisotropic media are studied first, including the derivation and the calculation of wave equations of Rayleigh wave and Love wave in multi-layered anisotropic media. Furthermore, the dispersion properties of surface wave in anisotropic media are studied, including the derivation of dispersion equation and the extraction of multi-modes dispersion curves. Finally, a joint inversion method based on Rayleigh wave and Love wave dispersion is proposed to estimate the anisotropy structure of near surface sediment. It is a new attempt to obtain more precise and complete anisotropy information of near surface, using both the accuracy of shear wave velocity (or stratigraphic structure) estimation by Love wave and the capacity of P wave velocity estimation by Rayleigh wave. This method will have important significance in the field of urban underground space detection and development, such as high resolution imaging, and the incensement of the construction safety.

在近地表地球物理领域，理论预测与实际观测之间的误差迫切需要考虑介质的各向异性。利用面波的频散特性开展近地表各向异性的研究，对于深入全面研究地层的特性、开展更为准确的正演与反演具有重要的意义。本项目首先研究了面波在各向异性近地表中的传播机制，包括瑞利波与勒夫波在多层各向异性介质中波动方程的推导与计算；其次，研究了面波在各向异性近地表中的频散特性，包括瑞利波与勒夫波在多层各向异性介质中频散方程的推导以及多模频散曲线的获取；最后，本项目提出了基于瑞利波与勒夫波频散特性的联合反演估计近地表各向异性参数的方法。该方法综合利用了勒夫波反演横波速度与地层结构的准确性以及瑞利波反演纵波速度的可能性，在反演地层速度的同时，也对各向异性参数进行了更加完备的估计。这在利用面波开展近地表研究中是一种创新，对于城市地下空间的精确探测，以及开发过程中建筑工程的安全保障、灾害抵抗力的提高，都具有重要的意义。

在近地表地球物理领域，考虑介质的各向异性能够提高预测的精度、获得更清晰的成像结果。利用面波的频散特性开展近地表各向异性的研究，对于深入全面研究地层的特性、开展更为准确的正演与反演具有重要的意义。本项目提出了“综合利用瑞利波与勒夫波的频散特性联合反演地层速度与各向异性”的研究思想，开展理论研究、计算机模拟、实验分析的综合研究。首先，理论上推导出了瑞利波与勒夫波在多层TI介质中的波动方程与频散方程，利用时域有限差分（FDTD）方法对波场进行数值计算，研究面波在多层TI介质中的传播机制。其次，采用一种基于图像分割的方法快速有效的提取频散曲线，研究面波在多层TI介质中的频散特性。研究表明，介质的各向异性对面波频散曲线高阶模的影响大于低阶模。因此，提取面波的多模（特别是高阶模）频散曲线对于准确估计速度与各向异性也是十分必要的。最后，综合利用了勒夫波反演横波速度与地层结构的准确性以及瑞利波反演纵波速度的可能性，在反演地层速度的同时，也对各向异性参数进行了更加完备的估计。通过结合计算机模拟和实验分析，验证了研究方案的可行性与有效性。该技术在面波勘探领域是一种创新，对于城市地下空间的精确探测，以及开发过程中建筑工程的安全保障、灾害抵抗力的提高，都具有重要的意义。