本發(fā)明涉及地質(zhì)勘測、被動源面波成像，具體涉及一種基于小尺度直角坐標(biāo)系的地質(zhì)面波的三維橫波速度模型建立方法。

背景技術(shù)：

1、地震面波沿著地球表面?zhèn)鞑?，其傳播速度隨著頻率發(fā)生變化(稱為面波頻散)，且因其不同的頻率成分對地下不同深度范圍內(nèi)的速度結(jié)構(gòu)具有約束作用而被廣泛地用于研究全球尺度、區(qū)域尺度和工程尺度的橫波速度結(jié)構(gòu)。

2、一般在大尺度結(jié)構(gòu)(幾十公里到數(shù)千公里)研究中，基于面波頻散成像的方法通常采用兩步法策略，即先通過不同周期的面波走時來構(gòu)建二維網(wǎng)格點下對應(yīng)周期的相速度圖(或群速度圖)；其次根據(jù)每個網(wǎng)格點得到的相速度頻散曲線(或群速度頻散曲線)來反演該網(wǎng)格點下方的一維(1-d)橫波速度結(jié)構(gòu)；最后將所有網(wǎng)格點下方的1-d橫波速度結(jié)構(gòu)插值得三維橫波速度模型。該種策略也被用來提高淺層面波勘探的水平分辨率。對于兩步法，其需要觀測量較多的周期數(shù)據(jù)來獲得更高分辨率的相速度(或群速度)圖像以提高橫波速度結(jié)構(gòu)的水平分辨率，而對于實際觀測量較少的周期則被忽略掉，因此降低了數(shù)據(jù)的利用度；另外由于單個網(wǎng)格點單獨反演無法考慮到相鄰網(wǎng)格點下方橫波速度結(jié)構(gòu)的相關(guān)性，若某些網(wǎng)格點單點頻散受到干擾，則會出現(xiàn)虛假異常。

3、為解決兩步法所帶來的上述問題,近年來發(fā)展的面波直接成像算法可略過相速度(或群速度)成像，直接基于射線追蹤思想，反演不同周期下的面波走時得到地下三維橫波速度結(jié)構(gòu)，該法稱為一步法或直接面波成像算法。

4、面波頻散成像對于研究不同尺度的地下介質(zhì)波速結(jié)構(gòu)有著重要作用。近年來發(fā)展的面波走時直接成像(dsurftomo)算法，由于其提高了頻散數(shù)據(jù)的利用率以及考慮地下不均勻介質(zhì)結(jié)構(gòu)的橫向相關(guān)性，已被廣泛地應(yīng)用到不同尺度(數(shù)公里至上千公里)的三維橫波速度結(jié)構(gòu)研究之中。通常，對于探測深度3km的小尺度的結(jié)構(gòu)成像(如城市規(guī)劃、礦產(chǎn)勘探)，通常采用獨立平面直角坐標(biāo)系。

5、然而，dsurftomo是基于球坐標(biāo)下的快速行進(jìn)法進(jìn)行射線追蹤與計算理論面波走時，其比較適應(yīng)于區(qū)域性的地下結(jié)構(gòu)成像研究。為了將dsurftomo拓展到更小尺度的研究區(qū)，本文提出了一種基于直角坐標(biāo)系的面波走時三維直接成像算法，降低直接采用球坐標(biāo)系的面波直接成像算法本身所帶來的誤差,提高反演結(jié)果的準(zhǔn)確度，數(shù)值實驗表明其可被應(yīng)用于更小的臺陣間距(100m)。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為了解決上述問題，本發(fā)明提供一種基于小尺度直角坐標(biāo)系的地質(zhì)面波三維橫波速度模型建立方法，包括:

2、步驟1：假設(shè)當(dāng)前時刻地質(zhì)面波的三維橫波速度為mcurrent；

3、步驟2：將步驟1的三維橫波速度mcurrent采用三線性插值抽取，得到一維速度vs模型；

4、步驟3：將步驟2得到的一維速度vs模型的結(jié)果代入cps軟件包，根據(jù)觀測頻散曲線的周期，計算第k個網(wǎng)格點的群速度uk(f)，將群速度uk(f)代入直角坐標(biāo)系下的二維程函方程，得到第i條面波射線路徑的理論面波走時

5、步驟4：基于觀測的實際面波頻散曲線，獲得第i條面波射線路徑的觀測面波走時構(gòu)建觀測面波走時與理論面波走時的殘差公式δti(f)；

6、步驟5：構(gòu)建二維群速度的擾動模型；

7、步驟6：將步驟5的公式代入步驟4中得到新的面波走時殘差，并將其轉(zhuǎn)換為面波走時殘差向量；

8、步驟7：基于步驟6的面波走時殘差向量，計算橫波速度模型擾動量的近似解

9、步驟8：將步驟7得到的累加到步驟1假設(shè)的三維橫波速度模型，得到當(dāng)前時刻地質(zhì)面波的三維橫波速度模型；

10、步驟9：返回步驟3繼續(xù)迭代，直到反演收斂。

11、優(yōu)選的，步驟2得到一維速度vs模型i＝2；i＝1表示深度上第j個網(wǎng)格點的縱波速度vp；i＝3表示深度上第j個網(wǎng)格點的密度。

12、優(yōu)選的，步驟3的第i條面波射線路徑的理論面波走時

13、

14、優(yōu)選的，步驟4的觀測面波走時與理論面波走時的殘差公式δti(f)為：

15、

16、其中，約等號的右側(cè)是未知的，δuk(f)為第k個網(wǎng)格點的群速度擾動，lik為第i條面波射線分配在二維群速度圖上的第k個網(wǎng)格點的射線長度。

17、優(yōu)選的，步驟5的二維群速度的擾動模型為：

18、

19、其中，j為深度方向的網(wǎng)格點數(shù)，為一維橫波速度擾動。

20、優(yōu)選的，將步驟5的公式代入步驟4中得到：

21、

22、其中，rα(zj)和rρ(zj)是基于經(jīng)驗的比例因子，gil表示第i條面波射線路徑上和三維空間上第l個網(wǎng)格點上的橫波速度敏感度，水平面有k個網(wǎng)格點，垂直方向有j個網(wǎng)格點，總網(wǎng)格點數(shù)為k*j，ml表示第l個網(wǎng)格點上的橫波速度模型的擾動量，這里的i＝2，對于所有的面波走時殘差，列出上述方程，即可構(gòu)建出敏感度g矩陣，其中g(shù)il就是g矩陣的第i行第k列元素；

23、將δti(f)的公式轉(zhuǎn)換為：δd＝gδm，其中δd為殘差向量，δd和g均為已知量，則求得橫波速度擾動向量δm。

24、優(yōu)選的，步驟7具體為：基于步驟6的橫波速度擾動向量δm，計算橫波速度模型擾動量的近似解：

25、

26、式中，為δm的近似解，t表示轉(zhuǎn)置，l為平滑項算子，λ為阻尼因子。

27、優(yōu)選的，步驟8的當(dāng)前時刻地質(zhì)面波的三維橫波速度模型為：

28、

29、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

30、本發(fā)明提出了一種基于小尺度直角坐標(biāo)系的地質(zhì)面波三維橫波速度模型建立方法，以適應(yīng)小尺度面波成像。通過數(shù)值實驗以及實際數(shù)據(jù)測試驗證了新方法的有效性，為小尺度淺層精細(xì)面波勘探以及小尺度體波面波等聯(lián)合反演策略提供了一個有力的工具。

31、目前，本文所提出的直角坐標(biāo)系下的dsurftomo算法與球坐標(biāo)系下的dsurftomo算法的唯一區(qū)別在于使用不同坐標(biāo)系。直角坐標(biāo)系下的面波走時直接成像算法可直接與其他基于直角坐標(biāo)系開發(fā)的反演算法(如大地電磁成像或體波走時成像)進(jìn)行聯(lián)合來降低地下介質(zhì)物性結(jié)構(gòu)反演所帶來的非唯一性，在聯(lián)合反演過程中避免了不同坐標(biāo)系參數(shù)轉(zhuǎn)換問題。

32、此外，本發(fā)明提出的方法相比球坐標(biāo)系下的面波走時直接成像算法，可應(yīng)用于工程勘探所使用的局部獨立坐標(biāo)系中，方便與鉆探等勘查數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合解釋。

技術(shù)特征：

1.一種基于小尺度直角坐標(biāo)系的地質(zhì)面波三維橫波速度模型建立方法，其特征在于：包括:

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于小尺度直角坐標(biāo)系的地質(zhì)面波三維橫波速度模型建立方法，其特征在于：

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于小尺度直角坐標(biāo)系的地質(zhì)面波三維橫波速度模型建立方法，其特征在于：

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于小尺度直角坐標(biāo)系的地質(zhì)面波三維橫波速度模型建立方法，其特征在于：

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種基于小尺度直角坐標(biāo)系的地質(zhì)面波三維橫波速度模型建立方法，其特征在于：

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種基于小尺度直角坐標(biāo)系的地質(zhì)面波三維橫波速度模型建立方法，其特征在于：

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種基于小尺度直角坐標(biāo)系的地質(zhì)面波三維橫波速度模型建立方法，其特征在于：

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種基于小尺度直角坐標(biāo)系的地質(zhì)面波三維橫波速度模型建立方法，其特征在于：步驟8的當(dāng)前時刻地質(zhì)面波的三維橫波速度模型為：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及地質(zhì)勘測技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于小尺度直角坐標(biāo)系的地質(zhì)面波的三維橫波速度模型建立方法。步驟1：假設(shè)當(dāng)前時刻地質(zhì)面波的三維橫波速度；步驟2：提取一維速度模型；步驟3：基于直角坐標(biāo)系下的二維程函方程，得到理論面波走時；步驟4：構(gòu)建觀測面波走時與理論面波走時的殘差；步驟5：構(gòu)建二維群速度的擾動模型；步驟6：將面波走時殘差轉(zhuǎn)換為面波走時殘差向量；步驟7：計算橫波速度模型擾動量的近似解；步驟8：得到當(dāng)前時刻地質(zhì)面波的三維橫波速度模型；步驟9：返回步驟3繼續(xù)迭代，直到反演收斂。本發(fā)明的方法能降低原有算法在小尺度區(qū)域應(yīng)用中產(chǎn)生的誤差，更適用于小尺度區(qū)域的面波成像邊界區(qū)域的缺陷。

技術(shù)研發(fā)人員：胡景,王華明
受保護(hù)的技術(shù)使用者：長安大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/2