西部山区高阶瑞利面波椭圆极化特征研究

Traffic, hydropower and mineral resources in the western mountain areas, have advanced the economic development. For the safety construction, the rock structures and mechanics properties must be clear. At present the main factors influencing the velocity structure detection is the basic theory and method of seismic exploration. Traditional seismic methods needs long array and is easy to be restricted by terrain. So it is not perfectly suitable for complicated western areas.The new method of multi-components Rayleigh wave at one point is mainly based on the fundamental mode, which is less information in some cases and not suitable for complicated western mountain areas in geological structure detection, especially when the higher order has strong energy. So, we should research high order surface wave. Therefore, the application project is to study high mode surface wave elliptic polarizations for the western mountain areas, based on the numerical simulation, physical simulation, field experiments and advanced digital processing method.

西部山区铁路公路，水电及矿产资源等大型工程项目的深入开展，使其在促进国民经济发展中的作用越发重要。这些项目安全实施的重要前提就是必须搞清楚山区内部复杂的地质结构及岩土体的工程力学性质。目前影响山区速度结构探测的主要因素是地震勘探的基础理论及方法。传统地震采集方法需布置长大排列易受地形等限制，不适合山区复杂地质情况。最新提出的基于瑞利面波单点多分量观测方法对于解决该问题具有重要意义，但由于其主要是对基阶一种模式面波的研究，信息量少，不能完全适合西部山区复杂地质结构。尤其当地质结构特殊，基阶面波能量较弱，高阶面波能量较强甚至占主要成分时，应加强对高阶面波的研究，且高阶面波具有更高分辨率。因此，申请项目拟在基阶面波单点多分量研究基础上，采用数值模拟，物理模拟，现场实验和先进的数字处理方法，展开对高阶面波质点运动椭圆极化特征的研究，从而为西部山区复杂地质结构的速度探测提供更加完善的基理和方法。

本项目研究以西部山区内部复杂的地质结构探测为应用背景，展开对复杂介质中包括基阶和高阶模式在内的多模式瑞利面波速度频散和椭圆极化特征的研究，为发展可突破山区内部岩体结构探测中面临的结构复杂和地形适应性双重制约的速度结构探测方法提供理论基础。研究主要采用数值模拟，物理模拟，现场实验和现代信息处理方法对水平层状介质和复杂介质中多模式瑞利面波椭圆极化特征以及椭圆极化参数速度结构估计几个方面展开。研究表明：均匀介质中瑞利面波只有一种模式，并且与速度频散相类似，瑞利面波的椭圆极化率也不存在频散现象，并且其幅值与介质泊松比近似呈线性反比关系；非均匀介质中则具有多模式现象，且各模式椭圆极化率都具有频散特性，其幅值与介质泊松比呈高度非线性反比关系。该研究标明，利用多模式瑞利面波椭圆极化频散特性对地下介质泊松比结构或横波速度结构进行定性或定量估计是具有坚实的理论基础的。利用瑞利面波椭圆极化频散特性对介质速度结构反演方法的研究表明：对于层状介质，多模式瑞利面波椭圆极化频散特性是可以用于估计横波速度结构的，而对于横向非均匀介质和被动源如地脉动信息，还需要做进一步研究。项目研究成果深化了对复杂介质中多模式瑞利面波波场的理论认识，奠定了基于单点多分量多模式瑞利面波（主动或被动源）探测方法的重要理论和应用基础。本项目研究对单点多分量地震探测的理论和方法具有重要的科学意义。