近地表三维复杂介质中瑞雷波传播特性研究

3D spatial changes of structure and complexity of variation in the physical medium along different directions are two intrinsic properties of the underground media. Upon the theoretical analysis and numerical modeling, study are carried out for the scattering characteristics of the heterogeneous body for the Rayleigh wave in the 3D isotropic and anisotropic medium. Meanwhile, the formation mechanism and coupling mode of the high mode Rayleigh wave, the stratal configuration factors affecting the high mode Rayleigh wave, and the propagation characteristics of the Rayleigh wave in the random medium are examined. In addition, by means of the field experiment, the scattering characteristics and the characteristics of the high mode Rayleigh wave in the observation data, and the characteristics of the Rayleigh wave for the random medium models, are analyzed to validate the efficiency of the propagation characteristics of the Rayleigh wave portrayed by various 3D complex medium models. The propagation of surface wave in the actual underground medium will be completely understood. The results are of important theoretical and practical significance in improving the precision of the surface wave exploration under conditions of near-surface complex geologic configuration, carrying out 3D surface wave exploration, and studying the surface wave under geologic configurations with large dimension.

构造形态在三维空间中变化的立体性和介质性质在各方向上变化的复杂性是实际地下介质的两个固有属性。本项目拟通过理论分析和数值模拟作为主要研究方法：研究三维各向同性和各向异性介质中非均匀体对瑞雷波的散射特征；研究瑞雷波高模式的形成机理、耦合方式及影响瑞雷波高模式的地层结构因素；研究随机介质中瑞雷波的传播特性。并通过开展野外实验研究，对观测数据的瑞雷波散射特性、高模式特征以及基于随机介质模型的瑞雷波特征等进行分析，验证所设计的各种三维复杂介质模型刻画瑞雷波传播特性的有效性，以达到较全面地认识瑞雷波在实际地下介质中波场传播规律的目的。本项研究结果不仅对提高近地表复杂地质结构条件下瑞雷波的探测精度和实现三维面波勘探有重要的理论意义和应用价值，而且对大尺度地质结构的面波研究也具有参考价值。

面波（瑞雷波和勒夫波）凭借其衰减小、信噪比高、抗干扰能力强、分辨率高以及在层状介质中具有的频散特性，在近地表工程地质勘察中的第四系地层划分、地下洞穴探测、地基加固处理效果评价、岩土体力学参数测定以及高速公路路基、水库大坝的质量检测、材料的超声表面波等诸多领域有着广泛的应用。目前关于面波传播特性的研究主要是针对二维分层介质，随着研究的不断深入，三维复杂介质中面波的传播特性的研究是非常必要的。本项目研究了基于MIC平台的并行计算实现面波高阶有限差分数值模拟，通过设计不同的复杂介质模型对各向同性介质和横向各向同性介质（VTI）中面波的传播特征进行了研究。项目通过理论分析及不同模型的数值模拟，分析了面波高阶模式的形成机理，通过研究发现了面波高模式与横波和转换波的多次反射密切相关这一特性，同时对于频散曲线高阶模式中不同的相速度所对应于时间域中的波场记录进行了研究。有关高阶模式的提取可以采用先分离不同模式的波场记录，然后单独提取各阶模式的频散曲线，从而提高频散曲线提交的精度。为了增加面波勘探的水平分辨率及反演的可靠性，可利用S变换时频分析的方法来提取两道信号的频散曲线，并且在两道信号中可以提取高阶模式，从而在反演中采用基阶和高阶模式频散曲线联合反演，增加了反演的可靠性。对于面波在随机介质方面通过建立随机介质模型并进行数值模拟，分析其波场传播特征和频散曲线，从而对瑞雷波在随机介质传播过程中不均匀体影响情况进行了分析。对于瑞雷波在混凝土介质中的传播特性的研究，通过分析骨料形状、粒径、颗粒大小等的变化对瑞雷波场及频散曲线的影响，分析了瑞雷波在混凝土质量检测中的可行性。面波勘探的发展必然要从目前的二维勘探转向三维勘探，本项目所开展的三维复杂介质中面波传播特性的研究对于今后开展三维面波勘探有非常重要的意义。