基于波场分离的高频瑞雷波波形反演方法

Urbanization is an inevitable trend in modernization of human society. In the next 10 years, China's urbanization process will run at the highest speed in its history of China. The urbanization of China has great demand for underground space. Reasonable development, comprehensive utilization and effective protection of underground space have put forward numerous theoretical and practical problems on near-surface geophysics. This project is to utilize the feature that surface-wave energy is relatively strong in seismic records, to obtain relatively accurate near-surface P-wave and S-wave velocity structures using high-frequency Rayleigh-wave waveform inversion. This project is based on precise separation of body and surface waves as the starting point to divide Rayleigh-wave full waveform inversion into two steps. Firstly, the effective and high precision method of separating body waves and surface waves in seismic records of the vertical component will be studied, and the P-wave velocity structure will be obtained by using the inversion of "pure" body waves based on the acoustic wave equation. Second, using the P-wave velocity structure obtained from the inversion of the "pure" body waves as a known parameter, the full waveform inversion of the P-SV waves will be used to obtain the S-wave velocity structure. In the full waveform inversion of P-SV waves, the P wave velocity is known, the earth model is constrained, and the parameters of the model are reduced, so as to reduce the nonuniqueness of Rayleigh-wave full waveform inversion. Therefore, the stability of the inversion process should be improved.

城镇化是人类社会现代化发展的必然趋势。在未来的10年里，中国城镇化进程将以其历史上最高的速度运行。中国城镇化对地下空间的需求极大。合理开发、综合利用和有效保护地下空间对浅地表地球物理提出了诸多理论和实际问题。本项目利用地震记录中面波能量较强这一特点，通过对高频瑞雷波波形反演的研究获取相对准确的浅地表P波和S波速度结构。本项目以体波和面波高精度分离为研究起点，将瑞雷波全波形反演分为两步。第一，研究将垂向分量地震记录中体波和面波高精度分离的有效方法，利用声波近似全波形反演分离后的“纯”体波，获取P波速度结构。第二，将反演“纯”体波获取的P波速度结构作为已知参数，利用P-SV波全波形反演垂向分量地震记录(P-SV波)达到获取S波速度结构的目的。由于在P-SV波全波形反演中，P波速度已知，地球模型受到约束，减少了模型参数，从而降低瑞雷波反演的多解性，提高反演过程的稳定性。

浅层地震全波形反演（FWI）在浅层地下速度模型的重建中引起广泛的注意。由于浅层地震记录的垂直分量以瑞利波为主，FWI通常拟合观测数据中的瑞利波，而忽略了P波数据的利用。如何在浅层地震FWI中恰当地使用体波信号仍然是一个问题。为了更好地利用浅层地震资料中的纵波信号，我们提出了一种波场分离全波形反演（WSFWI）方法。WSFWI方法主要包括两个步骤：1）从观测数据中分离P波，并对其应用声学FWI重建P波速度模型；2） 我们修正了P波速度模型，并将弹性FWI应用于整个记录，以重建S波速度模型。我们发现，面波和P波对模型的不同区域的敏感度是不同的。因此WSFWI可以更好地利用P波的敏感核来提高重建P波速度模型的精度。一个实例表明，WSFWI优于同时使用整个记录的FWI，尤其是在P波速度模型的重建方面。这也证明了WSFWI能够避免（减轻）从横波速度到纵波速度模型的串扰。我们将传统的FWI和WSFWI应用于在美国奥拉萨采集的现场数据集。实例表明，S波速度模型在FWI和WSFWI结果中都具有很高的鲁棒性。常规FWI和WSFWI都很好地拟合了观测到的瑞利波，而WSFWI也拟合了观测数据中的P波，重建了可靠性相对较高的P波速度模型。