山区深部岩体结构的瑞利面波椭圆极化特征研究

The project ratios of deep-buried tunnels with non-replaceable part in passing complex geology and topography conditions are rapidly increasing in the development of the railway and highway in the west mountain areas of China. In addition, the large-scale Power Stations and deep mineral resource mining are also taking a more and more important pole in the national economic development. The constructions and operations of those deep-buried engineering projects require an in-depth study on the complex geologic structure and the engineering mechanic parameters of rock mass in the deep underground. It is clearly that the theoretical foundation and methods of velocity structure surveys are of significant importance to the study. The survey methods for deep velocity structures available nowadays all require long arrays for field measurement as their work principles mainly dependent on the theory of the travel velocity of seismic waves. And thus, their application to the velocity structure survey of rock mass in deep underhround in the mountain areas are seriously restrainted by the both complexities of mountain topography and of the deep rock mass structure. Based upon the feature that particle motion of Rayleigh wave can be measured by a single vector-sensor, we propose a reseach for ellipticity of Rayleigh wave under the conditions of complex velocity structure with the means of numerical modeling, experiments and field observation, being aimed at to supply a theory support to the development of a new method with a single vector-sensor for the velocity structure survey of the deep rock mass in the mountain areas and also promote the general theory foundation of the velocity structure survey of the deep rock mass with high resolution in common areas.

深埋隧道以其在通过复杂地质地形条件具有的不可替代的作用，在西部山区铁路公路的建设中占有越来越大的工程比。同时，西部山区的大型水电站建设，深部矿物资源开采也在国民经济建设中占有越来越重要的地位。这些山区深部工程的安全建设和运营都迫切需要对深部复杂地质构造，岩体工程力学性质进行深入的研究。深部岩体速度结构探测的理论基础与方法显然是制约这些研究发展的重要因素。由于现有的深部速度结构探测方法是基于地震波速度传播理论的，均需采用长大观测排列，因此其在山区深部岩体速度结构的探测中受到艰险地形和岩体结构复杂性的双重制约。基于瑞利面波质点运动可用单个三分量传感器观测的特性，申请项目拟采用数值模拟，物理模拟，现场实验和现代信息处理方法，开展复杂介质瑞利面波质点运动的椭圆极化特征研究，旨在为发展基于单点多分量观测的山区深部岩体速度结构探测方法提供理论基础，也期对广义深部岩体构造精细探测的理论基础有重大推进。

项目研究以山区深部岩体结构探测为应用背景，展开对复杂介质瑞利面波椭圆极化特征研究，为发展可突破山区深部岩体结构探测中面临的横向非均质性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的瑞利面波椭圆极化特征以及椭圆极化参数速度结构估计三个方面展开。对瑞利面波在非均匀介质中的传播特征研究表明：与瑞利面波的速度频散特性类似，均匀介质半空间的瑞利面波的椭圆极化率不存在频散，其幅值与介质泊松比成线性反比关系；非均匀介质半空间的椭圆极化具有频散特性，其幅值与介质泊松比成高度非线性反比关系；基于瑞利面波椭圆极化频散的该特性，可定性或定量的估计地下介质的泊松比结构或横波速度结构。研究还表明，非均匀介质(包括介质表面的几何变化)的存在除了对瑞利面波传波速度的直接影响,还会散射瑞利面波,导致瑞利面波转换为体波（主要为S波），从而影响速度或椭圆极化率频散特征。对瑞利面波的速度结构估计方法研究表明：对于层状介质，与基于瑞利面波运动学特性的速度频散曲线和相似，基于动力学特征的椭圆极化率频散曲线也可以用于估计横波速度结构；而对于横向非均匀介质，由于反演中水平层状介质正演模型的不适用性,导致瑞利面波速度和椭圆极化率频散曲线的横波速度结构估计方法一般都是不适用的。研究的成果还揭示了地脉动信号的波动模式特征和介质非均匀分布特征之间的联系。项目的研究成果奠定了基于单点多分量被动源（或主动源）的瑞利面波探测方法的重要理论和应用基础。同时，研究成果深化了对复杂介质瑞利面波波场的理论认识，并对深部岩体速度构造精细探测的理论基础与方法，地脉动的理论和方法，多分量地震探测的理论和方法的研究和发展具有重要的科学意义。