基于海洋环境噪声的海底浅层沉积物物性参数反演研究

The identification study of shallow seabed sediment elastic parameters has an important academic significance and application value in submarine geological hazard assessment. Ambient noise inversion method independent on earthquake is developed to provide higher resolution of seabed near-surface properties comparing with the traditional exploration method, and analyze their uncertainties quantitatively in this project. The high-resolution multimode interface-wave dispersion curves are extracted from ambient noise recordings at hydrophones of ocean bottom seismometer (OBS) in Bohai Sea using the cross-correlation method and the time-frequency analysis multi-filter technique. The extraction mechanism of interface-wave dispersion curves based on the ocean ambient noise is expounded. The origin and distribution regularity of multimode dispersion characteristics are discussed and revealed. The nonlinear Bayesian inversion approach is applied to estimate high accuracy and resolution seabed near-surface sediment physical parameters such as shear-wave speed, compression-wave speed and density, by inverting the fundamental mode dispersion curve and multi-mode dispersion curves, respectively. Their uncertainties and stabilities are analyzed quantitatively and the results between the fundamental mode and multimode inversions are compared. The elastic parameters of submarine sediment, such as shear modulus, Poisson's ratio and elastic modulus, which are computed by the sediment physical parameter estimates based on soil mechanics principle. The influencing factors and their hazards of submarine instability are analyzed and evaluated by combining with the geologic materials in the study area, respectively. The results of the project will provide scientific basis for the seafloor resources exploration and marine engineering constructions.

海底浅层沉积物参数识别是正确认识和评估海底地质灾害的前提。本课题发展一种不依赖于震源的海洋环境噪声反演方法,与常规勘探方法相比，不仅具有更高的海底浅层分辨率,而且能定量分析反演结果的不确定性。研究以渤海海域为靶区，对海底地震仪（OBS）水听器通道记录的海洋环境噪声采用分段互相关和时频分析多滤波技术提取出高分辨率的多模态界面波频散曲线，阐明利用环境噪声提取界面波频散曲线的机理；分析多模态频散特征的成因与分布规律。对基阶模态和多模态界面波频散曲线分别进行非线性贝叶斯反演，获取高精度海底浅层沉积物的剪切波速度、压缩波速度和密度等参数，分析参数反演结果的不确定性和稳定性，揭示多模态频散曲线联合反演的优点。基于岩土力学原理，计算剪切模量、泊松比、弹性模量等动弹性力学参数，结合渤海海域的地质资料，开展海底不稳定性影响因素分析及其危害性评价。项目研究成果将为海洋资源勘探开发及海洋工程建设提供科学依据。

环境噪声反演技术是研究海底地质构造和勘探海底资源的主要手段，通过反演可以获取诸如横波速度剖面结构等重要的海底地质属性。本研究发展了一种不依赖于震源、高分辨率的面波频散曲线提取方法和一种既能满足局部和全局收敛条件，又能对参数反演结果的不确定性进行定量和定性分析的反演方法。从海底地震仪记录的海底环境噪声数据中提取出高分辨率的面波频散曲线，基于新近发展的非线性贝叶斯反演理论，对面波频散曲线进行反演研究。主要研究工作包括传统反演理论和方法分析、基于海洋环境噪声提取面波频散曲线、面波频散曲线正演模型、非线性贝叶斯反演理论以及面波频散曲线反演研究等内容。.主要研究成果包括：.1）提出了一种从海洋环境噪声中提取界面波频散曲线的方法。阐述了互相关、格林函数以及时频分析方法的基本原理。海底地震环境噪声的源具有随机性，经多次散射的影响，具有与地震面波相似的频散特性，其分辨率不依赖于震源信息，采样方向均匀，精度更高。通过对实测海洋环境噪声数据进行分析处理，获得面波的频散特征，验证了该方法的可行性和有效性。.2）实现了面波频散曲线正演模型的建立与求解。正演是反演的前提，是提高反演精度和速度的关键因素。给出了各向同性均匀平面波的弹性波动方程，采用数值模拟实例实现并验证了Thompson-Haskill矩阵算法的有效性，该方法表达形式简单、物理意义明确，且易于编程实现。.3）发展了非线性贝叶斯反演方法。将反演问题的解转化为参数后验概率密度（PPD）的求解，首先利用非线性全局优化算法——自适应单纯形模拟退火法（ASSA）求解最大后验概率（MAP）模型，然后基于贝叶斯信息准则法（BIC）进行模型选择，对最优模型利用非线性数值积分方法——Metropolis-Hasting采样法（MHS）求解参数PPD和相关特征量，进而分析反演结果。与传统的单点估计法不同，非线性贝叶斯反演方法不仅可以有效地估计MAP模型，而且可以从统计角度对参数反演结果的不确定性进行定性和定量分析，通过一个数值算例来说明该算法的有效性。.4）探讨了面波频散曲线联合反演的机理。分析了不同海底分层和常见海底剪切波速度剖面模型，对面波频散曲线进行反演计算。结果表明，面波对海底地质结构敏感性较强，利用面波频散曲线可以获得精细海底分层结构，特别是近海底低速层信息，提高了反演精度。