深层地热花岗岩体地震波数值模拟及传播机制

深层地热资源是一种可再生的、蕴藏巨大能量的清洁能源,但其地球物理响应特征不明确,中深层地热探测成功率较低。为了研究地震波在深层地热岩体中的传播规律与波场特征,建立两种深层地热花岗岩模型,并使用等效交错网格有限差分法实现声波与弹性波的数值模拟。结果表明:地热花岗岩体速度在温度的影响下要高于围岩的,会产生高速屏蔽现象,使得透射波能量变弱,限制了地热岩体下部地震波传播能量;相比于声波,弹性波具有更丰富的波场信息,波型与能量转换使得弹性波地震记录也比声波地震记录复杂。

基于多层全连接神经网络的6C地震波极化向量识别研究

利用机器学习原理,提出一种基于多层全连接(multi-layer fully connected, MFC)神经网络的六分量(six-component, 6C)地震波极化向量识别方法。首先利用6C地震波各波型极化向量数学模型和一系列仿真参数得到5种波型和噪声波型各5 000个极化向量数据集,然后随机选取其中5 000个作为测试集,其余划分为训练集,进行MFC神经网络与支持向量机(support vector machine, SVM)的综合辨识性能对比实验。结果表明,MFC神经网络模型识别5种极化向量类型(SH波和Love波视为一类)和6种极化向量类型的效果均显著优于SVM模型,平均识别率分别达到99.786%和87.940%。

当前研究生教学实践中存在的问题与对策——以地震波成像与反演课程为例

研究生课程教学是研究生培养的重要途径,地震波成像与反演是一门介绍地质资源与地质工程专业地震勘探理论与前沿技术进展的课程。在当前国内高校推动研究生教育迈上新台阶的背景下,该文根据近些年的教学实践,总结高校研究生课程教学中存在的一些问题,并认为提升研究生教学成效的对策主要体现在三个方面,即在教学中突出学科专业知识所蕴含的思想、精神、文化等育人元素,增强研究生课程内容的前沿性,同时还要创新教学和考核方式。

地震波斜入射下埋地腐蚀管道地震响应分析

以埋地X80管道为研究对象,探讨入射角和腐蚀参数以及保温层对管道腐蚀区域地震响应的影响规律。在P波和SV波激励下,入射角θv和θh大约为60°和45°及30°和45°时,管道腐蚀区域中心应力达到最大值556.7和559.7 MPa;相比垂直入射下的441.3和437.0 MPa,分别增大了26.1%和28.0%。入射角为最大响应角度时,P波和SV波下腐蚀深度、长度和宽度对腐蚀管道应力影响占比分别为58.0%和51.9%、22.8%和27.1%以及19.2%和21.0%。管道保温层厚度的增加,会有效减小地震作用下管道腐蚀区的最大应力。因此,在管道抗震设计与维护中,应关注地震波入射角度和腐蚀深度,并考虑保温层的隔震作用。

近接既有隧道爆破激发地震波成分构成及特性研究

为研究新建隧道爆破地震波不同成分对既有隧道结构安全的影响,基于地震学极化偏振原理,结合现场爆破振动监测和ANSYS/LS-DYNA数值模型,分析既有隧道衬砌振动波型的成分构成及特性,探讨既有隧道衬砌动拉应力与P波峰值合振速的关联性。研究结果表明:新建隧道MS1、MS3、MS5、MS7、MS9、MS11和MS13段毫秒延期爆破P、S和R波对既有隧道衬砌质点振动均有贡献,各段别前期均由传播速度最快的P波主导,而后S波和R波相继成为主导波型;地震波传播路径及测振点的位置与波型成分密切相关,新建隧道已开挖和未开挖2个区域所对应的既有隧道质点振动特性存在显著差异,当L/D>1.58(L为距爆源中心的水平距离,D为隧道净距)时,未开挖区域的S波最大幅值超过P波最大幅值,成为后续区段质点振动的主导波型;既有隧道衬砌动拉应力与P波峰值合振速线性相关性较好,安全振速阈值为10.53 cm/s。

隧道表面爆破地震波的产生机制及传播特征

为了研究隧道表面爆破地震波的产生机制及传播规律,提出了隧道表面爆破振动平面应变理论模型,得到了隧道表面爆破振动场积分形式解;以龙南隧道爆破工程为背景,建立了有限元数值模型,通过现场测试验证了数值模拟与理论解答的准确性;提出了基于高分辨率Radon变换的隧道爆破地震波波场分离方法,结合理论解析与数值模拟得到了P波、S波、R波的传播特征,最后综合理论结果与波场分离结果提出了隧道爆破地震波作用分区。结果表明:隧道爆破产生P波、S波,R波在自由面迅速发育,3类波呈现指数衰减特征,S波衰减快于P波快于R波。随着爆心距的增大,垂直方向主要成分由S波转变为R波,水平方向主要成分由S波转变为P波,P波转变为R波。Ⅳ级围岩工况下,隧道爆破地震波作用分区为:隧道轴向距掌子面0~6.44 m为爆破近区,主导波型为水平S波;6.44~21.23 m为爆破中区,主导波型为水平P波;21.23 m外为爆破远区,主导波型为垂直R波。爆破分区分界点与单段最大药量呈线性关系,可通过爆破药量得到隧道爆破分区位置,用于隧道安全稳定性分析。

反射波法隧道超前地质预报地震波走时模拟研究

隧道施工安全常常由于复杂的地质情况面临着巨大的挑战,反射波法地震勘探具有探测深度大、抗干扰能力强等优点,是确保隧道施工安全的重要超前地质预报手段。反射地震波走时计算与地震数据处理中的纵横波分离、速度建模、偏移成像等多个步骤息息相关,直接影响着隧道地质预报的结果。本文将仿照反射波法隧道超前地质预报的实际施工区域进行速度建模,以求解程函方程为基础,结合快速推进法(FMM)中的迎风有限差分方法以及窄带扩展技术实现针对隧道模型的初至地震波走时模拟。并通过对隧道模型中反射界面位置信息的提取,构建反射波初始窄带以及结合窄带扩展技术实现针对隧道模型反射波走时的计算。通过数值分析以及复杂隧道模型计算表明,文中给出的反射波法隧道超前地质预报地震波走时模拟具有良好的计算精度以及较强的适应能力。

基于闭循环单程传播算子的地震波场正演模拟

海面与海底存在的强波阻抗界面,导致海洋地震资料中普遍发育多次波与鬼波.广泛使用的双程波方程有限差分正演方法无法分离不同阶次的多次波及鬼波,不能在偏移和反演迭代中利用多次波,限制了多次波成像方法的推广应用.为实现多次波和鬼波的模拟及分离,本文提出一种基于闭循环单程传播算子的地震波场正演模拟方法.首先,通过推导单程传播算子,得到传统一次反射波传播模型.其次,在水面或不同深度加载上一轮模拟的反射波信号,利用多次闭循环迭代计算,得到表面和层间多次波传播模型,实现不同阶次的多次波模拟与分离.然后,将震源置于水面以下,改变震源信号加载顺序,提出了海洋地震数据的鬼波传播模型及公式.通过透镜体模型,验证了所提出方法的有效性,实现不同阶次表面多次波、层间多次波和鬼波的模拟与分离.并利用Marmousi模型对所提方法与传统有限差分方法进行对比,结果显示两类方法具有相当的精度.本文所提方法能够有效获得任意阶次的多次波及鬼波,可较好融入后续偏移成像和反演迭代过程,以提高成像照明度和分辨率.

地震波斜入射下浅埋偏压双隧道地震响应分析

浅埋偏压隧道上覆岩土体薄弱,承受荷载不对称,在地震作用下的动力稳定性较差且易发生灾害。为研究其在地震作用下的动力响应特征,首先,基于波动理论将地震波转换为黏弹性人工边界上的等效节点荷载,建立了SV波斜入射时的荷载计算公式;其次,在ANSYS中编制APDL程序实现了黏弹性人工边界的自动生成和地震荷载的自动输入;最后,基于该输入方法,研究了某浅埋偏压双洞隧道在不同洞距时衬砌主应力的分布规律。结果表明:地震波斜入射时两隧道衬砌应力均为不对称的X型分布,随着洞距的增大,深埋侧隧道应力分布逐渐趋于对称,浅埋侧隧道应力分布无明显变化;当洞距达到4D(D为最大洞径)后,浅埋侧隧道对深埋侧隧道的影响可以忽略。因此,认为地震波斜入射时浅埋偏压双隧道的合理洞距为4D。

地震波斜入射下水平成层覆盖层地基波动输入研究

覆盖层具有土体动力非线性和结构成层特征,地震波斜入射下覆盖层地基自由场计算难度增大、人工边界吸能能力受到限制,制约了地震波动输入精度和应用。以水平成层覆盖层为研究对象,引入势函数理论,构建了地震波斜入射下顶层幅值矩阵与任意层幅值矩阵之间的动态传递关系,获得土体时域应变;基于二维应变状态理论,采用等效线性化法反映土体动力非线性,建立了地震波斜入射下非线性水平成层覆盖层地基自由场解析计算方法。利用作者发展的非线性黏弹性人工边界单元模拟远域辐射阻尼效应,近场波动分析中边界单元参数随内层土体单元动剪应变变化,边界单元吸能能力达到最优。结合解析自由场转换得到的等效输入荷载,建立了适用于地震波斜入射下非线性水平成层覆盖层地基地震波动输入方法。该方法能够依据深部斜入射波和地表地震动实现覆盖层地基波动输入,依据地表地震动实现波动输入是避免了通过基底地震动正演自由场等过程。研究了弹性水平双层和非线性水平多层覆盖层地基地震响应,结果表明,波动输入计算获得位移和应力均与解析解有较高拟合度,计算精度高,可为水平成层覆盖层地基上土石坝地震响应研究提供基础。

地震波斜入射时不同水深超高水头船闸地震反应分析

基于黏弹性边界的地震动斜入射方法模拟平面SV波和P波不同角度入射情况,采用声固耦合法模拟闸室内动水压力,研究超高水头船闸闸室在不同水深下闸顶位移、加速度和塑性损伤等地震反应。研究表明:地震波斜入射时,超高水头船闸的地震反应随水深变化的规律较垂直入射时明显不同,地震反应的程度一般较垂直入射时更大;相同水深条件下,闸顶水平相对位移峰值、水平加速度峰值多数情况下随入射角增大而增大。超高水头船闸闸室结构地震反应结果受水深变幅影响显著。一般闸墙相对高度为0.2附近的区域更易出现严重受拉损伤,相对水深为0.97时,闸墙临水侧达到严重破坏程度的受拉损伤范围最大。对综合考虑斜入射地震波和闸室内不同水深共同作用有一定的影响。

自适应时窗多道相关的叠后地震波阻抗反演方法

目前提高反演横向连续性的主要手段仍是基于模型参数先验信息假设的正则化方法,当先验信息与实际情况矛盾时,正则化方法会出现问题。为此,基于多道反演理论和方法,提出一种自适应时窗多道相关的叠后地震波阻抗反演方法。首先,利用主动学习的思想,通过查询原始地震数据筛选地震数据关键特征的位置;其次,根据上述位置将地震数据划分为不同尺度的时窗,有助于断层信息保护以及异常体边界识别;再次,根据点乘计算自适应时窗内地震道之间的相关性;最后,通过“加权求和”地震道得到重构地震道——反演目标泛函的约束条件。所提方法借助主动学习以及地震数据局部相关的思想,较好地反映了自适应时窗内的多道间的相关性,并且可并行化处理。模型测试和实际数据测试表明,所提方法反演结果的横向连续性较好,且可以兼顾特殊构造信息,但计算效率较低,在浅、深层速度差异较大的区域存在一定局限性,适用于具有特殊构造的狭小地区。

基于伪解析法的TTI介质纯qP波地震波场正演模拟

近年来,各向异性介质纯qP波正演模拟及逆时偏移成像技术受到广泛关注。常规拟声波方程存在伪横波干扰、受模型参数限制(ε≥δ)、传播不稳定和计算精度不高等因素影响,极大地限制了其应用。为此,本文将qP波拟微分方程变换到空间—波数域,并通过坐标变换,推导了时间域TTI介质二阶纯qP波波动方程;为提高计算精度,引入伪解析算法(pseudo analytical method, PAM),实现了基于伪解析法的TTI介质纯qP波地震波场正演模拟。数值模拟结果表明:(1)本文方法克服了拟声波方程的局限性,消除了伪横波干扰,不受模型参数限制且地震波场能稳定传播;(2)与其他方法相比,伪解析法能有效提高数值模拟精度;(3)简单及复杂模型测试验证了本文方法的正确性与适用性。

鄂尔多斯盆地深层中元古界地震波组及构造—地层层序特征

本文利用最新的测井及地震资料,制作并分析对比了20口井的合成记录,对鄂尔多斯盆地中元古界的地震波组特征展开研究,识别出7个反射界面。其中,T0、T1和T3界面反射波振幅强、连续性好,有着稳定的波形特征,为中元古界主要的区域性不整合面,可作为标志层进行对比。在此基础上,总结了本区中元古界7套地震地层的波组特征,并结合野外露头资料,将研究区中元古界划分为7套构造层,即底部古元古界或太古界片麻岩之上的陆源碎屑沉积岩层Pt2-1(大古石组)、中基性火山岩层Pt2-2(许山组)、酸性火山岩层Pt2-3(鸡蛋坪组)、安山岩夹火山碎屑岩层Pt2-4(马家河组)、碎屑岩层Pt2-5(汝阳群)、泥岩—粉砂岩层Pt2-6(洛峪群)、碳酸盐岩层Pt2-7(蓟县系)。研究发现,鄂尔多斯盆地古元古代末期到新元古代发生了多期裂谷活动,影响了中元古代地层及不整合面的发育。熊耳群为华北克拉通裂谷发育初期,在结晶基底之上沉积的第一套盖层,底部大古石组接受陆源碎屑沉积,此后至熊耳群晚期之间发生的火山活动形成安山岩。裂谷作用晚期,汝阳群粗碎屑岩角度不整合于其上,而后海侵最大,洛峪群泥岩平行不整合于其上。至中元古代末期,海水循环良好,蓟县系碳酸盐岩形成,平行不整合于下伏长城系地层之上。

主动地震波CT反演技术预测冲击地压危险的应用分析

为预防冲击地压事故的发生,亭南煤矿基于PASAT-M型CT微震探测系统,采用主动CT反演技术对309工作面未开采区域进行原位探测。根据探测结果,结合冲击危险性评价模型进行工作面冲击危险区域的预测,以指导后续卸压防冲工作。此次探测区内煤岩层总体处于中等冲击危险等级;采用综合考虑地震波波速异常系数和地震波波速梯度系数的冲击危险性评价模型进行预测,结果与现场实际基本一致。主动地震波CT反演技术与冲击危险性评价模型结合,可以有效探测回采区域内潜在冲击危险区,为下一阶段卸压防冲措施提供精准指导。

基于电火花震源的地震波CT波速影像图去噪

在南京某项目深部采空区采用电火花做为震源进行地震波CT探测时,发现波速影像图上出现诸多假异常,解译成果与实际地质情况不符。鉴于存在的问题,对地震波CT波速图像开展去噪研究,探索到一种使解译的速度值更加接近于实际值一种方法。实践表明,此技术可有效去除地震波CT图像波速影像图上的假异常,提高探测精度。研究成果可为物探专业的地震波CT技术发展提供借鉴。

布桑加水电站坝址探洞地震波CT应用研究

为满足布桑加水电站混凝土双曲拱坝对地质条件的基本要求(即坝基岩体完整均一、强度高、地质构造简单等),需要研究坝址区基础岩体质量状况,并探查岩体内部是否存在地质缺陷,利用坝址区两坝肩已开挖探洞实施洞间岩体地震波CT测试,获得测试区域工程岩体的波速分布规律。依据地震波CT成像波速分布变化特点判定坝址工程岩体结构特征、工程岩体质量以及地质构造、软弱岩带等地质缺陷的空间分布等,揭示了坝址区工程岩体的基本地质条件,取得了良好的应用效果,达到了勘察测试的目的,为大坝工程设计提供了可靠的基础资料。

地震波三重震相在地幔转换区结构研究中的应用

地幔转换区位于上、下地幔之间,作为地球内部物质循环的关键场所而被地学界长期关注。410 km和660 km间断面是地幔转换区的上下边界,对这2个间断面附近的速度结构及间断面起伏形态进行成像,有助于了解地球内部物质和能量循环。地震波三重震相对速度缓变的结构较为敏感,因而可用于直接约束间断面附近的速度结构及间断面起伏形态。本文概要介绍三重震相对地幔转换区结构的响应特征,并对三重震相波形拟合方法获得的全球多个地幔转换区的速度结构及间断面起伏特征等方面的成果进行综合分析,并据此探讨地幔转换区间断面起伏形态和俯冲滞留物质等对地幔物质组分、温度变化、地幔矿物含水量、地幔动力学过程和地球内部物质循环过程的约束能力。

岩溶地区公路隧道施工三维地震波探水技术

为提高地震波法超前预报技术在岩溶地区隧道施工中探测岩溶及地下水的精准度,在液-固弹性理论的基础上,通过分析含水体反射界面人工地震波反射系数、地震波应力响应及其与地震波属性间的关系,得到与瞬时振幅和瞬时频率相关的地震波应力响应表达方式,进而结合流体力学理论导出地震波属性与地下水流动势能关系,建立地下水赋存程度评价指标。在此基础上,结合隧道施工环境制定三维地震波探测方法、地下水识别方法及等级划分标准,并通过巫镇高速公路隧道工程进行现场试验。结果表明:地下水预报结果与实际揭露情况一致,验证了该技术的有效性和准确性。

复杂固-液介质的速度应力方程三角形单元间断伽辽金地震波模拟算法

间断伽辽金法可用于存在复杂边界条件的模型,同时具有高阶精度和易于并行计算的优点,因此近年来在地震波传播模拟研究中得到了快速发展.数值通量是间断伽辽金法的关键组成部分之一.相比于其他通量,基于Rankine-Hugoniot跳跃条件的通量(RH-condition通量)在固体和液体介质边界具有更宽的稳定性,可以使用更大的时间步长,尤其是液体和固体之间的波阻抗差异较大时.它已被用于基于四边形网格和速度-应变方程的间断伽辽金地震波固液介质模拟.本文为了模拟陆地自然水体等存在复杂固-液界面形状的地震波传播,并在未来与其他数值方法耦合,发展了基于三角形网格的RH-condition通量间断伽辽金方法,使用一阶速度-压力声波和一阶速度-应力弹性波方程模拟复杂固-液介质中地震波的传播.通过水平层状和sin型起伏固-液模型,验证了该方法模拟结果的准确性.通过数值模拟展示了所提出的间断伽辽金法在不同网格大小和阶数下的准确性和效率.最后通过一个复杂模型的例子表明存在复杂固-液界面时该方法可以准确施加固-液边界条件.