（地球探测与信息技术专业论文）超浅层弹性波波振二相拟模态试验分析理论研究.pdf

中南大学博上学位论文超浅层弹性波波振二相拟模态试验分析理i = 色研究 摘要 本研究将模态试验分析理论引入超浅层弹性波地震勘探领域，结合浅层地震 勘探波动学原理，融介质结构振动响应和介质中弹性波波动动力学响应特征于一 体，初步建立了超浅层弹性波有效激励下的波振二相拟模态试验分析的基础理 论。从系统分析的角度，基于地球物理勘探广义背景，综合勘探仪器设备、勘探 方式方法、非线性反演理论、当代数字信号处理和数字图像处理的相关技术理论， 对拟模态试验分析方法和异常反演解释进行了较为全面的理论分析和阐述，从而 突破了超浅层地震勘探所沿用的地震勘探传统理论，为超浅层地震勘探方法技术 发展和数值反演提供了新的思路和理论依据。 首先简要概述当前国内外浅层乃至超浅层地震勘探理论、技术、方法的研究 现状：对地球物理勘探系统与模态试验分析理论原理进行了系统的比较分析，阐 释了两者之间的相关关系以及相关问题的研究现状，指出了本文的具体研究内容 和方向。 在模态试验分析理论的基础上，引入质量弹簧阻尼系统模型，初步建立起 介质结构弹性波测试的振动拟模态试验分析理论；结合直达波、瑞利面波、角域 地层结构、结构腔体等特殊拟模态的理论分解分析，阐明拟模态试验分析是一个 综合分析系统并指出该系统的四个主要分析层面。 结合具体实践；对弹性波拟模态试验分析的有效激励和保真检测等拟模态试 验分析的前提条件进行了分析。内容包括震源概述、有效激励、普通传感器频响 特性分析以及信号采集系统及装置等等。 从系统分析的角度，论述了地球物理勘探广义背景和异常识别的基础理论； 基于拟模态响应四个层面的模态特征，结合小波分析和短时傅立叶变换，介绍了 薄层响应分析和拟模态能量团分析的基本问题，同时基于r a d o n 变换介绍了特 殊弹性波干涉下拟模态图像识别技术原理；通过拟模态响应信号解释处理中映射 系统的建立，指出了拟模态的非线性特征和建立非线性反演系统的必要性，进而 介绍了b p 人工神经网络反演在实际应用中的基本操作思路。 结论部分，综述本文在超浅层弹性波检测和勘探理论领域中的主要贡献和突 破、理论方法研究的不足之处和对后阶段研究工作的展望。 关键词：弹性波、地震勘探、超浅层波振二相性、拟模态试验分析、勘探与检 测、理论研究、有效激励与保真检测、r a d o n 变换、误差回传人工 神经网络、小波分析、短时傅立叶变换、图像处理与识别 中南大学博士学位论文 超浅层弹性波波振一寿b 拟模态试验分析j 里论l 酣究 2 0 0 22 a b s t r a e t t h ep a p e ri n t r o d u c e st h et h e o r yo fm o d a lt e s ta n da n a l y s i s ( m t a ) i n t ot h e f i e l do fu l t r a - s h a l l o ws e i s m i cp r o s p e c t i n gb ye l a s t i cw a v e c o m b i n e dw i t ht h e w a v em o t i o np r i n c i p l eo fs h a l l o ws e i s m i ce x p l o r a t i o n ，m i x e dt o g e t h e rw i t ht h e s h o c kr e s p o n s ec h a r a c t e ro fm e d i u ma n ds t r u c t u r ea n dt h ed y n a m i cr e s p o n s e c h a r a c t e ro ft h ew a v e p r o p a g a t i o n ，t h eb a s i ct h e o r yo ft h es i m u l a t e dm o d a l t e s t a n da n a l y s i s ( s m t a ) o ft h et w o - p h a s ew a v e - s h o c kc h a r a c t e ro fu l t r a - s h a l l o w e l a s t i cw a v eb ye f f e c t i v ee x c i t a t i o nw a st h e o r e t i c a l l yf o u n d e d f r o mt h ev i e w n n g l eo fs y s t e ma r i a l y s i s ，b a s e d o nt h ed e f i n i t i o no fg e n e r a lb a c k g r o u n do f g e o p h y s i c a lp r o s p e c t i n g ，s y n t h e s i z i n g t h e p r o s p e c t i n g i n s t r u m e n ta n d e q u i p m e n t ，m e t h o d s ，n o n l i n e a rr e v e r s i o nt h e o r ya n dr e l e v a n tc o n t e m p o r a r y t e c h n i q u e sa n d t h et h e o r yo f d i g i t a ls i g n a la n dd i g i t a li m a g ep r o c e s s i n g ，i tm a d e as o m e w h a tc o m p r e h e n s i v ea n a l y s i so nt h em e t h o do fs m t aa n da n o m a l y r e v e r s i o na n de x p l a n a t i o n ，w h i c hh a sb r o k e nt h r o u g ht h o s et h e o r ya n dm e t h o d f o l l o w e dc l o s e l yt h eh e e lo ft h et r a d i t i o n a ls e i s m i cs u r v e ya n dw i l ll e a dn e w p r i n c i p l ea n dt e c h n i q u ef o r u l t r a s h a l l o we l a s t i cw a v ep r o s p e c t i n gb ys m t a m e t h o d s f i r s t l y , t h ep a p e rg i v e sab r i e f i n t r o d u c t i o no nt h ep r e s e n tr e s e a r c hs i t u a t i o n o ft h es h a l l o wt ou l t r a 、s h a l l o ws e i s m i c p r o s p e c t i n g a th o m ea n db r o a d s y s t e m a t i cc o m p a r i n ga n da n a l y s i s i sm a d eb e t w e e ng e o p h y s i c a le x p l o r a t i o n s y s t e ma n d t h et h e o r yo fm o d a lt e s ta n d a n a l y s i s ，w h i c hs h o w s t h er e l a t i o n s h i po f t h et w of i e l d sa n dt h er e s e a r c hs i t u a t i o no ft h er e l e v a n tp r o b l e m s t h es p e c i f i c r e s e a r c hg o a l sa r ep o i n t e do u ti nt h ee n do ft h i sc h a p t e r b a s e do nt h et h e o r yo fm o d a lt e s ta n da n a l y s i s ，as y s t e m a t i c a lm o d a lo f m a s s - s p r i n g - d a m p i n gw a si m p o r t e da n dt h es i m u l a t e dm o d a lt e s ta n da n a l y s i s t h e o r yo ft h et w o - p h a s ew a v e - s h o c kc h a r a c t e ro fu l t r a - - s h a l l o we l a s t i cw a v eb y e f f e c t i v ee x c i t a t i o nw a sb u i l tu p c o m b i n e dw i t ht h ed e t a i l e dt h e o r e t i c a la n a l y s i s o ft h es p e c i a lm o d a lc h a r a c t e ro fd i r e c t l ya r r i v e dw a v e ，r a y l e i g hs u r f a c ew a v e ， w a v er e s p o n s eo ft h et h i n n i n g - o u tl a y e r e ds t r u c t u r eo ro t h e rs p e c i a ls t r u c t u r e 1 中南大学博士学位论文超浅层弹性波波振二相拟模态试验分析理论研究 s u c ha sc a v i t i e s ，i ts h o w st h a tt h es i m u l a t e dm o d a lt e s ta n da n a l y s i si sas y n t h e t i c s y s t e m t h e m a i nf o u rc l a s s e so f t h es y s t e mw e r ea l s os t a t e dr e s p e c t i v e l y a s s o c i a t e dw i t ht h ep r a c t i c eo fs e i s m i cp r o s p e c t i n g ，d e t a i l e da n a l y s i sw a s g i v e n t or e l a t e de f f e c t i v ee x c i t a t i o na n dh i l g h - f i d e l i t yd e t e c t i n go fs i m u l a t e d s i g n a l s i nt h et h i r d c h a p t e r i t c o n t a i n sw a v e - e x c i t e ds o u r c ei n t r o d u c t i o n ， e f f e c t i v ee x c i t a t i o n ，t h ef r e q u e n c yc h a r a c t e ra n a l y s i so ft h eo r d i n a r yt r a n s d u c e r a n dt h ew h o l e s y s t e ma n de q u i p m e n t f o rt h es i g n a lc o l l e c t i o n o nt h ev i e wo fs y s t e ma n a l y s i s ，t h en e x tc h a p t e r i sf o c u so nt h ed i s c u s s i n go f t h eb a s i c t h e o r y o fg e n e r a l b a c k g r o u n d o f g e o p h y s i c a lp r o s p e c t i n g a n d a b n o r m a lp h e n o m e n ad i s t i n g u i s h i n g b a s e do nt h ef o u rc l a s s e so fs i m u l a t e d m o d a lt e s t s y s t e m ，i n t e g r a t e d w i t hw a v e l e ta n a l y s i sa n ds h o r t - t i m ef o u r i e r t r a n s f o r m a t i o n ，t h ep a p e ri n t r o d u c e dt h ef o u n d a t i o np r o b l e m o ft h i n s h e e t r e s p o n s ea n a l y s i sa n d s i m u l a t e dm o d a l e n e r g yg r o u pa n a l y s i s m e a n w h i l e ，b a s e d o i lr a d o nt r a n s f o r m a t i o nt h e o r y , t h ep a p e rs h o w e dt h eb a s i cp r i n c i p l eo ft h e t e c h n i q u eo ft h es i m u l a t e dm o d a li m a g ed i s t i n g u i s h i n g f u r t h e r m o r e ，b y t h e c o n s t r u c t i o no ft h em a p p i n gs y s t e mi nt h ep r o c e s s i n ga n de x p l a n a t i o no ft h e s i m u l a t e dm o d a l s i g n a l ，t h e n o n - l i n e a rc h a r a c t e ro ft h es i m u l a t e dm o d a l r e s p o n s ea n dt h en e c e s s a r yo fb u i l d i n gu pan o n - l i n e a rr e v e r s i n gs y s t e mw e r e s t r e s s e d 。i nt h ee n d ，t h eo p e r a t i n gi d e ao f l e a d i n gb p a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k i n t ot h ep r a c t i c eo ft h es i m u l a t e dm o d a lt e s ta n da n a l y s i sw a s p r e s e n t e d c o n c l u s i o ns u m m a r i z e dn o t o n l yt h em a i nc o n t r i b u t i o na n d t h ep i o n e e r i n g w o r ki ne l a s t i cw a v ep r o s p e c t i n ga n di n s p e c t ，b u ta l s ot h ed e f e c ti nb o t h t h e o r e t i c a lr e s e a r c ha n dt e c h n o l o g yr e s e a r c h t h ef o l l o w u pr e s e a r c hi t e m sw e r e f o r e c a s t e di nt h ee n do ft h i sp a p e r k e y w o r d s ：e l a s t i cw a v e s e i s m i cs u r v e y ，u l t r a - s h a l l o ww a v e - s h o c kt w o - p h a s e c h a r a c t e r , s i m u l a t e dm o d a lt e s ta n da n a l y s i s ，p r o s p e c ta n di n s p e c t ， t h e o r e t i c a lr e s e a r c h ，e f f e c t i v ee x c i t a t i o na n dh i g h - f i d e f i t yd e t e c t i n g ， r a d o nt r a n s f o r m a t i o n ，b a c k - p r o p a g a t i o nn e u r a ln e t w o r k ，w a v e l e t a n n l y s i s ，s h o r t - t i m ef o u r i e rt r a n s f o r m a t i o n ，i m a g ep r o c e s s i n ga n d d i s t i n g u i s h i n g i l 中南人学博上学位论文 超浅层弹性波波振二相拟模态试验分析理论研究 题记 光伪蕴粒：相任理话，钾甓了助谨学界钓一个蓉 本国题，和唐沾徙雩囊劈、察跋，在应用辗磺簋耀了 重差碑用。传话沾震彩缳和锚构铹舂铁诒强赜分别纠 用弹性旌钓篮劲晕骑径知健绚缘矽的劲力学矗毒伍；很 塘趣缓层弹性篮劫握霉i 枪删韵察 章情况，楞再个顿诚 相若理话加域秘舍，体琵在趣缓层诂圣勘稼童一玺锈 薯：中；应用钙代j 旌分辑、r a d o n 童携和厶z 砷轻网 俗擅木，i 寸j 僻移削面尘童袭弹任瘟干涉记录謦于广 义沾碡助理劫操蟹墨，在拟横鑫试鼯分辑赜中懋待命 展诺佝任必互蕊轰锑释，薏曝于矩卑、耐向和宣向等 三谈响| i 皇鞋成酌表疆孽话c 苎纾像舍分衍。 中南大学博士学位论文超浅层弹性被波振二相拟棱态试验分析理论研究 日u吾 将应用地球物理比作个大家族，那么重、磁、电、震以及温度、放射性勘 探当属于这个家族中的主要成员，它们继承和传倡着前辈的成果和经验，朝着高 精尖的方向继续发展。新的起点上每向前迈进一步都面临新的挑战和难题，需要 有新的观念和思路，多领域多学科的相互渗透和借鉴是现代科学发展和突破的一 大趋势和途径，应用地球物理各种技术方法的发展也不例外。高精尖的发展需要 有新的理论作为基础，应用前沿的高科技成果研制和生产相应的仪器设备、数据 处理和信息解释技术产品；多学科的渗透成员包括地球物理基础数学物理理论、 电子、通信、数字信号处理、控制理论、非线性反演、数字成像理论等等。 地震勘探有悠久的发展历史，在理论、方法和技术领域都有相当成熟的成果， 在石油、天然气等能源勘探领域中发挥了重要的作用。浅层地震勘探随着经济建 设，尤其是基础工程的蓬勃发展而迅速发展壮大，在地震勘探中有着重要的地位 和广阔的发展前景。超浅层地震勘探的勘探目标锁定在介质表面至几十米的深度 范围内，对介质结构内异常的敏感程度、纵向和横向分辨能力有特殊的要求，由 于勘探设备、被检测对象和测试环境之间特殊的系统耦合关系以及工程地质和混 凝土结构无损检测在岩土力学参数方面的特殊诉求，从弹性动力学的角度研究超 浅层地震勘探势在必行。 模态试验分析于近2 0 年迅速发展壮大，近年来在s c i 和e i 上检索到该主题 的文章每年都在千篇以上，广泛涉及到与动力结构测试或安全性评价相关的各个 领域，包括军事、机械、医学、声学、建筑等等；地脉动测试对于s h 波的模态 分析也借鉴了传统模态试验理论和分析方法，在工程场地地层结构评价、地震小 区划以及建筑结构抗震评价中发挥了重要作用。超浅层弹性波勘探的客观环境， 既决定了采集数据记录的客观性，也对数据分析处理提出了更高更系统的要求。 基于层状介质和散射体模型的波动学理论和正反演模型在复杂地质问题面前受到 客观环境和自身理论的限制，迫切需要有新的理论模式来指导超浅层弹性波资料 的获取和解释。 将模态分析的理论和试验分析方法引入超浅层弹性波地震勘探并建立系统的 工作方法和信息处理系统在国内外没有报道。模式波的概念随着瑞利波传播和形 成机理的深入研究而逐步建立；层状介质频散理论使工程勘察中面波勘探数据处 理和解释成为可能，但由于对频散曲线和相速度概念的过分强调，使其应用和理 论发展受到很大的局限，因为学者的注意力都转向了层状介质频散曲线的形成机 理和精确数值反演上，而理想层状介质在实际工程物探中并不常见。 中南大学博士学位论文超浅层弹性波波振二相拟模态试验分析理论研究 拟模态试验分析和相应拟模态参数概念的提出，是一种基于频率、时间、空 间三域的系统分析理论。它在强调弹性波波动学特征的同时，基于地球物理勘探 广义背景前提，对介质结构有效激励的振动动力学特征也作了客观的分析，并在 统一的系统下来分析点源弹性波有效激励极小偏移距采集信号的波振二相性。其 中提出具突破性典型概念有波振二相拟模态试验分析、拟模态速度、拟模态图像、 拟模态能量团等等，其它相关的理论和方法既继承和借鉴了传统的模态理论、层 状结构导波模式理论、腔体声模态理论，也包括了弹性波反射、散射和多振相波 干涉响应的波动动力学特征理论；应用的数字信号处理方法包括了小波分析、短 时傅立叶变换、r a d o n 变换、人工神经网络等先进技术手段。结合弹性波地震勘 探高效快捷和成本低廉等特点以及原位测试环境，分析了震源类型和性能特点， 结合常规惯性式传感器频响性能、勘探参数等问题，对弹性波有效激励和保真检 测等环节作了系统的阐述。 本文将超浅层介质弹性波波动学和动力学响应在拟模态概念的基础上加以系 统化，建立了弹性波波振二相拟模态试验分析理论，为超浅层弹性波地震勘探数 据分析解释提供了理论基础：在此理论基础上可以改造和研制出新的弹性波勘探 设备和分析解释系统，这一系统或设备在经济成本上具有地质雷达等浅层勘探系 统不可比拟的优势( 当然在勘探精度和使用条件上两者各有特色) ，由于所使用的 物理参数的特殊性，也将在地质雷达、电法、电磁法等方法应用受局限的一些领 域受到重视和青睐。 同时可以预见i 基于系统分析、数据库技术和非线性反演理论的拟模态试验 分析理论在应用地球物理领域具有广泛意义，将在应用地球物理的其它成员中， 尤其是在遥感和电磁波勘探中得到参考和借鉴，其推广和应用将掀起一个物探数 字信号处理的高潮。 中南大学博士学位论文超浅层弹性被被振二相拟模态试验分析理论研究 第一章文献综述 关键词索引：弹性动力学反问题超浅层地震勘探数字信号处理成像研究高 分辨率地震勘探多波多分量地震勘探多维地震勘探面波勘探 地震映像模态试验分析系统分析综述研究内容和方向 工程勘察领域中，研究对象的表征参数是介质的强度和弹性常数。在描述物 体的弹性时，定义了五个弹性常数( 杨氏模量、泊松比、切变模量、拉梅系数、俸 娥蜀，在各向同性介质中，它们只有两个是独立的，在讨论弹性波时，引入纵波 速度和横波速度的概念，两者和介质密度一起，可以计算出五个弹性常数中的任 意一个。 现有的工程物探方法主要有常规电法( 包括微分测深、高密度电法等) 、电磁 法( 包括t e m 、c s a m t 等) 、地质雷达及浅层地簇勘探等。在众多的地球物理参 数中，浅层地震勘探方法( 主要是反射波法、折射波法、面波勘探) 提出的介质 弹性波波速参数与工程地质中所利用的岩土力学参数关系最为密切。一般工程地 质或工程检测所要勘察的表面深度在几米至几十米内，结合野外原位施工条件复 杂性和工作效率、经济成本等因素，研究高效可靠的超浅层弹性波勘探方法和相 关理论是必要的。 1 1 超浅层地震勘探理论和技术方法综述 1 1 1 弹性动力学反问题的一般提法 弹性动力学反问题的研究是建立在弹性动力学的理论基础上的，正问题指由 源及介质性质求响应，而反问题有两类：一是由响应和介质求源，二是由响应和 源求介质性质。作为超浅层地震勘探，其反问题属于第二类。 从利用的波场信息来看，现有的反问题解法可分为三个层次1 1 i ： ( 1 ) 射线理论方法 在入射源为高频的条件下，波在介质中的传播规律，与光在介质中的传播规 律相似。基于几何光学中的理论方法和光学的波动理论方法，形成了射线理论方 法，此种方法主要利用首到波走时和幅值信息，方法比较形象，可实现性较强， 在技术上已领先一步，特别是在此基础上已有很多的实验研究。缺点是只适用于 反演目标尺寸较大，波长与反演目标尺寸比小于0 5 的情况，而且获得的波场信息 利用不充分，反演精度较低。 中南大学博士学位论文超浅层弹性波波振二相拟模态试验分析理论研究 ( 2 ) 声波理论方法 在不考虑介质粘性影响的条件下，介质中的波仅为纵波( 或称为标量波) ，其 波动方程与声波控制方程相同，声波反演方法不考虑波形之间的模式转换，计算 量较小，解的稳定性好，对噪声的敏感程度易于控制，在现有的技术条件下占有 一定的优势，尤其是在实验研究中颇受青睐。国内外学者多年来在理论、反演方 法、算法及实验等各层次的研究中也取得了大量的成果，但此方法精度不高，尚 未完全利用弹性波信息。 ( 3 ) 弹性波理论方法 一般弹性波在介质中传播时，在介质非均匀或突变处将发生各种波型之间的 模式转换，并且时常伴随发生波导、层间波、绕射、衍射等复杂物理现象。考虑 到上述各种物理现象，弹性波反演方法充分利用了弹性波的信息。但由于物理现 象的复杂，使方法难于进行、解的稳定性差、对误差敏感，这些问题即使对正问 题也尚未完全解决。目前国际上在这方面的研究刚剐起步。 有关弹性波或弹性动力学正反演理论以及层状介质弹性参数反演问题研究的 进展和综述可参考相关文献 2 - 4 1 。 以描述弹性波在岩石中传播的非线性特征为目的的非线性振动理论开始在地 震勘探中应用，引起地球物理学家的关注口i ，并且在理论上取得了一定的突破，可 以预见该理论将在介质或结构构造的精确反演中占一席之地。介质的多相性以及 各向不均匀性对弹性波波动特征的影响是地震勘探基础研究的前沿课题1 6 。7 j 。 1 1 2 超浅层地震波勘探理论和技术方法 如同地震勘探中的“深层”概念，浅层或超浅层的概念从字面上看并不十分 明确，必须要结合一定的应用背景。我们将油气或其它能源的地震勘探归于深部 地震勘探，而将工程地震勘探视同于浅层地震勘探：超浅层地震勘探是工程地震 勘探中的一部分，它指勘探工作面附近较小深度范围内介质结构病害或异常弹性 波追踪、定性解释乃至定量解释。依据勘探介质的不同，超浅层的界定深度不 样，如对粘士覆盖层，范围在二三十米范围内，对于混凝土结构，在表层附近数 米范围内。 至今为止，浅层地震勘探的理论方法和技术沿用着深部地震勘探的成熟理论 和经验。以剪切波或胀缩波的走时特征为描述对象，建立起来的弹性波波动理论 成了反射波法、折射波法和面波勘探的理论依据。波场走时特征或散射场时空特 征是各种方法研究的主要对象：由于地表不均匀性影响的相对程度较大，除面波 勘探外，弹性波的衰减、球面扩散或其它非线性特征在弹性波勘探的实践领域很 少描述和应用。高分辨率浅层地震勘探方法受到激发有效频率、能量和干涉波分 中南大学博士学位论文超浅层弹性波渡振二相拟模态试验分析理论研究 离等难题的限制；包括拉氏变换、富氏变换、小波分析、各种最优化反演算法、 人工神经网络和分形分维等技术在内的信号处理技术实际上都仅是一种纯数字处 理技术上的进步，并没有在勘探基础理论上得到突破；而且，绝大多数方法技术 的突破都源于有科研经费支撑的油气地震勘探界的技术成果。 面波勘探以瑞利波的频散特征为研究对象i 1 0 i ，一度在工程物探领域得到广泛 应用，但由于对其理论机制、计算方法、解释方法等方面的研究不够透彻【i “”j ， 其应用发展受到一定程度的阻碍。但是从该方法的诞生和发展我们可以看到这样 一个可喜的现象，就是传统的地震勘探方法往往将在接收弹性波能量中占绝对优 势的瑞利面波当成一种干扰波处理，连同其它直达波被想方设法滤除1 1 4 。1 ”，现在 却能够将它充分利用，在工程勘察中发挥重要作用。这是一种地震勘探应用领域 发生改变后在相应理论领域的一种新的尝试和突破。 超浅层地震勘探所要解决的工程问题相当广泛，应用领域包括：路桥及隧道 基础、建筑基础勘察、混凝土结构测试、环境地质灾害调查等等。调查和评价各 种介质的赋存状况和其中隐伏病害特征是超浅层地震勘探的主要目的。这些病害 包括构造、断层、裂隙、软基夹层、各种病害洞穴等，了解基岩起伏、浅海湖水 沉积物和基底调查等对有些工程建设显得尤为重要l l ”。 有别于常规弹性波动力学正反问题，超浅层地震勘探所涉及的理论方法和技 术有它的特殊性。首先，勘探深度极浅。一般所提及的弹性波反演方法和理论是 基于油气资源的勘探，涉及深度在几百米到几千米不等，浅层地震勘探涉及的深 度一般在数百米以内，而应用在工程勘察领域或弹性波无损检测领域的超浅层地 震勘探，其深度范围在1 0 米至几十米以内。正是由于勘探涉及深度浅，所以超浅 层地震勘探具有了如下几个鲜明的特点： ( 1 ) 地表条件的复杂性对激发接收的影响程度更大； ( 2 ) 浅表介质弹性或非弹性动力学性质及介质结构构造复杂性凸显： ( 3 )由于近源记录，受震源的影响，地表记录信号包含有复杂的波场干涉 信息； ( 4 ) 记录信号中，直达波和表面波占居了早时段记录的绝大部分能量，其 中瑞利面波约占6 7 ； ( 5 ) 由于地表介质本身的吸收特性，高频脉冲的激发传播受到局限，因而 也限制了以弹性波走时为分辨参数的高分辨率弹性波地震勘探方法的 应用。 ( 6 )点源激励弹性波的球面扩散特征或振动在超浅层介质中的传播特征较 为复杂，膨胀波、剪切波或旋转波等振相都可能体现在某一时间段， 并形成干涉。 中南大学博士学位论文 超浅层弹性波波振二相拟模态试验分析理论研究 鉴于上述的若干特点，深部地震勘探的正反演理论和方法在超浅层地震勘探 中受到局限。我们不得不从超浅层地震勘探的具体问题出发，去寻求合理的理论 方法和技术。 高分辨率地震勘探是浅层地震或工程地震勘探方法的主流和指导思想。反射 波法、折射波法等传统方法技术继续发展，地面地震c t 技术墙i 、多维技术1 1 9 - 2 0 i 、 成像技术及理论得到初步应用口1 - 2 3 ；在此基础上，陆地声纳1 2 4 - 2 5 i 、多分量多波勘 探技术如雨后春笋在各种工程勘察中得到应用1 2 6 - 3 5 i 。这些方法研究和正反演理论 以远源场弹性波的波动学特征为主，动力学特征为辅；动力学特征1 3 6 - 3 7 i ( 指波动 动力学，而非介质结构的振动动力学) 的系统研究在超浅层地震勘探中开展极少； 浅层地震勘探对仪器设备、工作装置、数据处理手段等方面都有特殊的要求1 3 8 - 3 9 l 。 地震映像法i 帅】由刘云祯、李哲生等( 1 9 9 8 ) 基于国产s w s 浅层地震勘探仪， 通过高密度空间采样记录的数字图像转换来直接显像异常区域，它充分利用了多 波干涉的信号。然而，由于没有系统的理论依据，不能就干涉波信号分离以及实 际异常深度、厚度、横向边界和物性等提出明确解释方法，在实践工作中仅是一 种很抽象的概念，应用受到局限。 数据处理在浅层地震勘探中扮演重要角色，其理论方法与相应的工作方法技 术协同发展。各种波场分析理论、信号处理理论和非线性理论得到应用和推广 i 4 1 5 ，目的是为了提高各种方法的勘探深度和分辨能力1 4 “。 综上所述，浅层或超浅层地震勘探技术方法在实践中不断发展，但在基础理 论上还是依赖于波动学原理，从介质结构振动动力学的角度研究地表附近介质结 构被主动源激励后的振动特征目前尚没有系统的研究和相关理论的突破；面波勘 探基于地表激励条件下层状介质的频散理论，在实践中有很大的局限，有待于找 到更合适和具有普遍性的理论和方法技术，本文将在理论和方法技术上系统地展 开，针对超浅层介质结构的激励响应问题，建立起超浅层地震勘探的基础理论， 以期创立一套轻便高效、经济实用的弹性波勘探系统。该拟模态理论的建立也解 决了长期以来困扰理论界和工程界的一个现象解释难题，既为何在可观裂隙( 在 纵向深度、横向宽度有较大规模、走向上有较大延伸) 存在的地段仍然能记录到 “面波”，其实这种条件下记录的特殊“面波”，很大一部分就是表征“结构”振 动模态的模式波；另外，日常生活中通过敲击介质结构表面而产生软硬、实空、 松紧等对介质结构进行判断的常识，也可以从模态理论中找到理论依据；超浅层 地震勘探方法中地震映像法遇到的一些“异常”现象和表征，完全可以从拟模态 理论上找到理论依据。 中南大学博士学位论文 超浅层弹性坡波振二相拟模态试验分析理论研究 1 2 地球物理勘探系统与模态理论 1 2 1 引言 地球物理研究离不开正反演理论的支持，很大程度上，正是这些基础理论的 突破和发展，使得地球物理应用和实践取得了一个又一个划时代的进步。 信号分析和数据处理理论和技术的进步，大大促进了地球物理实践应用。事 实上，由于正演理论中所必须涉及的数学物理模型及边界条件的复杂性，在研究 中遇到了各种各样的难题。基于系统分析和数字信号处理理论的数据解释和反演 方法，避开或绕过了复杂的物理场理论计算，通过相关的参数来表征应用地球物 理中传统的物理响应，并通过这些参数来反演隐伏介质结构的性状。 主动源方法在工程物探领域中普遍应用，源系统接触响应、系统响应、系统 采集设备响应成为数字信号处理中所要描述的三个环节，其中系统响应通常是研 究和描述的主要对象。 1 2 2 系统描述 主动源工程物探、检测实践或实验中得到的数据是源信号作用下，介质结构系 统经过了一系列的物理( 化学) 过程而产生的响应。可以用下面的示意图来给予 简单描述： 鬻 模拟耦 系统 霉 ( 1 ) h ( n ) + h ( n ) ( 2 ) 罔1 - 1 丰动源信号响廊系统示意网 图中耦合带( 1 ) 和( 2 ) 分别指源一地接触响应和地测接触响应；这一点，在 地震勘探中，分别表现为炸药等震源激励产生入射信号，模拟系统的响应信号通 过检波器与介质表面耦合来接收；对于电法类物探，表现为发射电磁耦合或接地 耦合等响应特征。图中没有表示测量系统如检波器或仪器本身的响应内容和规律。 对勘探系统进行综合描述，可以分解为源地耦合响应、被勘探对象响应和地 一测接收响应等三个环节。这三个环节，每个环节都有相应的研究文献，对于源一 地、地铡两种耦合响应系统的研究较少，具体情况应视物探手段而定。 如果选择了勘探手段和对象，被勘探系统( 目的体) 异常响应即是我们分析 和反演的对象，若已知输入信号x ( n ) 或x ( ，) ，输出信号y ( n ) 或y ( 厂) 则可 以得到系统响应或异常的脉冲响应。理论上说，响应系统时间域的表达式总可以 用频率域响应函数加以描述，若仅考虑模拟系统的响应，为研究方便，不考虑数 学上的严谨性，时间域的褶积关系式用它们对应的频谱响应函数来作如下描述。 中南大学博士学位论文超浅层弹性波波振二相拟模态试验分析理论研究 刚= 紫 h ( ，) + 附) = 滞 ( 1 2 ) 其中，y ( f ) = x ( ，) h ( f ) 可以成为一种广义的背景，a h ( n ) 为广义背景下的 相对异常响应函数，a - ( f ) 其频谱。 - - 一e l , 毒相未善 一 皿州詈 _ 有异常 ”口 f f 图1 2 异常在频率域及时间域表征示意图 这种频率域和时间域的响应特征可以归结为一种振动响应。有限物体的振动 可以分解为一组特定振动的线性组合，这些特定振动称为系统的振动模式。在许 多情况下，谱问题是物理问题的简单模型，从而振动模式就与谱问题中的特征值 和特征函数相联系。这种例子很多，如弦、梁、鼓、亥姆霍兹( h e l m h o l t z ) 空腔、 地球等物体的振动模式。部分理论认为这些问题推广到连续情形就是波的传播和 散射，所谓的散射问题可看作谱问题，其中连续谱部分对应于波的传播1 5 1 i 。本文 认为对此观点从另一个角度去理解，即将振动等同于有效振动，它具有广义体积、 质量等特征的介质结构谐振响应特征，而将波动视为振动传播的载体，它可以是 任意瞬态的振动信号。 示意图中表达的几层意义解释如下： ( 1 ) 不论记录多么复杂，无异常时的响应是一种广义背景( 相关概念见第四 章) ，它体现了系统的综合响应特征。 ( 2 ) 有异常时的响应在频率域表现为相位改变、优势频率的频移、优势频率 缺失或多频特征；在时间域表现为响应信号在记录上到达的时间超前或 滞后，另外首波或尾波特征的改变也是其中之一。 ( 3 ) 除频率域和时间域外，空间域的响应特征也是客观存在的，这里没有表 征出。在某一地域的勘探记录是三个研究域的综合响应结果。 有关谱反演的具体思路和基本方法g t 赫尔曼等( 1 9 9 7 ) 给予了专门的论述 中南大学博士学位论文超浅层弹性波波振二相拟模态试验分析理论研究 1 5 1 1 ，可以说是谱反演问题的理论基础，它基于严格的数学推导，在实际应用中没 有见到相关的文献资料。 1 2 4 模态分析基础 模态分析的经典定义是口2 1 ：将线性定常系统振动微分方程组中的物理坐标变 换为模态坐标，使方程组解耦，成为一组模态坐标及模态参数描述的独立方程， 以便求出系统的模态参数。坐标变换的变换矩阵为模态矩阵，其每列为模态振型。 模态理论分析的理论基础是在机械阻抗与导纳的概念上发展起来的，经过几 十年的发展，现已经成为一套完整的理论。它吸取了振动理论、信号分析、数据 处理、数理统计及自动控制理论中的有关营养，形成一套完整的理论和试验解释 方法f 5 2 拍j 。广泛应用在结构动力学测试与评价的许多结构对象，包括飞机、船舶、 桥梁、工业机械、材料及其结构、机械基础等等 5 7 - 6 2 1 。目前，其应用领域的还在 进一步拓广 6 3 - 6 7 】，但基础理论的研究较少 6 8 - 7 0 l 。 从1 2 2 和1 2 3 节的分析，结合式( 1 - 1 ) 、( 1 - 2 ) ，对比模态试验分析的基础 理论可以看出，系统响应特征的描述正好与模态理论的思路和方法吻合。撇开发 射和接收时的耦合因素，两套理论从理论和异常表征上都完全一致。同时，它们 都吸取了信号分析、数据处理中的共同理论。自动控制理论中的传递函数即是频 率响应函数，反映了输入与输出之间的关系，反映了系统的固有特性；系统响应 在频率域中的一些重要特征参量，即是频率域中识别模态参数的主要依据；对频 响函数进行分析，提取模态参数，是模态分析理论的一个重要内容。 所不同的是传统的模态理论是基于几何、质量有限的介质或刚体，广泛应用 于机械、材料、结构系统的故障诊断和预报以及为结构动力特性的优化设计提供 依据。地球物理勘探的研究对象是相对宏观的介质结构，客观上说，要将地球物 理勘探的对象用常规震源激励，并且使复杂的介质结构产生振动或者说激励起有 关的模态信息是困难的。然而，由于超浅层地球物理勘探所解决问题的对象和范 围是有限的，事实上，某一范围内介质结构的模态信息总是有一定程度的体现。 本文所研究的对象是超浅层弹性波勘探的异常信息获取和解释理论，实践证明， 一定环境下，应用特定的边界条件，模态信息或本文即将提到的拟模态信息是可 以获得的。这一论点，可以从面波的模式波理论和地脉动测试理论与实践应用中 得到部分理论依据。面波勘探方法和理论在工程勘察实践中成功应用，频散特征 分析对象层状介质就可以看成是一个“多自由度系统”，该多自由度系统可以 推广到有异常介质体存在时的复杂结构，这一勘探方法的研究，还没有专门的理 论技术，以支持模态试验分析用于瑞利面波的模态特性描述和反演解释；地脉动 测试中对s h 波模态试验分析方法有一定范围的应用，解决了场地地震小区划、地 中南大学博士学位论文超浅层弹性波波振二相拟模态试验分析理论研究 震安全性评价以及建筑结构抗震评价等问题 ”，只是基于远源场平面波特征的理 论不适合点源场复杂的波场激励条件。 从另一个角度，地表或混凝结构弹性波勘探一般是在介质结构表面进行原 位测试，还能提取时间和空间的波动学参数特征，将模态分析中的频率域特征与 时间、空间域特征巧妙结合，来达到分析提取拟模态异常波振二相干涉信息 的目的，了解地下介质的赋存状况和物理性质；它既是对地球物理勘探信息的充 分应用，也是该领域信息分析和数据处理方法上的一个创举，本文所提出的地球 物理勘探广义背景、拟模态速度、能量团、拟模态图像等概念是对传统模态理论 概念的突破。可以预见，包括常规电法、电磁法在内的许多地球物理方法都可以 基于本文提出的广义地球物理背景，用拟模态分析理论来做系统分析和解释，拟 模态试验分析理论为许多地球物理勘探的数据处理方法提供了一个理论基础和正 反演解释的工作平台。 1 3 本文研究内容和研究方向 本文的立题选定在超浅层弹性波勘探与测试的系统理论、方法和数字信号处 理，目的是初步建立一套较完备的基础理论，一方面研究提供现有部分技术手段， 如地震映像法，所必需的理论依据，另一方面通过超浅层波振二相理论的建立， 为新的弹性波类方法技术和资料处理手段的形成提供指导思想和理论依据。超浅 层弹性波应用范围包括超浅层地基基础隐伏病害探测、公路路面