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工程物探中的地震波面波多道分析(Multichannel analysis of surface waves, MASW)簡介

迫於專案和實驗室事務,需要做一點工程物探相關的內容。(隱寫分析只能先往後稍稍了。。。)略讀一些參考文獻,梳理一下專案背景。

在之前的一些專案中,面波(surface wave),或者叫ground-roll wave(地滾波),通常是被作為干擾反射訊號的強振幅噪聲需要進行衰減attenuation或者去除的。但是這個任務的基本思路在於利用面波的頻散特性,對面波進行分析,從而反演出地層速度。

這裡的內容來自這篇參考文獻:

Multichannel analysis of surface waves (MASW)——active and passive methods
CHOON B. PARK, RICHARD D. MILLER, JIANGHAI XIA, AND JULIAN IVANOV, Kansas Geological Survey, Lawrence, USA

這裡討論的是近地表地球物理,near-surface investigation,一般是探查幾十米到幾百米深的情況。這種任務通常用大於50Hz的子波作為訊號,MASW,即多通道面波分析通常處理的是低頻(如1-30Hz)面波,一般探查到幾米到幾十米不等,比上面的還要淺一些。

S波 = shear wave = secondary wave = 橫波

P波 = pressed wave = primary wave = 縱波

橫波速度和材料的硬度有很大關係,因此我們需要反演橫波速度。

相對於其他的方法,對面波,也就是ground-roll做反演相對比較economic。面波具有最強的能量,並且他的速度基本上是由介質的橫波速度決定的。

文章中說:

The sampling depth of a particular frequency component of surface waves is in direct proportion to its wavelength, and this property makes the surface wave velocity frequency dependent, i.e., dispersive.

也就是說,對於某個頻率成分的取樣深度,與它的波長是直接相關聯的,因此面波的速度頻率相關,也就是產生了頻散效應。

下面介紹MASW,所謂MASW,就是利用面波的頻散效應,來做Vs profiling。一般來說,這項工作針對幾個Hz到幾十個Hz的頻譜,用多個channel 記錄,檢波器陣列範圍大概是2-200m這樣的數量級。所謂的passive和active的區別在於active通常是用sledgehammer,大錘子,敲擊獲得訊號,而passive的則是利用自然產生的面波(如交通或者雷電潮汐等等)。對於active的,通常只能測到30m以內,而passive的可以冊幾百米。

MASW的基本流程分為三個步驟:

(1) acquiring multichannel field records (or shot gathers);

(2) extracting dispersion curves (one from each record);

(3) inverting these dispersion curves to obtain 1D (depth) VS profiles (one profile from one curve).

下面是文章中的流程圖:

對於active和passive來說,可以通過將兩者combine起來,從而得到更寬的頻帶的dispersion image。如圖: