基于极化分析的HVSR成像技术研究.pdf

第 69 卷增刊 1Vol.69Supp.12023 年6 月Jun.,2023地质论评GEOLOGICALREVIEW357基于极化分析的 HVSR 成像技术研究一韩晨1)，鲁来玉1)，梁锋2)1)中国地震局地球物理研究所，北京，100081；2)中国地质科学院 地球深部探测中心，北京，100037注：本文为中国地震局地球物理研究所基本科研业务项目资助（编号：DQJB19B30）的成果。收稿日期：2023-04-10；改回日期：2023-04-30；责任编辑：刘志强。DOI：10.16509/j.georeview.2023.s1.159作者简介：韩晨，男，1992 年生，博士研究生，固体地球物理学专业；Email：hanchen_cea_。通讯作者：鲁来玉，男，研究员，主要从事地震面波理论与层析成像等方面的研究工作；Email:laiyulucea-。关键词：关键词：背景噪声；极化分析；HVSR地震学是研究地球内部介质物理属性和地下结构不可或缺的技术手段。从震源角度划分，地震学探测主要分为主动源探测和被动源探测。主动源探测是应用人工激发产生的能量进行探测的方法技术，具有震源位置和发震时刻已知、激发能量可控等优点。但主动源探测由于其成本高，破坏性大等问题，并不适合在城市等区域大规模布设。被动源探测是应用环境中存在的背景噪声进行探测的方法技术。被动源探测中的噪声源主要为地脉动、海洋波动、海浪冲击、铁路公路及人类活动的振动等。这些噪声传播过程中，携带有大量的地下介质信息，可用于地下结构的精细成像研究。1噪声 HVSR背景噪声（Ambient Noise）指的是随机噪声以及来自具有未知位置、未知源信号和未知时间源分布的瞬态事件（韩晨等，2021）。背景噪声HVSR方法是计算三分量地震仪器记录数据的水平和垂直分量的傅里叶谱比的一种方法。噪声 HVSR 方法起源于日本，最先在欧洲得到广泛应用，随后在加拿大和南美洲得到推广使用。HVSR 的表征和解释依赖于波场，其理论解释还存在较大争议（秦彤威等，2021）。但是目前普遍较认同的是HVSR曲线的峰值频率与松散沉积层中的共振频率一致或接近，并且研究表明，当波阻抗界面比值较大时，近地表的噪声源会产生尖锐的HVSR 峰值。所以 HVSR 曲线可以反映地下的速度结构，根据是否有峰值来判断地下是否有强波阻抗界面及计算界面深度。近年来，随着数值模拟技术和数据处理技术的不断发展，噪声 HVSR 方法的研究也得到了极大的发展，主要包括以下几个方面：（1）HVSR 在工程地震中的应用：HVSR 已经广泛应用与地震工程中（韩晨等，2022），通过测量垂直与水平振动之间的频率响应比，可以识别地下构造、评估地基的动态特性等。HVSR 还可用于评估建筑物和桥梁等结构的耐震性能。（2）HVSR 在地质灾害监测中的应用：HVSR也被应用于地质灾害监测领域，如滑坡、泥石流等地质灾害的监测和预警。利用 HVSR 技术，可以判断地下岩土体的稳定性，并对可能发生的地质灾害提前进行预警。（3）HVSR 在地下水资源研究中的应用：HVSR 可以用于地下水资源的勘探和评估。通过测量地下水位的变化和水位与土壤振动之间的关系，可以分析地下水的运动规律、水文地质条件以及水文地球物理参数等。2极化分析极化分析（Zebker et al.,2010）是指在地震信号处理中，通过分析地震波形的极化特性来获取地下介质信息的方法。极化分析在地震学中的应用非常广泛，主要包括以下几个方面：（1）地震定位。地震定位是指测定地震震源深度和位置的过程。极化分析可以用于确定地震的震源深度和位置，由于地震信号在传播过程中会发生极化变化，不同位置和深度的震源会导致不同的极化特征。利用这种特性可以进行地震定位。（2）地下介质结构分析。极化分析可以用于地质论评 2023 年 69 卷 增刊 1358研究地下介质的物理性质和结构，例如地下水位的变化、岩石中的裂缝和断层等。地震波在穿过地下时会受到介质结构的影响，不同结构会导致不同的极化特征。通过分析极化特征可以推断地下介质的结构和物理性质。（3）地震成像。地震成像是指用地震数据来构建地下介质的三维模型的过程。极化分析可以用于地震成像，在地震数据处理中可以提取出极化特征，从而确定地下介质的物理性质和结构，进而构建地下介质的三维模型。（4）岩石力学研究。极化分析可以用于研究岩石力学性质，例如岩石的应力状态、岩石中的裂缝和断层等。地震波在穿过岩石时会发生极化变化，通过分析极化特征可以推断岩石的力学性质和结构。（5）沉积物研究。极化分析可以用于研究沉积物的物理性质，例如沉积物的厚度、密度和孔隙度等。由于沉积物的物理性质与波形极化特征相关，因此通过分析极化特征可以推断沉积物的物理性质和结构。3极化分析在 HVSR 成像中的应用极化分析是一种用于地震信号处理的技术，它可以帮助我们理解地下介质的物理特性（Yilmaz etal.,2011）。在 HVSR 成像中，极化分析可以被用来优化数据处理，提高成像精度。极化分析在 HVSR成像中的应用主要包括以下几个方面：（1）提高信噪比：使用极化分析，我们可以确定地震信号的极化方向，并将非极化信号部分滤除，从而提高数据的信噪比。这使得HVSR 成像能够更好地捕捉地下介质的反射信息，提高成像质量。（2）识别异常介质：地下介质异常可能会导致不同方向的极化信号产生差异。使用极化分析，我们可以检测到这些异常，为 HVSR 成像提供更多信息。（3）确定物理特性：地震波在经过介质时会发生极化旋转，我们可以使用极化分析来推断地下介质的物理特性，如压缩性、剪切性和密度等。这有助于解释HVSR成像结果并提高对地下结构的认识。4极化分析在HVSR成像中的应用实例为研究极化分析在 HVSR 成像中的可行性，我们首先进行了数值模拟验证极化分析在波场分离中的可行性。然后利用实际布设的台站进行极化处理，最后通过对比处理前后的结果进行分析。图 1 为单个台站的三分量数值模拟，共计 1200个样点，其中 1600 为线性运动（体波），6011200为平面椭圆运动（面波）。图 1 a 和图 1 b 分别为处理前后的波形对比，我们可以看到，当阈值 T0为 0.8 时，我们可以将两种波场很好的分开。图 2 为实际布设的三分量短周期台站波形极化前后的对比图。其中图 2a 和图 2b 分别为极化处理前后的波形对比，我们可以看到，当阈值 T0 为 0.35时，我们可以将体波与面波较好的分离。图 3 为单台 HVSR 曲线极化前后的对比图。其中蓝色和红色分别为极化处理前后的单台HVSR曲线对比，我们可以看到，极化处理后的 HVSR 曲线比处理之前比值更大，波峰更多，曲线变化更加清图 1 数值模拟波形极化处理前后对比图（a：极化前波形；b：极化后波形）地质论评 2023 年 69 卷 增刊 1359晰，携带更多的介质信息。这对于后续成像、反演、卓越频率的提取、沉积层厚度的估计等数据处理步骤十分有利。5总结极化分析是一种用于地震信号处理的技术，它可以帮助我们理解地下介质的物理特性。在 HVSR成像中，极化分析可以被用来优化数据处理，提高成像精度。本文主要总结介绍了 HVSR、极化分析和两者联合处理的部分研究和进展。利用数值模拟验证了极化分析在波场分离的可行性，使用极化分析对实际台站进行处理，处理后的 HVSR 曲线比值更大，曲线变化更加清晰，携带更多的介质信息。这对于后续成像、反演、卓越频率的提取、沉积层厚度的估计等数据处理十分有利。参考文献/References韩晨,闫家倩,梁锋.2021.浅谈城市浅层背景噪声体波提取研究.地质论评,67(S01):3.韩晨,梁锋,李海龙,王涛,张敏,唐灵.2022.基于背景噪声的自相关与HVSR联合成像在广东惠州城市浅层结构探测中的应用.地质论评,68(4):10.秦彤威,王少曈,冯宣政,鲁来玉.2021.微动 H/V 谱比方法.地球与行星物理论评,52(6):587622.Yilmaz ,Doherty S M.2001.Seismic data analysis:processing,inversion,and interpretation of seismic data/-(2nd ed.).Society ofExploration Geophysicists.Zebker,Howard.2010.Polarisation:Applications in Remote Sensing.Phys.Today.HAN Chen,LU Laiyu,LIANG Feng:Research on HVSRimaging technology based on polarizationKeywords：ambient noise；polarization；HVSR图 2 实际台站波形极化处理前后对比图（a：极化前波形；b：极化后波形）图 3 单台 HVSR 曲线极化前后处理对比图