20230315113512.docx
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分类号:
P315.3单位代码:
10335
密级:
公开学号:
21338038
硕士学位论文
中文论文题目:
基于弹性波动力学的
检波器耦合系统研究
英文论文题目:
ResearchonGeophoneCoupling
SystemBasedonElasticsTheory
申请人姓名:
陈高翔
指导教师:
田钢
专业名称:
地质资源与地质工程
研究方向:
检波器耦合
所在学院:
地球科学学院
论文提交日期
基于弹性波动力学的检波器耦合系统研究
论文作者签名:
指导教师签名:
论文评阅人1:
评阅人2:
评阅人3:
评阅人4:
评阅人5:
答辩委员会主席:
委员1:
委员2:
委员3:
委员4:
委员5:
答辩日期:
ResearchonGeophoneCouplingSystem
BasedonElasticsTheory
Author’ssignature:
Supervisor’ssignature:
ExternalReviewers:
ExaminingCommitteeChairperson:
ExaminingCommitteeMembers:
Dateoforaldefence:
浙江大学研究生学位论文独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得浙江大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。
与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。
学位论文作者签名:
签字日期:
年月日
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解浙江大学有权保留并向国家有关部门或机构送交本论文的复印件和磁盘,允许论文被查阅和借阅。
本人授权浙江大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。
(保密的学位论文在解密后适用本授权书)
学位论文作者签名:
导师签名:
签字日期:
年月日签字日期:
年月日
浙江大学硕士学位论文致谢
致谢
回望过去的三年时光,有太多人与事需要我铭记与致谢。
首先我要感谢我研究生阶段的导师——田钢教授。
本文也是在他的悉心指导下撰写完成的。
作为导师,他渊博的学识与严谨的治学态度为我树立学术的标杆,同时也激励我不断求实上进。
作为师长,他和蔼可敬的为人与大气从容的性格让我受益良多。
我也借此机会向田刚老师致以最诚挚的谢意与最崇高的谢意。
感谢浙江大学与地球科学学院三年来对我的培养与支持;感谢地球物理实验室的陈生昌教授、王帮兵副教授、王华军副教授、杨长福副教授、石战结副教授对我的教导。
感谢学院的朱建丽、方幼君、李娜、谭超等多位老师对我提供的帮助。
感谢与我一同在实验室努力过的沈洪磊、王汉闯、周华敏、陈燃、陈国新、刘海燕、梁东辉、于鲁洋等多位师兄师姐及师弟师妹,感谢你们长久以来对我的帮助与关心。
感谢校研究生会及学院研究生会的多位同学,与你们相识共事让我受益匪浅。
感谢顾青青,感谢你长久以来的陪伴与支持,希望在剩下的时光里,你不会缺席。
最后我要感谢我的父母,你们的殷切的期望与鼓励是我求学路上前进的动力,我不会辜负光阴也不会辜负你们!
VI
浙江大学硕士学位论文摘要
摘要
检波器与介质之间的耦合作用是影响地震记录质量的关键因素。
准确地描述检波器-介质耦合系统的耦合响应一直是国内外地球物理学者关注的重点。
本文开展了基于弹性波动力学理论的检波器-介质耦合系统研究,此项工作在国内尚属首次。
针对传统振动力学耦合模型的局限性,提出以刚性柱状体模型模拟实际检波器尾锥,并定义耦合系数量化描述耦合系统的耦合响应。
基于弹性波动力学理论,结合格林函数构造点震源的速度场;利用互易定理求解刚性柱体模型表面质点的速度表达,经推导得到弹性波动力学耦合系统耦合响应表达。
结合多种介质条件,开展数值模拟计算研究,考察地表介质纵波速度、泊松比、密度以及检波器质量、尾锥长度、半径等6种因素对耦合模型耦合响应的影响。
模拟结果表明,介质纵波速度的增大,泊松比的降低以及介质密度的增加都会引起疏松(土壤)介质的高频耦合响应,但对固结(岩石)介质耦合系统的影响并不明显。
增加检波器质量及采用较粗的检波器尾锥会使得疏松介质耦合系统产生低频耦合响应,而采用长度较长或半径较细的检波器尾锥则会引起固结介质耦合系统较为明显的高频耦合响应。
通过对比波动力学耦合模型与传统的振动力学模型在不同介质条件下的数值计算结果,得到以下结论:
(1)在疏松低速介质条件中,波动力学耦合模型的耦合响应频率低于振动力学模型,且两者峰值频率随着介质条件趋向致密而逐步接近;
(2)在固结介质条件中,波动力学耦合模型与振动力学耦合模型的耦合响应较为接近;(3)两种模型在疏松介质条件中的耦合响应差异推测为由于两种理论采用不同的前提假设所造成的。
结合实测地震勘探数据,探讨波动模型与振动模型在实际耦合条件下的响应特征。
根据波动耦合模型具有低频拟合优势,振动耦合模型高频近似度更好的实施前提,提出采用模型融合方法,实现两种模型对应特征优势的结合。
经与实际数据对比分析,证明该融合技术的可行性与有效性。
关键词:
检波器耦合,弹性波动力学,互易定理,振动力学,双自由度振动系统,模型融合
浙江大学硕士学位论文Abstract
Abstract
Thecouplingeffectbetweengeophonesandmediuminvicinityactsasakeyroleindataacquisitionduringseismicexploring.Consequently,thewaytofigureoutthepropertyofacertaingeophone-mediumcouplingsystemattractstheconcernofgeophysicistshomeandabroad.Weintroducearesearchongeophone-mediumcouplingissuebasedonelasticstheorybythispaper,whichisunprecedentedindomesticdomains.
Consideringthelimitationofoscillationcouplingmodel,webringtheideatobuildarigidcylinderanddefinecouplingcoefficientforfurtherwork.Thenthevelocityfieldofpointsourceisdevelopedwithelasticstheoryandgreenfunction.Finallythefunctionofelasticmodelisformulatedafterinvolvingreciprocitytheory.
Next,weaimtoillustratehowthepresswavevelocity,Poissonrate,densityofmediumandtheweightofgeophone,lengthandradiusofspikeaffecttheresponseofcouplingsystembynumericalsimulating.NumericalresultsshowthatloosemediumwithhigherP-wavevelocity,lowerPoissonrateorhigherdensitymayhavehigherfrequencysystemresponse,whilethesamechangeshaveslightereffectstosolidones.Usingheaviergeophoneorthickerspikewillbringlowerfrequencyresponsetoloosemediumcouplingsystem.Andlongerorthinnerspikemaycausehigherfrequencyresponseinsolidmedium.
Bycomparingthesimulatingresultsfromelasticcouplingmodelandoscillationcouplingmodel,severalconclusionareputforwardasfellow.
(1)Thefrequencyofresponsefromelasticcouplingmodelishigherthanoscillationoneswhiletheyareinloosemedium.
(2)Theresponseofelasticscouplingmodelisneartooscillationonesinfrequencywhiletheyareinsolidmedium.(3)Thedifferencebetweentheresponsesoftwomodelstheoreticallyiscausedbydifferentpreconditionsofthem.
Thencompareamongarecordfromseismicprospectingprojectsandmodelssimulationsisunfoldedinthefinalsection.Bythatwefindelasticscouplingmodelmatchtherecordwellinlowerfrequencyarea,whileoscillationcouplingmodeldowellinhigherfrequency.Soawaytocombinethesecharactersarebroughtout,whosefeasibilityandefficiencyaresupportedbyseismicdata.
Keyword:
Geophonecoupling,Elasticstheory,ReciprocityTheory,Doublescalecouplingmodel,Modelcombination
浙江大学硕士学位论文目次
目次
致谢 I
摘要 II
ABSTRACT III
目次 V
1绪论 1
1.1 检波器耦合研究及其发展现状 1
1.2 研究目的与研究意义 3
1.3 本文研究内容与创新点 4
2基于弹性波动力学耦合模型的理论基础 5
2.1耦合系数的定义 5
2.2均匀介质的速度场求解 7
2.3波场分解 8
2.4模型构建与耦合响应求解 9
2.5小结 13
3耦合模型数值模拟 14
3.1不同介质环境的检波器耦合系统响应 14
3.2介质因素对检波器耦合系统响应的影响 15
3.2.1介质纵波速度对检波器耦合系统响应的影响 16
3.2.2介质泊松比对检波器耦合系统响应的影响 18
3.2.3介质密度对检波器耦合系统响应的影响 20
3.3检波器因素对检波器耦合系统响应的影响 22
3.3.1检波器因素对检波器耦合系统响应的影响 22
3.3.2检波器尾锥长度对检波器耦合系统响应的影响 23
3.3.3检波器尾锥半径对检波器耦合系统响应的影响 25
3.4小结 27
4波动力学耦合模型与振动力学耦合模型对比 28
4.1振动力学耦合系统理论模型 28
4.2模型数值模拟结果对比 30
4.3小结 35
5模型融合与实际地震记录对比研究 36
5.1实际地震记录对比 36
5.11检波器整体耦合响应 36
5.12实测记录对比 37
5.2模型融合方法的探讨 39
5.3小结 40
6结束语 42
6.1研究成果 42
6.2后续研究建议 42
参考文献 44
作者简历 47
浙江大学硕士学位论文绪论
1绪论
1.1检波器耦合研究及其发展现状
检波器作为接收与记录地震信号的传感器,在地震数据采集中起到重要作用。
工作状态下,检波器通过插置于表层土壤与介质连接成一体,从而记录介质的运动状态,将地震信号转换为电信号输出。
在转换过程中,检波器尾锥与地表介质相互作用形成耦合系统,在频率域表现为特定的滤波器。
一般情况下,滤波器的响应输出并不是恒定的,即对不同频段内的地震信号产生不同的压制或放大作用,使原始信号发生畸变。
因此检波器耦合作用的好坏直接影响地震记录的品质。
检波器耦合研究最早始于上世纪40年代,HaroldWashburn等[1]首先提出表层介质与传感器形成的谐振系统会影响地震信号的振幅与相位。
他通过实验证明表层介质的种类与特征、传感器埋设方式、传感器质量与底面积共同决定系统响应。
同一时期,AlfredWolf等[2]从理论角度证明可以用特定的阻尼振动系统表示检波器与弹性介质体所组成的体系,且系统的弹性恢复力取决于两者的接触面与介质的弹性模量。
Washburn与Wolf的研究不仅使地球物理界意识到耦合问题的存在,同时也为研究耦合问题提供了实验探索与理论研究两种不同的思路。
60年代以后多位学者对检波器耦合问题开展了相关的实验研究[3-4]。
Hoover等[5]以传统的无尾锥检波器为研究对象,在实验中发现质量较重且与介质接触面积小的检波器对地震信号起到类似于低通滤波器的作用,而轻质、面积较大的检波器的滤波作用并不明显。
之后,随着带尾锥检波器的普及应用,他的研究结论也逐渐失去实际的参考意义。
Krohn[6]通过更为详尽的实验研究证明:
(1)耦合系统在低于谐振频率的区间具有较好的信号还原特征,而在高于谐振频率的区间则会对信号的振幅与相位造成畸变;
(2)谐振频率与土壤介质的压实程度有关而对检波器质量及底面直径不甚敏感,埋置或者压实能提高谐振频率;(3)检波器尾锥的振动会对横波记录产生低频谐振,因此水平检波器更依赖于耦合条件。
相比之下,关于耦合模型的理论模拟始终占检波器耦合研究的多数[7-9],包括Hoover在其文章中所建立的一套以检波器质量、介质接触面积、介质致密程度为输入的阻尼振动耦合模型(如图1.1所示)。
但与同时期实验研究遇到的问题一样,理论研究的学者都将检波器简化为置于弹性半空间表面的刚性柱体,而忽略了尾锥结构的作用。
对此,Tan[10]最先提出了检波器的改进模型,不同于前人以阻尼振动模型模拟检波器耦合的研究思路,他基于互易定理与弹性动力学理论构建新的耦合模型,结合合适的边界条件,求取检波器与介质的位移关系。
由此弹性波动力学建模的方法被正式提出。
受Tan的启发,Rademakers等[11]将检波器模型进一步简化为垂直插置于弹性半空间中的柱体模型,并定义耦合系数量化描述系统的耦合响应。
通过数值模拟,他发现虽然检波器与介质条件都会影响耦合效果,但是介质条件的因素影响相对强烈,这与Krohn的研究结论相近。
之后,Vos等[12]提出了检波器耦合的声波近似表达,模拟纵波条件下的耦合响应。
他认为检波器尾锥的介入会破坏介质中的原始波场,因此将检波器视为散射体,通过声波方程与声波互易定理构建耦合模型,通过数值模拟证明介质与检波器密度比以及尾锥几何尺寸是影响耦合响应的关键因素。
Drijkoningen[13]在前人研究的基础上更深入开展弹性动力学模型研究,以波场传播代替传统的振动传递,建立新的耦合模型。
图1.1无尾锥检波器耦合模型示意图
相比于国外检波器耦合研究,国内相关研究的开展相对滞后。
李之权[14]在其探讨数字检波器的文章中首次提到检波器的非线性失真问题,这可以视作国内学者首次提及检波器因素的影响。
罗定远等[15]通过野外测试,研究检波器在不同联结方式下的振动特性。
但是这些研究大多关注的是检波器机芯的谐振现象,这与现代定义的检波器耦合概念存在一定出入。
国内检波器耦合研究的高峰出现在上世纪90年代末至本世纪初,徐锦玺等[16]经试验发现适当增加检波器长度能有效拓宽频带,保护高频信号,同时避免引起叠加效应。
庞仕敏[17]通过理论研究证明合适长度的检波器尾锥能保证理想的耦合效果。
董世学等[18]通过分析检波器耦合系统对地震记录的影响,认为需要引入特定的耦合技术优化系统的耦合响应,改善地震信号的信噪比与分辨率。
徐淑合[19]针对沙漠工区条件设计并应用不同类型的检波器耦合装置,提升地震信号质量。
石战结等[20]也在沙漠地区进行了类似研究,并且基于维纳滤波提出了耦合匹配滤波方法。
实验结果证明,该方法能有效结合特殊耦合装置的优势,拓宽地震信号频带,提高地价资料的分辨率。
此外,吕公河[21]、李培超[22]等都对检波器耦合问题开展了相对应的实验研究。
理论研究方面,刘志田等[23]根据振动力学理论首次提出检波器耦合系统的双自由度模型,并通过实验测试尾锥长度、质量、材质、介质等因素对检波器频率响应的影响。
石战结[24-25]结合灰岩地区表层介质特征,提出构建三自由度耦合振动系统的观点。
魏继东[26]则主张以单自由度阻尼振动系统描述检波器-大地耦合响应,并且认为应该从振动力学角度认识耦合现象。
1.2研究目的与研究意义
综上所述,前人对于检波器耦合理论的研究思路主要分为两类:
第一类是基于振动力学的阻尼谐振系统或多自由度振动系统,主张以具有固定阻尼与谐振频率的质量体模拟检波器,这也是国内检波器耦合理论研究的主流方向。
这一理论虽然在一定程度上简化了耦合机理,突出耦合系统的频率响应特性,但是忽略了检波器尾锥对于耦合响应的影响[27],存在一定局限性。
另一类是根据弹性波动力学理论构建的检波器耦合模型。
这一理论考虑到现代检波器与介质的联结基本通过尾锥实现,因此采用尾锥模型模拟检波器,从波场传播及转换角度解释耦合响应。
由于弹性波动力学模型充分考虑检波器尾锥的作用,假设也更为接近实际情况,因此在国外受到广泛关注,相关理论不断得到完善与发展。
然而,国内学者尚未对此开展相关研究。
考虑到弹性波动力学耦合理论所具有的优势以及国内外学者的研究进展,有必要在国内开展相关的耦合研究,丰富研究思路同时填补技术空白。
1.3本文研究内容与创新点
本文主要研究内容如下:
第一章,介绍国内外检波器耦合研究的发展历程及进展情况,概括并分析不同理论及实验研究工作在研究方向上的差异。
阐述本文的研究目的与意义,点明研究工作的创新点。
第二章,详细阐述应用弹性波动力学理论解决耦合问题的思路。
引入耦合系数量化耦合系统响应,以置于弹性半空间中的柱状体模拟检波器尾锥,结合运动平衡方程、格林函数、互易定理,构建基于波动力学的检波器-介质耦合模型,并结合介质与检波器条件求解模型的耦合响应表达。
第三章,基于数值模拟计算结果探讨介质的横波速度、泊松比以及检波器质量、尾锥长度、半径因素对耦合响应的作用与影响。
第四章,结合不同介质条件,探讨波动力学耦合模型与振动力学耦合模型的响应差异。
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