[發明專利]面波頻散與體波譜比聯合反演淺層速度的全局優化方法

有效

• 申請號: 201811087270.5
• 申請日: 2018-09-18
• 公開（公告）號: CN109061731B
• 公開（公告）日: 2019-10-25
• 發明（設計）人: 榮棉水;唐暉
• 申請（專利權）人: 中國地震局地殼應力研究所
• 主分類號: G01V1/30
• 分類號: G01V1/30
• 代理公司: 北京紀凱知識產權代理有限公司 11245
• 代理人: 徐寧;謝斌

本發明涉及一種面波頻散與體波譜比聯合反演淺層速度的全局優化方法，包括以下步驟：1)給定反演的初始參數，構造以二進制編碼表示的未知向量種群；2)確定面波頻散曲線的理論計算方法和體波HVSR曲線的理論計算方法；3)建立能同時擬合面波頻散曲線和體波HVSR曲線的目標函數；4)進行遺傳模擬退火的全局優化計算，獲得全局最優解；5)根據全局最優解即可獲得的淺層速度結構。本發明結合了遺傳和模擬退火兩種方法的優勢，可以提高反演的效率和準確性，可以廣泛應用于測線難以展開的城市地區，也能用于背景噪聲、測震或強震記錄等多種數據源。

技術領域

本發明涉及一種淺層地震勘探領域中的近地表淺層速度結構的獲取方法，特別是關于一種基于面波頻散與體波譜比聯合反演淺層速度的全局優化方法。

背景技術

淺層速度結構是開展場地地震影響分析并評價場地地震效應的基礎資料。獲取淺層速度結構的常規方法有鉆孔測井法、主動源探測法等。鉆孔測井受到費用、鉆探深度限制，對一些空間展布范圍廣的工程只能在關鍵控制點布設，主動源探測則受場地條件限制較大，對土層結構的分辨能力也難以滿足工程需要。因此，研究和開發方便、經濟的淺層速度結構探查方法，一直是地震工程以及淺層地震勘探領域的重要內容。

目前，地震學利用實際觀測記錄數據的反演仍多用于深部結構的研究，用于反演地震工程較為關注的局部場地土層(一般為百米或數百米深度的淺地層)速度的技術手段并不多見。單獨利用面波頻散曲線反演地下速度結構已有比較成熟的方法，但這種方法多解性較強，需要增加有效的約束條件。近年來，從噪聲水平與豎向譜比方法擴展而來的水平與豎向譜比(Horizontal-to-Vertical Spectral Ratio，以下簡稱HVSR)也是一種研究場地固有特性的有效方法，其僅需單個臺的三分量地表觀測記錄，數據獲取容易且成本較低，引起了國內外研究者的重視與持續研究。已有的研究表明，體波HVSR曲線僅與場地S波、P波傳遞函數以及基巖S波、P波波速等場地本身的特性有關，因而可用于反演土層速度結構，但體波HVSR方法用于反演淺層速度結構時同樣面臨多解性較強的問題。由于面波頻散曲線和體波HVSR曲線都能體現地層速度結構特征，且二者原理不同，若互為補充可以非常有效地增加反演時的約束條件，有效解決反演多解性問題。另外，場地淺層速度結構的反演計算實質是一個土層場地模型空間搜索的全局優化問題，這一問題的解決較為依賴反演方法的選擇，當模型搜索空間的復雜程度增大時，目前常用的搜索算法如蒙特卡洛方法收斂速度變慢，計算效率降低。

相比較而言，遺傳算法和模擬退火算法是更智能的自適應全局優化方法，其概率搜索高效，在波速結構反演中得到廣泛應用。遺傳算法雖然具有隱并行性，全局搜索能力強，但容易收斂到局部最優解，即收斂早熟，模擬退火算法局部搜索能力強，但全局搜索能力卻較差，若能將二者結合起來，就能取長補短極大提高反演的效率與準確性。

如前所述，反演淺層速度結構的方法大多采用單獨的面波頻散曲線反演或者單獨的體波HVSR反演，聯合應用面波頻散曲線和體波HVSR曲線反演的研究尚十分少見。在聯合反演方法方面，現有的多為單獨的遺傳算法或者模擬退火算法等，遺傳算法存在收斂早熟、模擬退火算法存在搜索效率低的問題。隨著我國淺地層探測技術的不斷進步和發展，鉆孔測井方法費用較高、主動源探測在城市地區難以開展的缺點已經日益突出，急需尋求方便、經濟、穩定可行的淺層速度結構探查方法。傳統方法已經難以適應大面積地區以及城市地區淺層速度結構探測的要求。

發明內容

針對上述問題，本發明的目的是提供一種面波頻散曲線與體波HVSR曲線聯合反演淺層速度結構的全局混合優化方法，該方法結合了遺傳和模擬退火兩種方法的優勢，可以提高反演的效率和準確性。