六分量弹性波场数值模拟与分析.pdf

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分量弹性波场数值模拟与分析孙丽霞¨，唐国彬，徐涛踝，王敏玲，郭希张智地球理学报物猚，～，＆盩缂覼冼雹蝽耰可妙。厂辍眆，巧张智，孙丽霞，唐国彬等．．六分量弹性波场数值模拟与分析．地球物理学报，琩：．／／＼摘要地震波传播过程中，质点的振动不仅包括三个独立的平移部分，还包括三个独立的旋转部分．本文基于一阶下的六分量波场，并对二维各向同性层状模型下的三个分量地震记录做高分辨率线性拉东变换得到各自的频散能量的频散能谱效果更好，能看到基阶和完整的高阶面波，即旋转分量能反映更多的地下介质信息．关键词平动分量；转动分量；交错网格；数值模拟獁鄅第卷第年，痗速度应力弹性波方程，采用分裂完全匹配层的吸收边界条件，推导了时间导数二阶精度和空间导数高阶精度的交错网格有限差分格式的弹性波速度与应力各分量计算公式，模拟了各向同性介质中均匀模型和层状模型谱．数值模拟分析结果表明：7至康哪芰恳1绕蕉至咳醯亩啵在平动分量上，面波能量强，频率低，反射芰拷锨浚瓷鋝波能量稍弱；在旋转分量上，反射芰亢苋酰瑂波能量强；肫蕉至肯啾龋7痗中图分类号收稿日期收修定稿～，В琓ǎ琗，，．猳—．猚猟瓹艇打В瓽饄鹆掷砉ご笱У厍蚩蒲аг海鹆阄饕鹗艨蟛辈橹氐闶笛槭遥鹆泄蒲г旱刂视氲厍蛭锢硌芯克本泄刂蚀笱У厍蛭锢碛胄畔⒓际跹г海本，珽＆鏢眂，锄”恕隹Ъ覼珿“撕”，琀闙阯如保珿“班流＆，—基金项目国家自然科学基金项目和广西自然科学基金项目:献手第一作者简介张智，男，年生，教授，主要从事深部地球物理场正反演研究．猰簔．甤ㄑ蹲髡咚锢鱿迹晟诙敛┦浚饕4邮碌卣鸩ǔ∈的Ｄ庋芯浚瓻—：甤琒琓．．，畒珿“”矗猳，鱥”琒眆，眊鏾珿∞癴琫，埃＆，，鱥”，打ぁ眘癴’
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引言仪基于有限差分原理，并且由一对标准地震计组成．理论研究表明，旋转速度数值等于平动速度旋转值的一半．将两个距离足够近的地震台的水平方向地单、效果良好，但是要求地震台间距足够小，从而限过平动分量来计算锸烤统鹿耍焕詈不能获得理论地震图的解析解，用来评估旋转运动地震波在介质中传播时，地面质点运动不仅包括线性运动的三个分量，而且还包括转动的三个分量．传统地震学以观测和模拟地表和建筑物的三分量平移为主，一直忽视了地面旋转运动的测量，然而，转动可以导致地面扭转和结构破坏，有时会成为建筑物破坏的主要原因詈昴泻退锪⒒，这在大型结构和桥梁中更为严重纬龋．近年来强地震频发，造成重大人员伤亡和经济损失，地震预测研究工作面临空前的机遇与挑战．将旋转与平动结合能更好地得到地球内部结构信息，使无需走时参数的层析成像成为可能，也能为破裂过程提供更详细的线索，并将推动地震预报的深入研究．近几十年来，在各国研究工作者的共同努力下，关于转动的理论和仪器研究都呈现出可喜的发展势头，对其今后的研究方向也已达成了广泛共识．自世纪年代以来，发展了很多获取转动的方法，如利用旋转地震仪直接测量、利用密集台阵测量的平动分量来问接获得、根据经典力学与地震学理论由地震平动记录直接推算；相应地转动地震仪的研究也取得了很大进展．目前被业界认可的且确实能够记录转动分量的转动地震仪主要分为以下两类浣硬饬孔6淖6卣鹨牵庵肿6卣震记录之差除以水平距离，即得到地震台位置近似的绕铅垂轴的转动分量；同样地，两个地震台的垂向地震记录之差除以水平距离，即得到地震台位置近似的绕水平轴的转动分量．因此，通过记录平移运动，可以获得低灵敏度的旋转运动．这种方法原理简制了其实用性和数据精度，且这类转动地震仪适合强震观测．苯硬饬孔6淖6卣鹨牵壳俺＜娜种直接测量转动的转动地震仪分别是基于电化学、机械和光学的．，渲谢⒌缱踊迪低的转动地震仪是目前应用最广泛的高精度地震仪．而利用流体作为惯性质量的电化学装置则是通过测量内部流体运动来记录转动，但是容易受环境的影响．光学转动地震仪则使用一个圆形、三角形或方形的充满气体的腔，且腔中有两个反向激光束的闭路传输，这种转动地震仪通过测量两个激光束的震动频率来记录转动，尽管非常精确，但价格昂贵，一般只适用于空间导航和科学研究．基于经典力学和地震学的理论，地震旋转效应的重要原因是不对称的剪切应变，转动分量可以通男，；王君杰和胡聿贤，⑶矣行矶喑步成熟的方法，如两点差分法、行波法、频率域法钟和崔太成，⒂邢薏罘址ǖ龋蒙鲜龇椒可以建立转动分量与平动分量之问的关系，并基于地震的平动分量记录得到转动分量．两点差分法简单、清晰、可靠，但需要建立成本高昂的密集台阵，难以广泛应用，因此该方法更适合局部地区．行波法更为可靠，其精度与震中距有关，震中距越大精度越高．频率域法是对行波法的改进，考虑了地震波入射时视速度的频散效应，平动分量不再被视为定型波，该方法可以从平动分量记录中获得高精度的转动分量，并且据频域法的分析结果，对体波琍波、波和波裕挥蠸吞宀茉诘乇聿生旋转加速度，因而具有广泛的实用性．