地震地质 ›› 2026, Vol. 48 ›› Issue (4): 921-940.DOI: 10.3969/j.issn.0253-4967.20250006
李锐菁1)(
), 谢凡1),*(
), 董丽娜2), 李德康1), 焦成丽3)
收稿日期:2025-09-25
修回日期:2025-11-29
出版日期:2026-08-20
发布日期:2026-09-09
通讯作者:
* 谢凡, 男, 研究员, 主要从事环境地震学研究及其应用, E-mail: xiefan@cea-igp.ac.cn。
作者简介:李锐菁, 女, 1997年生, 2025年于中国地震局地球物理研究所获得固体地球物理学专业硕士学位, 主要从事背景噪声探测和结构健康监测等方面的研究工作, E-mail: liruijingg@gmail.com。
基金资助:
LI Rui-jing1)(
), XIE Fan1),*(
), DONG Li-na2), LI De-kang1), JIAO Cheng-li3)
Received:2025-09-25
Revised:2025-11-29
Online:2026-08-20
Published:2026-09-09
摘要:
中国尾矿库总量居世界第一。尾矿库坝体失稳导致的溃坝事故易造成下游区域的生态破坏、 经济损失及人员伤亡, 因此亟需发展经济高效的无损监测方法, 以保障尾矿库运行过程中坝体结构的健康安全。近年来, 基于地震背景噪声的一系列方法在地球浅地表结构探测应用研究中日益受到重视, 其中通过分析地震背景噪声中水平与垂直分量的谱比(HVSR)得到的峰值频率对地下介质波速阻抗敏感的特性, 适用于尾矿坝的结构健康监测。文中基于布设在尾矿坝表面的3台三分量地震仪采集的数据, 利用HVSR方法分析尾矿坝不同位置的共振频率, 并将基于协方差矩阵自适应演化策略(CMA-ES)的进化算法应用于HVSR曲线的反演, 刻画尾矿坝结构的分层特征。研究结果表明, 3个台站的HVSR曲线均清晰地表现出与各自坝体位置相关的峰值频率, 尾矿坝顶部到坝趾的峰值频率从1.4Hz增加到3.7Hz。此外, 基于CMA-ES反演HVSR曲线的结果显示, 尾矿坝体存在一个由干、 湿尾矿颗粒分层所形成的横波速度强阻抗界面, 该界面的深度与浸润线深度高度一致。最后, 通过对比CMA-ES、 PSO和网格搜索及HVSRInv的反演结果, 发现基于CMA-ES方法得到的尾矿坝体结构界面深度误差最小。文中研究成果表明, HVSR方法可有效识别尾矿坝共振频率及其内部的分层结构, 为评估坝体潜在风险提供新的监测手段。
李锐菁, 谢凡, 董丽娜, 李德康, 焦成丽. 基于协方差矩阵自适应演化策略(CMA-ES)的HVSR反演方法在尾矿坝结构探测中的应用[J]. 地震地质, 2026, 48(4): 921-940.
LI Rui-jing, XIE Fan, DONG Li-na, LI De-kang, JIAO Cheng-li. APPLICATION OF HVSR INVERSION METHOD BASED ON COVARIANCE MATRIX ADAPTIVE EVOLUTION STRATEGY (CMA-ES) ON TAILINGS DAM STRUCTURE DETECTION[J]. SEISMOLOGY AND GEOLOGY, 2026, 48(4): 921-940.
图 1 a 尾矿坝台站分布; b 上游法尾矿库结构图; c 小东沟尾矿坝位置
Fig. 1 Station distribution in the tailings dam area(a); Upstream method tailings storage structure(b); Location of Xiaodonggou tailings dam(c).
图 3 研究方法技术路线 a HVSR观测曲线计算路径; b 基于CMA-ES的HVSR反演方法路径; c 协方差矩阵自适应趋势, 红色部分为误差最小的区域, 蓝色部分为误差最大的区域, g为迭代次数, 虚线圆圈为协方差矩阵范围, 中心点为均值
Fig. 3 Technical workflow in this study.
| 频率范围/Hz | <0.2 | 0.2~0.5 | 0.5~1.0 | 1.0~2.0 | >2.0 |
|---|---|---|---|---|---|
| 阈值εf0/Hz | 0.25μf0 | 0.2μf0 | 0.15μf0 | 0.1μf0 | 0.05μf0 |
表 2 SESAME第5项评估标准的阈值
Table2 Threshold values for assessment of the fifth SESAME criterion
| 频率范围/Hz | <0.2 | 0.2~0.5 | 0.5~1.0 | 1.0~2.0 | >2.0 |
|---|---|---|---|---|---|
| 阈值εf0/Hz | 0.25μf0 | 0.2μf0 | 0.15μf0 | 0.1μf0 | 0.05μf0 |
图 4 各台站分量频域曲线与HVSR曲线 a—c各台站Z、 N、 E分量的频域曲线; d—f 各台站HVSR整体平均曲线(黑色)及±STD的误差曲线(虚线)。灰色菱形为特征共振频率点
Fig. 4 Frequency-domain curves of components and HVSR curves for each station.
| 层 | 深度/m | VS/m·s-1 | 密度/g·cm-3 | 阻尼因子 |
|---|---|---|---|---|
| 第1层 | 5~30 | 100~300 | 1.6 | 0.07 |
| 第2层 | 10~60 | 300~900 | 1.8 | 0.05 |
| 半空间层 | 0 | 700~1800 | 2.0 | 0.03 |
表 3 反演参数搜索范围
Table3 Inversion parameter search range
| 层 | 深度/m | VS/m·s-1 | 密度/g·cm-3 | 阻尼因子 |
|---|---|---|---|---|
| 第1层 | 5~30 | 100~300 | 1.6 | 0.07 |
| 第2层 | 10~60 | 300~900 | 1.8 | 0.05 |
| 半空间层 | 0 | 700~1800 | 2.0 | 0.03 |
图 5 各台站反演结果 a、 c、 e T01、 T02和T03台站的CMA-ES反演结果; b、 d、 f T01、 T02和T03台站的PSO反演结果。每张分图中, 左侧为一维速度剖面; 中间为理论HVSR曲线(红色)和观测HVSR曲线(黑色); 右侧为误差收敛曲线
Fig. 5 Inversion results for each station.
| 台站 | 变量 | 反演方法 | 第1层 | 第2层 | 半空间层 |
|---|---|---|---|---|---|
| T01 | 深度/m | CMA-ES | 24.7±1.2 | 42.5±2.0 | |
| PSO | 20.4±1.3 | 35.9±2.5 | |||
| GSM | 25.4±3.8 | 45.8±10.4 | |||
VS/m·s-1 | CMA-ES | 150.3±21.7 | 600.5±66.5 | 1210.8±157 | |
| PSO | 123.4±27.1 | 504±98.2 | 1005±155.3 | ||
| GSM | 153.4±23.3 | 620±108.6 | 1286±194.4 | ||
| T02 | 深度/m | CMA-ES | 19.3±1.1 | 39.8±2.4 | |
| PSO | 17.2±1.3 | 37.1±3.2 | |||
| GSM | 16.2±2.3 | 42.9±9.4 | |||
VS/m·s-1 | CMA-ES | 188.5±25.4 | 692.6±39.2 | 1778±336 | |
| PSO | 167.7±40.8 | 646.4±192.8 | 1647.9±172 | ||
| GSM | 154.9±23.8 | 671±108.9 | 1504±195.9 | ||
| T03 | 深度/m | CMA-ES | 8.3±1.3 | 35.8±3.6 | |
| PSO | 8.6±1.4 | 37.1±4.0 | |||
| GSM | 8.2±1.4 | 37.8±9.6 | |||
VS/m·s-1 | CMA-ES | 133±27.1 | 739±52.5 | 1582.4±224.5 | |
| PSO | 138.6±30 | 769.1±156 | 1655.7±132.5 | ||
| GSM | 130.9±27.3 | 707±106.1 | 1554±169.4 |
表 4 各台站不同方法的反演结果
Table 4 The inversion results using different methods for each station
| 台站 | 变量 | 反演方法 | 第1层 | 第2层 | 半空间层 |
|---|---|---|---|---|---|
| T01 | 深度/m | CMA-ES | 24.7±1.2 | 42.5±2.0 | |
| PSO | 20.4±1.3 | 35.9±2.5 | |||
| GSM | 25.4±3.8 | 45.8±10.4 | |||
VS/m·s-1 | CMA-ES | 150.3±21.7 | 600.5±66.5 | 1210.8±157 | |
| PSO | 123.4±27.1 | 504±98.2 | 1005±155.3 | ||
| GSM | 153.4±23.3 | 620±108.6 | 1286±194.4 | ||
| T02 | 深度/m | CMA-ES | 19.3±1.1 | 39.8±2.4 | |
| PSO | 17.2±1.3 | 37.1±3.2 | |||
| GSM | 16.2±2.3 | 42.9±9.4 | |||
VS/m·s-1 | CMA-ES | 188.5±25.4 | 692.6±39.2 | 1778±336 | |
| PSO | 167.7±40.8 | 646.4±192.8 | 1647.9±172 | ||
| GSM | 154.9±23.8 | 671±108.9 | 1504±195.9 | ||
| T03 | 深度/m | CMA-ES | 8.3±1.3 | 35.8±3.6 | |
| PSO | 8.6±1.4 | 37.1±4.0 | |||
| GSM | 8.2±1.4 | 37.8±9.6 | |||
VS/m·s-1 | CMA-ES | 133±27.1 | 739±52.5 | 1582.4±224.5 | |
| PSO | 138.6±30 | 769.1±156 | 1655.7±132.5 | ||
| GSM | 130.9±27.3 | 707±106.1 | 1554±169.4 |
| 变量 | 反演方法 | 第1层 | 第2层 | 半空间层 |
|---|---|---|---|---|
| 深度/m | HVSRInv | 21.8 | 39.3 | |
| CMA-ES | 24.7 | 42.5 | ||
| VS/m·s-1 | HVSRInv | 315.7 | 584.6 | 1404.4 |
| CMA-ES | 150.3 | 600.5 | 1210.8 |
表 5 T01台站不同算法反演结果
Table 5 Inversion results of different algorithms for station T01
| 变量 | 反演方法 | 第1层 | 第2层 | 半空间层 |
|---|---|---|---|---|
| 深度/m | HVSRInv | 21.8 | 39.3 | |
| CMA-ES | 24.7 | 42.5 | ||
| VS/m·s-1 | HVSRInv | 315.7 | 584.6 | 1404.4 |
| CMA-ES | 150.3 | 600.5 | 1210.8 |
| 界面 | 变量 | CMA-ES | PSO | GSM | HVSRInv | 钻孔数据 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 浸润线 | 深度/m | 24.7 | 20.5 | 25.4 | 21.8 | |
| 误差/% | 1.6% | 15.6% | 4.5% | 10.3% | 24.3m | |
| 尾粉土与角砾间的界面 | 深度/m | 69.2 | 56.3 | 71.2 | 61.1 | |
| 误差/% | 0.4% | 19% | 2.4% | 12.1% | 69.5m |
表 6 T01反演结果与钻孔数据的误差
Table 6 The error between the inversion results and the bore hole data
| 界面 | 变量 | CMA-ES | PSO | GSM | HVSRInv | 钻孔数据 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 浸润线 | 深度/m | 24.7 | 20.5 | 25.4 | 21.8 | |
| 误差/% | 1.6% | 15.6% | 4.5% | 10.3% | 24.3m | |
| 尾粉土与角砾间的界面 | 深度/m | 69.2 | 56.3 | 71.2 | 61.1 | |
| 误差/% | 0.4% | 19% | 2.4% | 12.1% | 69.5m |
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