各向异性介质中扭转波分裂的实验观测

实验室可以产生两种振动模式的横波,一种是剪切振动,另一种是扭转振动,在各向同性介质中两模式的横波速度是相同的,但它们的振动特性不一样,前者表现出很强的偏振特性,后者为无偏振特性.实验测试表明无偏振特性的扭转波在各向异性介质中传播时也会出现两种速度不同的扭转波,速度值与剪切横波的快慢横波速度值一致.用扭转波换能器接收时,这快慢扭转波的波形振幅不受各向异性方位影响.通过两块均匀的各向异性样品,用实验观测揭示了各向异性介质中扭转波的一些传播特征.     

岩石正交各向异性的实验观测

岩石速度各向异性由多种因素引起,如果这些因素在岩石中构成正交分布,就会出现正交各向异性.在实验室通过选择了三种不同岩性的岩石,采用超声脉冲测试方法中的横波偏振扫描方式,观测了岩石样品三个坐标方向上的横波速度变化,通过分析三个传播方向上出现横波分裂的差异,以及出现最大或最小快慢横波振幅的偏振方向发现,可从横波偏振方向和速度值判断出纹理砂岩和裂隙大理岩样品存在不同程度的速度正交各向异性和裂隙方向等特征,认为这两种岩石的正交特性的原因是岩石的层理或裂隙与岩石本身的结构(定向颗粒或结晶)构成的.实验室超声波测试可以找出正交各向异性的结构方向.     

VTI介质SH-SH波地震反演方法研究

近年来,随着横波可控震源技术的发展,国内外已经实现了纯横波地震勘探.相较于地震纵波,地震横波对横波阻抗、横波速度尤其是各向异性参数变化更为敏感,因此地震横波能够用来更好地估算上述地层参数.VTI(具有垂直对称轴的横向各向同性)是地层介质中广泛存在的一种各向异性形式,对振幅随偏移距变化(AVO)影响显著.本文提出了一种改进的VTI介质SH-SH波反射系数近似公式,新公式具有较高的精度且仅包含两项待求参数：横波阻抗和水平横波(SH波)速度.基于新方程建立了VTI介质SH-SH波反演方法,该方法相比VTI介质的PP波反演不确定性明显下降,同时降低了常规PP波各向异性反演对大角度数据的要求.为了获得独立的横波各向异性参数,进一步地提出了一种基于岩石物理关系的横波各向异性参数估算方法.合成地震数据测试和柴达木盆地九分量地震勘探实际地震数据应用结果表明,新方法能够准确地预测地层的横波阻抗、水平横波(SH波)速度、各向异性参数,为各向异性地层的岩性解释和油气储层预测提供了可靠的解决方案,从而深化了横波地震勘探的应用潜力.     

利用含可控裂缝人工岩样研究裂缝密度对各向异性的影响

利用新方法制作出含可控裂缝的双孔隙人工砂岩物理模型,具有与天然岩石更为接近的矿物成分、孔隙结构和胶结方式,其中裂缝密度、裂缝尺寸和裂缝张开度等裂缝参数可以控制以得到实验所需要的裂缝参数,岩样具有真实的孔隙和裂缝空间并可以在不同饱和流体状态下研究流体性质对于裂缝介质性质的影响.本次实验制作出一组具有不同裂缝密度的含裂缝人工岩样,对岩样利用SEM扫描电镜分析可以看到真实的孔隙结构和符合我们要求的裂缝参数,岩样被加工成八面棱柱以测量不同方向上弹性波传播的速度,用0.5 MHz的换能器使用透射法测量在饱和空气和饱和水条件下各个样品不同方向上的纵横波速度,并得出纵横波速度、横波分裂系数和纵横波各向异性强度受裂缝密度和饱和流体的影响.研究发现流体对于纵波速度和纵波各向异性强度的影响较强,而横波速度、横波分裂系数和横波各向异性强度受饱和流体的影响不大,但是对裂缝密度的变化更敏感.     

裂缝介质横波分裂时差影响因素定量研究

裂缝介质数值模拟是研究裂缝型油藏各向异性及裂缝检测的关键.横波分裂现象是波在各向异性介质中传播的一个显著特征,横波分裂时差能够反映地下裂隙密度和介质物性等信息.本文给出二维均匀TTI介质在不同极化角度下的横波群速度公式,进而得到偏移距表征的横波分裂时差表达式;同时采用二维三分量交错网格高阶有限差分方法模拟不同极化角度下的三分量炮记录,与理论值对比分析,定量研究分裂时差与极化角、偏移距、各向异性参数的关系,得到如下主要结论:1)在不同各向异性强度下,横波分裂时差与极化角呈现不同的变化规律,而快慢横波振幅比与极化角的关系不受各向异性强度的影响;2)从能量角度,在45°～55°极化角内,横波传播的能量对比最强,是观测横波分裂的最佳角度范围;3)表征各向异性强度的三个参数中γ对横波分裂时差的影响最大,其从0变化到0.3,分裂时差增幅达432.4%.     

裂缝预测在胜利地区的应用

利用角度扫描法对各向异性介质中快慢波的方位角和时间延迟进行分析是预测裂缝的一种比较有效的方法.转换横波在经过裂缝等波阻抗界面较明显的反射界面时,由于横波分裂使原始地震资料各分量的能量重新分配到快慢横波中,通过角度扫描法可以将发生横波分裂现象而分散于垂直裂缝和平行于裂缝两个方向上的快慢横波能量重新集中,恢复成没有发生横波分裂现象前的转换横波波场信号.为此,通过建立一套裂缝预测的流程并将其应用到胜利实际资料的处理中,对时间延迟进行校正并对裂缝方向进行预测,使转换波R分量的成像质量有了较大的提高.     

卢龙地区S波偏振与上地壳裂隙各向异性

由三分量数字地震仪组成的小孔径流动台网记录了1982年10月19日河北卢龙M_s=6.1级地震的部分余震.用质点运动图的方法对横波的偏振进行了分析。研究结果表明,在横波窗内的各观测点都存在横波的分裂现象.不同离源角和方位角快波偏振的水平投影都具有近NE40°方向的优势取向,与根据卢龙地震两组断层错动在各向同性介质中所辐射的横波的偏振方向不一致.这可以由传播介质中应力所导致裂隙的定向排列来解释.这一观测结果提供了卢龙地区脆性上地壳大范围膨胀各向异性（EDA）的证据,并表明这一地区直立平行排列裂隙取向和水平主压应力的方向为NE40°.     

带正则化校正的TTI介质qP波方程及其逆时偏移方法和应用

各向异性研究对地下介质精确成像有着重要的意义,在当前计算机硬件迅速发展及宽方位地震数据采集日益普遍的情况下,成像必须考虑介质的各向异性.逆时偏移是基于双程波动方程的较为精确的数值解的成像方法,所以相对于其他地震成像方法,它具有很大的优势,譬如不受反射界面的倾角限制、偏移速度结构合适时能够使回转波及多次波正确成像.在各向同性介质中,可使用标量波方程来模拟波场.而在各向异性介质中,P波和SV波是相互耦合的,即不存在单纯的标量波传播,通常利用能代表耦合波场中P波分量运动学特征的拟声波(qP波)进行偏移成像.本文中,我们推导出了TTI介质下qP波控制方程.该方程可采用显式有限差分格式进行求解.通过声学近似,若沿对称轴方向的剪切波速度为零,对于对称轴方向不变且ε≥δ的模型来说,可得到稳定的数值解.但对于TTI介质来说,由于沿对称轴方向各向异性参数是变化的,声学近似会引起波场传播及数值计算的不稳定.因此,我们提出了正则化有限横波的方法,很好地解决了这一问题.最后,给出了Foothill模型的测试结果及某探区实际资料试算结果,展示了采用这个方程进行复杂TTI模型正演和高质量逆时偏移成像结果,证实了该方法的正确性和实际资料应用中的有效性.     

基于面波频散的三维横波速度方位各向异性层析成像方法

地震各向异性是反映地球内部介质特性的重要指针之一。常用的横波分裂法和二维面波方位各向异性层析成像方法很难准确反映各向异性随深度的变化。将与周期相关的区域化面波方位各向异性转换成与深度相关的一维横波速度方位各向异性可以弥补深度信息不足的缺陷。现有三维横波速度各向异性研究多是通过两步方法来实现的,即逐个周期二维面波方位各向异性层析成像以及逐个格点一维横波速度方位各向异性反演。这种分步反演的方式既不利于三维先验约束的引入,也不利于利用原始观测拟合误差对三维模型进行直接评估。因此本文开发了基于面波频散曲线的三维横波速度方位各向异性层析成像方法,并编制了相关正演和反演程序。为了检测方法和程序的有效性,我们对规律分布的三维检测板模型进行了模拟测试。测试结果显示:该方法可以很好地恢复各向同性波速异常、各向异性相对强度和快波方向等三维结构信息;而且反演模型相对于参考模型明显改善了对观测数据的拟合,降低了对观测数据的均方根误差。但对各向同性理论模型进行各向异性反演时,在波速均匀区可产生小于0.5%的假各向异性幅值,在波速非均匀区该假的各向异性幅值会更大,浅部可达3.5%。因此在实际应用中需要谨慎解释（浅部）非均匀区的各向异性结果。      

TTI介质有限差分逆时偏移的稳定性探讨

在沉积学中,可假设在相同时期的沉积层具有相近的物理性质和演化过程.因此,沿层传播的地震波和垂直于地层传播的地震波具有各向异性的特点.在纵波资料的处理中,考虑各向异性对逆时偏移的影响,通常假设介质的横波速度为零,这样可以得到纵波在TTI介质中的传播方程,但是该方程在实际计算中仍存在数值稳定性问题.本文加入横波分量可有效解决数值稳定性问题,并选取适当的横波速度减小对纵波成像的影响,实现地震波在TTI介质中的逆时偏移.实际测算表明,P-SV波的方程中包含横波分量,若假设SV的速度为零,则会导致方程的差分格式不稳定;若加入SV波,选择合适的SV波速度可以使SV波的全区各向异性和反射系数达到极小,并可有效的抑制SV波对纵波勘探的影响.本文的方法是一种稳定的TTI介质中的逆时偏移方法.     

含裂隙双相各向异性介质中的地震波传播

基于各向异性介质和含裂隙双相介质中的地震波传播理论,导出了具有四阶对称轴的含裂隙双相各向异性介质的本构关系与波传播的运动方程．指出在含裂隙双相各向异性介质中可能传播６种类型的准纵横波,即快纵波ＱＰ１,慢纵波ＱＰ２,两个分裂的快横波ＱＳＶ１,ＱＳＨ１和两个分裂的慢横波ＱＳＶ２,ＱＳＨ２．并以平面波传播为例作了进一步分析     

Plane-layered models for the analysis of wave propagation in reservoir environments1

The long-wavelength propagation and attenuation characteristics of three geological structures that frequently occur in reservoir environments are investigated using a theoretical model that consists of a stack of fine and viscoelastic plane layers, with the layers being either solid or fluid. Backus theory properly describes fine layering and a set of fluid-filled microfractures, under the assumption that interfaces between different materials are bonded. The effects of saturation on wave attenuation are modelled by the relative values of the bulk and shear quality factors. The anisotropic quality factor in a fine-layered system shows a variety of behaviours depending on the saturation and velocities of the single constituents. The wave is less attenuated along the layering direction when the quality factors are proportional to velocity, and vice versa when inversely proportional to velocity. Fractured rocks have very anisotropic wavefronts and quality factors, in particular for the shear modes which are strongly dependent on the characteristics of the fluid filling the microfractures. When the size of the boundary layer is much smaller than the thickness of the fluid layer, the stack of solid-fluid layers becomes a layered porous media of the Biot type. This behaviour is caused by the slip-wall condition at the interface between the solid and the fluid. As in Biot theory, there are two compressional waves, but here the medium is anisotropic and the slow wave does not propagate perpendicular to the layers. Moreover, this wave shows pronounced cusps along the layering direction, like shear waves in a very anisotropic single-phase medium.     

剪切波在双层方位各向异性介质传播中分裂参数的变化特性

以质元运动方程和应力应变关系为基础建立了各向异性介质的波动方程．从数学上对体波在各向异性介质中的传播进行了严格的数学推导,给出了各向异性介质中三种体波波速与介质弹性常数及波传播方向的数学关系．由此对剪切波在单层和双层弱方位各向异性介质中的分裂行为进行了系统讨论,给出了合成分裂参数、每一层分裂参数与入射剪切波偏振方向的数学表达式．假定每一层分裂参数之后,得到了合成分裂参数随入射方位角变化的合成地震图．研究表明,剪切波在双层各向异性介质中传播时产生的两对分裂剪切波可用一合成分裂因子来描述．由合成分裂因子确定的分裂参数随入射剪切波偏振方向的变化呈现出π／2的变化周期．其结果可用于双层各向异性介质反演研究,对进一步解释板块运移、地幔对流规模、深源地震成因、浅部地震构造及深部力源问题等有参考意义．     

Shear waves in elastic medium with void pores welded between vertically inhomogeneous and anisotropic magnetoelastic semi-infinite media

The paper intends to study the propagation of horizontally polarized shear waves in an elastic medium with void pores constrained between a vertically inhomogeneous and an anisotropic magnetoelastic semi-infinite media. Elasto-dynamical equations of elastic medium with void pores and magnetoelastic solid have been employed to investigate the shear wave propagation in the proposed three-layered earth model. Method of separation of variables has been incorporated to deduce the dispersion relation. All possible special cases have been envisaged and they fairly comply with the corresponding results for classical cases. The role of inhomogeneity parameter, thickness of layer, angle with which the wave crosses the magnetic field and anisotropic magnetoelastic coupling parameter for three different materials has been elucidated and represented by graphs using MATHEMATICA.     

四重旋转对称含裂隙双相各向异性介质中的地震波

基于各向异性介质和含裂隙双相介质中的地震波传播理论,导出了四重旋转对称含裂隙双相各向异性介质的本构关系与地震波传播的运动方程,并以平面波为例,进行了初步的分析研究．      

Fluid‐dependent shear‐wave splitting in fractured media

Azimuthal anisotropy in rocks can result from the presence of one or more sets of partially aligned fractures with orientations determined by the stress history of the rock. A shear wave propagating in an azimuthally anisotropic medium splits into two components with different polarizations if the source polarization is not aligned with the principal axes of the medium. For vertical propagation of shear waves in a horizontally layered medium containing vertical fractures, the shear‐wave splitting depends on the shear compliance of the fractures, but is independent of their normal compliance. If the fractures are not perfectly vertical, the shear‐wave splitting also depends on the normal compliance of the fractures. The normal compliance of a fluid‐filled fracture decreases with increasing fluid bulk modulus. For dipping fractures, this results in a decrease in shear‐wave splitting and an increase in shear‐wave velocity with increasing fluid bulk modulus. The sensitivity of the shear‐wave splitting to fluid bulk modulus depends on the interconnectivity of the fracture network, the permeability of the background medium and on whether the fracture is fully or partially saturated.     

Simulation of full-waveform log in saturated cracked formations using Hudson's approach

We study the propagation of elastic waves that are generated in a fluid‐filled borehole surrounded by a cracked transversely isotropic medium. In the model studied the anisotropy and borehole axes coincide. To obtain the effective elastic moduli of a cracked medium we have applied Hudson's theory that enables the determination of the overall properties as a function of the crack orientation in relation to the symmetry axis of the anisotropic medium. This theory takes into account the hydrodynamic mechanism of the elastic‐wave attenuation caused by fluid filtration from the cracks into a porous matrix. We have simulated the full waveforms generated by an impulse source of finite length placed on the borehole axis. The kinematic and dynamic parameters of the compressional, shear and Stoneley waves as functions of the matrix permeability, crack orientation and porosity were studied. The modelling results demonstrated the influence of the crack‐system parameters (orientation and porosity) on the velocities and amplitudes of all wave types. The horizontally orientated cracks result in maximal decrease of the elastic‐wave parameters (velocities and amplitudes). Based on the fact that the shear‐ and Stoneley‐wave velocities in a transversely isotropic medium are determined by different shear moduli, we demonstrate the feasibility of the acoustic log to identify formations with close to horizontal crack orientations.     

Vibration isolation by trenches in continuously nonhomogeneous soil by the BEM

Vibration isolation of structures from ground-transmitted waves by open trenches in isotropic, linearly elastic or viscoelastic soil with a shear modulus varying continuously with depth is numerically studied. Both an exponential and a linear shear modulus variation with depth are used in this work. Waves produced by the harmonic motion of a rigid surface machine foundation are considered. The problem is solved by the frequency domain boundary element method employing the Green's function of Kausel-Peek-Hull for a thin layered half-space. Thus only the trench perimeter and the soil-foundation interface need essentially to be discretized. The proposed methodology is first tested for accuracy by solving two Rayleigh wave propagation problems in nonhomogeneous soil with known analytical solutions and/or for which experimental results are available. Then the method is applied to vibration isolation problems and the effect of the inhomogeneity on the wave screening effectiveness of trenches is studied.     

长周期形变波及其所反应的短期和临震地震前兆

本文应用断裂力学和流变介质中波的传播理论来研究震前长周期形变波的波动源以及这类波传播的一些主要特征,在理论研究结果的基础上,对我国多次较大地震前观测到的短临地震前兆进行了剖析,并从中识别出一些可能与长周期形变波有关的短临地震前兆.首先,从粘滑与破裂这两类主要地震机制出发,提出了粘滑前的预滑与破裂前断裂的预扩展(亚稳态扩展)可能是产生震前长周期波的两类波动源的看法,并着重从理论上讨论了后一类波动源.其次,以地壳流变介质模型为基础,对长周期形变波的传播特性进行了理论研究.选用地壳的广义流变介质模型,求解了所述的两类波动源在这种流变地壳介质中引起的长周期形变波传播的动力学问题,从理论上得出了长周期形变波在地壳内传播的某些一般特征.然后,专门分析了我国多次大地震前实际观测到的短期和临震地震前兆资料,并着重讨论了唐山地震的短临前兆.在这些不同类型的短临地震前兆中,我们得出地下水位、地倾斜及潮位自动记录曲线等的某些振动式及阶跃式短临地震前兆与长周期形变波的理论探讨结果基本相符,因而可以认为它们属于由长周期形变波所反映的地震前兆.在理论研究与实际资料分析的基础上,本文归纳了由长周期形变波所引起的短临地震前兆的一些基本特征,包括传播速度、衰