VTI介质中弹性波的波动特征研究

波动特征研究对各向异性介质的弹性参数反演,速度反演、NMO,DMO、时间域的偏移以及地震资料的精确解释有着重要意义.本文由Christoffel方程出发推导出二维VTI介质中XOZ对称平面内弹性波相速度与各向异性参数的关系式以及慢度面的计算式并通过理论模型分析得出以下结论：1)ε值决定了P波的水平相速度的大小,反映了P波水平传播的相速度与垂直传播的相速度的差异;δ值决定了P波垂直方向附近相速度的各向异性程度的大小.2)VTI各向异性介质中纵波偏振方向不再与慢度面是平行而是有一定的夹角,且SV波的慢度面不再完全与偏振方向垂直的.3)准SH 波的波慢度面呈椭圆,准P波与准SV波慢度面为不规则椭圆.     

含黏滞流体各向异性孔隙介质中弹性波的频散和衰减

基于Biot理论,考虑液相的黏弹性变形和固液相接触面上的相对扭转,提出了含黏滞流体VTI孔隙介质模型.从理论上推导出,在该模型中除存在快P波、慢P波、SV波、SH波以外,还将存在两种新横波－慢SV波和慢SH波.数值模拟分析了6种弹性波的相速度、衰减、液固相振幅比随孔隙度、频率的变化规律以及快P波、快SV波的衰减随流体性质、渗透率、入射角的变化规律.结果表明慢SV波和慢SH波主要在液相中传播,高频高孔隙度时,速度较高;大角度入射时,快P波衰减表现出明显的各向异性,而快SV波的衰减则基本不变;储层纵向和横向渗透率存在差异时,快SV波衰减大的方向渗透率高.     

垂向裂隙各向异性煤层地震波响应

煤层中存在的裂隙会导致介质表现为各向异性,本文以HTI型煤层为例,结合各向异性介质弹性矩阵和各向异性裂隙理论,推导出不同充填物的垂直裂隙中各向异性参数表达式,将其应用于地震波响应分析;通过改进的交错网格差分法和各向异性Christoffel方程波场分解法,得到地震波合成记录和分解后的P波和SV波记录;将Thomsen群速度与相速度公式,经过坐标轴旋转变换,得到HTI型煤层中不同各向异性参数的地震波速度响应表达式;建立不同类型煤层地质模型,分析了裂隙密度、裂隙充填物以及煤层厚度等参数变化时的地震波响应特征.研究结果为分析垂向裂隙各向异性薄煤层地震波传播规律提供工具,为选用相应地震数据进行地震波各向异性参数反演提供依据.     

TTI介质弹性波相速度与偏振特征分析

相速度和偏振方向是研究地震波传播规律和描述介质特性的重要参数,在理论研究和实际应用中有重要作用.本文假定倾斜横向各向同性(TTI)介质对称轴位于观测坐标系XOZ面内,在此观测坐标系下直接推导了TTI介质弹性波相速度和偏振方向的解析表达式,再进一步利用Thomsen弱各向异性理论,推导了弱各向异性近似条件下弹性波相速度以及qP波和qSV波偏振方向表达式.理论分析和数值试例表明,在相速度方面,随着各向异性介质参数改变,qP波和qSH波速度变化较为平缓,qSV波速度变化较为剧烈.弹性波相速度近似式误差均较小,能较好地近似精确相速度.在偏振方向方面,SH波偏振方向只是传播方向和对称轴倾角的函数,而与各向异性参数无关,SH波偏振方向既垂直于传播方向,又垂直于TTI介质对称轴方向.除特定方向外,qP波和qSV波的偏振方向与传播方向均成一定角度,并且随TTI介质对称轴倾角的改变而改变;在精确和近似情况下,qP波和qSV波的偏振方向始终垂直;在精度允许范围内,偏振方向的弱各向异性近似式与理论解析式吻合较好.     

P波入射下断层参数对地表地震动的影响

基于应用透射人工边界条件的显式有限元法计算断层破碎带宽度及力学参数变化、地震动入射角变化时二维断层场地模型P波入射下地表地震动场的分布。结果表明:(1)低速度破碎带的存在导致整个场地都有P波转换为SV波的分量,且在断层破碎带的区域出现断层陷波;(2)低速度破碎带的存在使输入场地恒定的能量向破碎带集聚放大,随着破碎带宽度增大或其介质波速降低集聚放大效应增大;(3)场地放大效应是频率相关的,宽度较宽或介质波速较低的断层破碎带对输入地震动中较低的频率成份放大显著;(4)竖向断层破碎带能阻隔斜入射地震P波,随着入射角增加隔震效应更显著。     

用非零偏P-P波、P-SV波计算零偏反射纵波和反射横波

在P波入射时，地下同一点产生的P－P波和P－SV波是入射角、界面两侧纵波阻抗和横波阻抗的函数，并且两者是耦合的，利用两者的耦合关系，可在入射角确定的情况下提取与入射角无关的零偏纵波反射和横波反射。本文对此进行了理论推导，结论是：入射角为零时的纵波与横波反射系数是入射角非零时的P－P波和P－SV波反射系数的线性组合，进而可以用纵横波反射计算泊松比反向间面，把多波叠前反演转化到叠后进行，通过合成弹性参数反射剖面，直接反演弹性参数等，都很有意义。文中给出了有关的公式，并对具体实现方法和有关参数进行了讨论。     

TI介质各向异性速度多参数分析

本文采用横向各向同性（TI）介质弹性参数的Anderson表征方式,利用小偏移距同类反射波或转换波信息重建纵横波速,以中长排列同类反射波或转换反射波信息重建各向异性因子图像,分步进行深度域TI介质中P、SV波多参数各向异性速度分析,以理论模型验证了方法的可行性.最后给出宽角反射PP与SS波折合剖面的速度与各向异性因子解释结果.     

中国及邻区Pn波速度结构成因探讨

在汪素云等利用全国地震台网资料所得结果的基础上, 补充了约5万条区域地震台网Pn波到时数据, 再次反演了中国及邻区Pn波速度横向变化和各向异性变化. 对比分析了研究区的地壳厚度分布、大地热流分布、新生代火山岩分布和高温、高压实验研究结果, 并探讨了中国及邻区Pn波速度结构的成因. 定量分析结果表明, Pn波速度与地壳厚度成正相关变化, 与大地热流成反相关变化. 根据Pn波速度随地壳厚度变化而估计的P波速度vP随压强p的变化率δvP/δp, 与(Matsushima和Akeni)由二辉橄榄岩包体的岩石实验所得结果非常接近. 在扣除了增厚地壳引起的压强增大对Pn波速度的可能影响后, 青藏高原地区的低Pn速度区更加显著. 低Pn速度区与新生代火山岩分布区有较好的一致性. 在几处波速各向异性显著的区域, 快波速方向与地壳最大主压应力方向和现代地壳运动方向一致, 可能与研究区上地幔顶部沿挤压方向的流动变形有关.     

基于异向波速模型的微震定位改进

针对波速分层的区域岩体,在异向波速模型的基础上,对垂向上的应力波按岩体波速值大小作分段区别,推导震源应力波走时关系式,建立分层速度定位目标函数,基于此提出一种由参数准备、层速度反演、微震定位三个模块组成的分层速度定位模型SV,并采用遗传算法进行优化求解.然后,对分层速度定位模型在已构建微震监测系统的白鹤滩水电站左岸岩质边坡进行验证.微震事件重定位结果表明,分层速度定位模型定位微震事件的最大、最小和平均偏离层内错动带程度指标较单一速度模型分别降低了57.17%、36.51%和57.35%,证明了定位模型在波速分层的区域岩体微震定位应用中比单一速度定位模型更加合理可靠.     

正交各向异性介质中qP波入射的二阶近似反射系数与透射系数

地震波在各向异性介质中以一个准P波(qP)和两个准S波(qS1和qS2)的形式传播.研究三种波的相速度、群速度以及偏振方向等传播性质能够为各向异性介质中的正反演问题提供有效支撑.具有比横向各向同性(TI)介质更一般对称性的正交各向异性介质通常需要9个独立参数对其进行描述,这使得对传播特征的计算更为复杂.当两个准S波速度相近时具有耦合性,从而令慢度的计算产生奇异性.因此,奇异点(慢度面的鞍点和交叉点)附近的反射与透射(R/T)系数的求解不稳定,会导致波场振幅不准确.本文首次通过结合耦合S波射线理论和基于迭代的各向异性相速度与偏振矢量的高阶近似解,得到了适用于正交各向异性介质以qP波入射所产生的二阶R/T系数的计算方法.与基于一阶近似的结果相比,基于二阶近似的方法提高了qP波R/T系数的精度,能得到一阶耦合近似无法表达的准确的qP-qS转换波的R/T系数解,且方法适用于较强的各向异性介质.     

黏弹性EDA介质中地震波传播特征弱各向异性近似研究

本文主要研究了黏弹性HTI和EDA介质中地震波的波动参数(包括相速度、慢度、偏振向量和群速度),并基于摄法,推导了P、SV、SH波波动参数的弱各向异性近似公式.文章提出了慢度向量的三种定义形式,分析对比了各种定义方法在求解christo-ffel方程时的具体方法,指出特殊分量法为各向异性黏弹性介质提供了一种研究均匀和非均匀波的更简单、使用更普遍的方法.基于特殊分量法,通过求解christoffel方程,推导出黏弹性HTI介质中均匀、非均匀波的精确相速度、慢度和群速度计算公式,并通过模型计算研究了SH波的相速度特征及其随相角和不均匀参数D的变化规律,结果表明参数D对地震波的相速度大小有一定影响,但对其方位特性无影响,在EDA介质中相速度随方位角变化的规律仍然可指示介质的对称轴方向和裂隙的走向.基于摄动法,以弹性EDA介质为背景介质,通过模型计算对均匀SH波的近似公式的正确性和精度进行验证,结果证明其最大相对误差为1.15%.     

怀来、 延庆及其周边地区地壳 介质各向异性研究

提出了利用人工爆破P波走时反演地壳介质方位各向异性参数的方法. 在假定介质是弱各向异性介质的情况下, 使用扰动理论得到了线性化的反演公式, 其中待反演的弱各向异性参数是P波走时的线性函数. 如果在反演公式中参考走时取相同震中距接收点的P波平均走时, 那么所获得的弱各向异性参数与参考介质速度的选取无关. 反演得到的弱各向异性参数可以看作是不同震中距和不同深度范围内介质的等效弱各向异性参数. 等效弱各向异性参数在一定程度上反映了不同深度范围内水平方向相速度随方位的变化. 这种变化可能是不同时期构造应力作用的结果. 2007年中国地震局在首都圈怀来地区实施了一次大吨位人工爆破实验, 以爆破点为中心, 布设了高密度的地震观测台网和台阵. 台站相对于爆破点具有360°的全方位覆盖, 所得到的地震记录数据为研究怀来、 延庆地区地壳介质P波方位各向异性提供了必要条件. 我们通过走时反演获得了与水平方位相关的弱各向异性参数, 并对弱各向异性参数进行坐标变换, 得到了能够直观描述岩石弱各向异性的具有水平对称轴的横向各向同性介质, 给出了对应的3个独立弱各向异性参数及其对称轴方位, 讨论了介质各向异性与构造应力场的关系. 结果表明该地区地壳介质存在明显的方位各向异性, 其最大值约为4.6%.      

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。      

含偏心点声源的随钻测井声场模拟和地层各向异性反演研究

地层横波波速测量以及各向异性评价是目前随钻声波测井应用及方法研究的难题之一.针对这些问题,本文试图从钻铤上的偏心点声源在各向异性地层中的响应出发,寻求和探讨解决方案.我们基于三维有限差分模拟的随钻测井信号,研究了偏心点声源在水平横向各向同性(HTI)慢速地层井孔中激发声波传播规律,研究结果表明:在HTI地层中偏心点声源能够同时激发出快、慢两种波形,并且此两种波形中主要分别包含快、慢弯曲波,由于与钻铤波的耦合作用,其速度总是分别小于地层快、慢横波波速,所以无法直接用于地层横波波速的测量.但根据进一步的灵敏度分析可知当在3kHz以上时,它们的相速度分别对地层参数水平和垂直剪切模量(c66和c44)最为敏感.基于此特性,本文提出一种基于解析近似解的最小二乘拟合法,能够通过快、慢波频散曲线反演地层横波波速,所测值误差小于3%,并且具有很好的容错率和稳定性;进而由横波速度反演值评价地层各向异性大小.最后,地层快横波偏振方位可以利用垂直于偏心声源方向的偶极采集的信号能量变化曲线来获取.     

Goos-H(a)nchen效应对自由表面全反射SV波校正时差的影响

利用SV地震波(偏振化方向在入射面内的横波)在自由表面反射系数的附加相角导出了SV波Goos-Hanchen效应所引起的横向偏移和横向偏移渡越时间,给出了Goos-Hanchen效应正常时差动校正量,讨论了Goos-Hanchen效应对反射SV波正常时差的影响,绘出了横向偏移、Coos-Hanchen效应正常时差及Goos-Hanchen效应正常时差校正量曲线.曲线表明:反射地震波存在负横向偏移效应,在大多数入射角度范围,横向偏移(横向偏移渡越时间)与波长(周期)为同一个数量级.对掠入射波或入射角在临界角附近的入射波,Goos-Hanchen效应对正常时差有较大的测量误差,对反射P、SV波的传播走时产生了不可忽略的影响,因此在实际的地震资料处理中应进行横向偏移效应误差校正.     

地壳内横波分裂的十年:它意味着什么?能用它做些什么?下一步该怎么办?(之二)

三、何种原因造成横波的分裂?横波分裂,即入射横波分裂成两个偏振与SV 波和 SH 波不平行的震相是沿射线路径有效方位角各向异性的某种形式的特征(Keith& Crampin,1977)。对岩体中的各向异性已提出可能有如下五种来源(Crampin,Chesno-kov & Hipkin 1984b;Crampin 1987a):(1)排列的晶体;(2)直接由应力导致的各向异性;(3)岩性的各向异性(例如排列的纹     

Goos-Hnchen效应对自由表面全反射SV波校正时差的影响

利用SV地震波(偏振化方向在入射面内的横波)在自由表面反射系数的附加相角导出了SV波Goos-Hnchen效应所引起的横向偏移和横向偏移渡越时间,给出了Goos-Hnchen效应正常时差动校正量,讨论了Goos-Hnchen效应对反射SV波正常时差的影响,绘出了横向偏移、Goos-Hnchen效应正常时差及Goos-Hnchen效应正常时差校正量曲线.曲线表明:反射地震波存在负横向偏移效应,在大多数入射角度范围,横向偏移(横向偏移渡越时间)与波长(周期)为同一个数量级.对掠入射波或入射角在临界角附近的入射波,Goos-Hnchen效应对正常时差有较大的测量误差,对反射P、SV波的传播走时产生了不可忽略的影响,因此在实际的地震资料处理中应进行横向偏移效应误差校正.     

正交各向异性介质P波走时分析及Thomsen参数反演

对于包含有垂向裂缝的横向各向同性地层或含有多组正交裂缝的各向同性地层，正交各向异性介质模型是最简单的与实际地层相符的方位各向异性模型.本文对单层水平反射界面正交各向异性模型采用射线追踪法计算了全方位角变化的P波走时，时距曲线表现出强方位各向异性.采用小生境遗传算法，对三条成一定角度的测线的走时信息进行速度和各向异性参数反演.模型算例表明，此方法可以得到高精度的裂缝方位角、P波垂直速度和较高精度的Thomsen各向异性参数.     

场地钻井台阵观测中斜入射P波和SV波的近似剥离方法

通常认为,成层介质中P波和SV波互相转化、耦合交织而不可以解耦得到单独的P和SV波入射场.针对钻井台阵的两处三分量加速度记录,根据反向方位角将两水平分量分解为径向水平分量和横向水平分量,假设横向水平分量由SH波系组成,竖向分量和径向分水平量由P-SV波系组成.本文提出在频域内解联立方程组的方法,并结合遗传算法-单纯形法混合优化策略,对P-SV耦合场包括SH波系进行了联合剥离反演,最终得到了基岩斜入射P、SV和SH波.最后,通过场地条件差别较大的另一附近钻井台站的联合反演结果,初步验证了其合理性.该项研究对于断层特征和震相特性研究、近地表“软”基岩或土层介质参数研究、场地效应的细致评价具有一定意义.     

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．