海底水平层状黏弹介质地震波有限差分正演模拟

地震波在海底地层的传播,有必要考虑到介质对地震波发挥的衰减和频散效应.这些效应通常可以通过品质因子Q来量化.论文讨论了水平层状黏弹介质内平面波的数值模拟,采用了一种计算垂向黏弹性介质里的平面波响应的FDTD有效算法,用来估算存在垂向速度变化模型的平面波传播参数响应值.将视品质因子Q和视速度与实测的数值对比,证实了该算法在黏弹性模拟中的精确性,证明了在10~40 Hz的相关频率范围内,即使是强衰减介质,该算法也能取得良好的计算结果.在此基础上,应用这种算法求解海底水平层状介质模型,得到了海底黏弹介质的一维地震波场响应,取得了理想效果.     

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.     

水平层状介质中多次叠加的某些理论问题

本文讨论了由具有垂向不均匀性的介质层构成的水平层状介质中反射波法的数学模型及其一般特性;研究了多道地震信号的最佳估计以及因之而提出的反射波时距曲线段的拟合问题;分析了水平迭加速度和视t₀时间的特性,并指出射线均方根速度是一种极限的水平叠加速度;阐明了偏移距太小时,多次叠加效果不好的原因,并论证了最佳反射叠加段的存在;用理论计算进行了验证.最后,一般地讨论了介质层的垂向不均匀性的识别和确定.     

由横向均匀介质的VSP资料分析P、SV波的相速度

本文目的在于取得一些地震各向异性的测量方法,资料取自于VSP,它与源一检之问介质的复杂性无关.假定介质横向均匀并具垂向轴对称性,那么接收点的各向异性可借助P、SV波相速度分析以及偏振方向来研究.多源偏移距VSPs,通常能提供不同入射角的直达P和SV波资料.本文中所用的数据对是间隔化的垂直视速度和P、SV波的偏振方向.在垂直面内偏振方向用与垂轴的夹角下给出.垂直视速度可由两个接受点上同一震相的延迟时间计算出来.为了研究p、SV波相速度.两接受点的间隔要小于地震波长.用P、SV波速的精确表达式来解正问题,P、SV波速是4个参数(α、β、η、γ)和偏振角γ的函数,α、β表示p、SV垂向波速,η、γ表示随入射自而改变的相速度变化.对这个模式,上述4个参数都可以借助于最小二乘反演得到. 本方法已被用于处理Pierre Shale数据(Whife等,1983).反演的参数也和Whife等人(1983)得到的结果差不多.由于低于45°入射角时数据可靠(尤其是相速度),参数η(它能解释小角入射时的速度变化)可精确恢复.当入射角高于45°时数据可靠性差,参数γ(它能解释高角入射时的速度变化)恢复起来欠佳.反演参数中由于缺乏数据(仅8个p波源和8个S波源)和数据可靠性差,出现了大的后验人为误差.如果有大量波源位置(步长情况),期望本方法能精确地恢复各向异性参数.     

南海西北部上层海洋对连续台风的近惯性响应

文章基于2011年9～11月南海西沙潜标观测资料,研究了西沙海域上层海洋对连续台风Nesat(1117)和Nalgae(1119)过境的近惯性响应.结果表明:两个台风过境都产生了强烈的近惯性振荡,且台风路径右侧的近惯性流速明显大于左侧. Nesat引起的近惯性内波平均垂向相速度为0.25cm s^-1,垂向群速度为0.85m h-1,垂向波长为350m.Nalgae所引起的近惯性内波垂向相速度和群速度均小于Nesat,垂向波长仅为Nesat的1/2.两个台风引起的近惯性能量下传深度存在明显差异, Nalgae约为200m,而Nesat可下传至300m.产生这一差异的主要原因是Nesat引起的近惯性能量不易耗散,同时能够以较快的速度向深海传播.此外,两个台风引起的近惯性内波频率都存在明显的蓝移现象. Nesat引起的近惯性内波频率在100～150m深度受多普勒频移的影响明显增大;然而Nalgae引起的近惯性内波频率却在100～150m深度显著减小,这是由于两个台风过境期间,西沙海域背景场涡度差异所致.     

自相似型各向异性自组织介质中地震波场动力学响应

地下岩石结构/构造和矿物组成在小尺度上存在的不均匀性和各向异性会导致地震波速度的分形分布，进而衍生出自组织介质模型. 本文针对地球内部岩浆垂向侵入及横向溢流为特征的岩浆作用，开展自相似型各向异性自组织介质的地震波动力学响应研究. 基于二维自组织介质模型和声波方程，本文利用有限差分法模拟了不同强度岩浆侵入和溢流作用形成的自组织介质中地震波场，并进行了波场特征分析. 研究结果表明：（1）在横向溢流作用为主的自组织介质中，横向相关长度小于地震波波长的条件下，聚焦效应随着横向相关长度的增大而增强，地震波能量随之增强；反之，在横向相关长度大于地震波波长的条件下，散射效应随横向相关长度的增大而增强，地震波能量随之减弱. （2）在垂向侵入作用为主的自组织介质中，随着垂向相关长度增大，散射效应增强，地震波的能量也随之迅速减弱. （3）岩浆作用的自组织强度增强，地震波的能量增大，而中心频率无变化. （4）自组织介质具有相同的小尺度扰动，其速度梯度背景越小，地震波能量在炮点附近越集中. （5）当多层自组织介质共存，特征层位的波场特征仍以各自的自组织特性为主，因此利用实际资料中不同层位的地震反射特征可推测地下介质的自组织性质.     

垂向非均匀介质的走时反演

本文提出了一种利用反射波走时曲线计算垂向非均匀介质速度和反射界面深度的方法。当在地球表面没有获得来自地下某一深度范围内介质的任何信息时,可以认为这一深度范围内的地震波速度具有连续性。利用来自其底部反射界面的反射波走时曲线,可以计算出该深度范围的地震波速度结构。对三种模型进行了理论计算,所得反演解与真实值较为一致,其中计算出的反射界面深度最为精确。利用本文提出的方法可以计算两个相邻反射面之间的垂向非均匀速度结构,如低速层等。     

青藏高原东缘中下地壳流与地壳变形

地壳缩短导致青藏隆升造山是普遍的认识.然而,在青藏东部,越来越多的观测数据和研究支持了中下地壳流与隆升造山的关系.目前,地壳缩短造山机制和中下地壳流造山机制仍然处于争论之中.本文建立了二维黏弹塑性有限元模型,模拟了龙门山断层带的多个地震循环的应变与变形,探讨了无与有中下地壳流情况下,地壳地表的位移、速度与变形的分布和演化;以及有中下地壳流情况下,不同流动范围、速度与黏度对模型结果的影响;并结合地形变观测数据的约束,推测了青藏东缘中下地壳流的流动状态.模拟结果显示,通过对比有和无中下地壳流的模拟结果,发现青藏东部震间的地表垂向速度在变形样式及数值上存在较大差异,即存在地壳流的地表垂向抬升速率显著大于无地壳流;震间在龙门山断层西侧附近产生的垂向凸状隆起随中下地壳流的速度、黏度及通道长度的变化而变化.此外,本文研究结果对青藏其他地区可能存在的地壳流的研究也具有一定的参考意义.     

横向变化介质的导波衰减

在研究叠加在层状介质上的二维随机非均匀性时,已经应用了波导中的振型耦合方法,这种方法要求介质是缓变的(<±2%),通过对大量的统计上相似的模型做平均,可以得出振型能量传输的耦合方程.振型间的耦合程度与地壳和地幔的非均匀性的水平相关函数以及速度垂向交化和振型本征函数的综合效应有关.对一特定约随机模型,单一振型的衰减是距离的函数,可通过将本征衰减和因散射转变为其它振型所损失的能!益加来计算,这种衰减的统计估计可与对一区城中沿许多路径传播的区域震相所作的观测相比较,对Lg和‘震相,振型间的散射能t可达视能t损失的30%.     

汶川MS8.0地震前后南北地震带北段GPS垂向形变特征

2008年汶川M_S8.0地震对南北地震带北段垂向变形产生了影响,对1999—2016年多期GPS观测数据进行精密解算,采用多面函数方法分别对研究区垂向运动进行周年运动剔除和空间滤波,获取了汶川地震前后垂向形变特征。结果表明:(1)以巴颜喀拉块体与华南块体交界带西侧为界,其西部自东向西呈指数函数衰减;东部自西向东呈对数函数形式衰减,且东部衰减程度大于西部,两块体交界南北段垂向形变特征存在差异性,北段隆升速度和变化梯度均弱于南段;(2)地震前后南北地震带北段垂向形变特征具有明显差异性,相对震前,震后大部分区域隆升速度加快,平均约为2 mm/a,局部区域加快程度较大,最大值达7 mm/a;(3)垂向速度的差异性变化对地壳的垂向应变积累具有影响,最大正影响区域为巴颜喀拉块体与华南块体交界及其西侧区域,增大了约10×10~(-8)/a,约为震前的2倍,最大负影响区域为川滇块体北部局部区域,减小了约7×10~(-8)/a。建议对巴颜喀拉块体与华南块体交界及其西侧区域和川滇块体北部局部区域强化跟踪分析。     

印度-欧亚碰撞带的动力学

根据大地测量学、地质学、地形学和地震数据,对亚洲地区(平均深度约100 km)垂向平均偏应力场进行了简单的新的动力学计算。通过解岩石层内与重力势能差有关的偏应力平衡方程和应力边界条件产生的一阶偏应力,我们可以初步得到对垂向平均偏应力的最小绝对强度和方向的估计。这种垂向平均偏应力场的初始估计与关于岩石层流变性的假设无关。其绝对值从5 MPa 变到40 MPa。假设岩石层有明显的粘滞性,与该区域其他较硬地方约1～2.5×10~(23) Pa s 的粘滞系数相比,由偏应力强度、GPS 和第四纪断层滑动速率得到的应变率,导出了西藏垂向平均粘滞系数为0.5～5×10~(22) Pa s。利用速度边界条件解力平衡方程的正向模拟,我们能改进对垂向平均有效粘滞系数分布和偏应力场的估计。总的垂向平均偏应力和有效粘滞系数场与西藏较软弱的下地壳是一致的,它们也与西藏和华南岩石层相对欧亚的东向运动一致,它们确证了重力势能差对青藏高原周围应变率的空间变化方式和强度有极深刻的影响。我们的垂向平均偏应力的结果表明,较强的岩石层部分位于孕震的上地壳内,其偏应力强度高达100～300 MPa(与实验室和理论摩擦试验一致,显示出地震的应力降是总偏应力的小部分)。     

基于数值模拟与含水层垂向应力反演的静乐井水位异常分析

利用数值模拟与含水层垂向应力反演的方法,对降雨与河流荷载作用下静乐井区应力进行定量计算,并从区域应力场与同一构造区其他前兆测项变化特征对2种方法计算结果进行分析。数值模拟结果显示,降雨与河流荷载的共同作用使静乐井所在区域产生的最大垂向位移约为0.7mm,最大垂向应力约为30hPa;同时段静乐井-含水层垂向应力反演结果显示静乐井-含水层最大垂向应力约为79hPa;数值模拟与静乐井-含水层垂向应力反演结果均表明,静乐井水位高值异常与同时段降雨量增多、河流荷载效应增强关系密切,但2种结果存在一定差异。通过可反映井区应力场变化特征的山西地震带3级地震缺震和b值、穿过静乐井的GPS基线、地震矩释放、同一构造单元同时段其他前兆测项与静乐井水位高值异常对比等分析结果可知,2017年静乐井水位高值异常期间井区应力场存在显著异常,推测静乐井水位高值异常除受降雨与河流荷载作用的影响外,也可能受构造活动增强的影响。     

二维频率空间域粘声波正演模拟研究

地球介质本身的非弹性导致大地吸收效应,黏滞性影响波场的所有频率成分且对高频成分的影响更大,从而降低了地震记录和地震成像的垂向分辨率.通常使用经验公式描述吸收衰减.在时间域模拟吸收衰减需大量的计算机内存、计算效率较低,模拟Q值非常困难;而频率空间域可以通过引入复速度和Q值,使用任意的经验公式而进行粘滞介质的数值模拟.本文...     

一维垂直各向异性介质频率域海洋可控源电磁资料反演方法

本文提出了一维垂直各向异性(VTI)介质倾斜偶极源频率域海洋可控源电磁(CSEM)资料高斯-牛顿反演方法.在电阻率各向异性介质水平偶极源和垂直偶极源海洋CSEM正演算法的基础上,利用欧拉旋转方法,实现了各向异性介质倾斜偶极源海洋CSEM正演算法.海洋可控源电磁场关于地下介质横向电阻率(ρ_h)和垂向电阻率(ρ_v)的偏导数(即灵敏度矩阵)是解析计算的,结合垂直各向异性介质横向电阻率与垂向电阻率的关系,将各向异性率融入到正则化因子选择中,实现了正则化因子的自适应选择.理论模型合成数据和实测资料反演算例表明,我们提出的反演方法能够较准确的重构海底围岩和基岩的各向异性电阻率以及高阻薄层的埋藏深度、厚度和垂向电阻率.     

地中海直布罗陀海峡附近内孤立波的地球物理特征

本文主要利用地震海洋学方法研究地中海直布罗陀海峡附近内孤立波的结构特征,此处内孤立波为第一模态下沉型,为中幅度和大幅度内孤立波,垂向振幅最大可达74.5m,振幅随深度增加呈增大趋势,传播速度随振幅增大而增大,可以确定“真”最大振幅位置位于密跃层附近.由于类多普勒效应和孤立波与测量船之间存在夹角的原因,从地震剖面上得到的为视半高宽参数,需要进行校正后才能得到比较真实的半高宽参数,校正后半高宽最高可达到1721.8m,但是校正后的半高宽与理论结果有些差距,这可能与内孤立波的发育稳定程度有关.随着内孤立波包不断向东运动,整体波宽变大,垂向速度变小.本文将地震海洋学方法拓展应用于地中海区域内孤立波分析,进一步证明了利用地震海洋学方法研究海水运动的可行性.     

逆时偏移在声反射成像测井中的应用方法研究

声反射成像测井中常用的基于射线理论的Kirchhoff积分偏移算法和基于单程波理论的F-K偏移算法均可实现井旁缝洞反射体的快速偏移成像,但其仅适用于地层垂向变化较弱的速度场和高陡角裂缝的偏移成像,无法实现低角度反射体的准确偏移归位,产生偏移假象误导测井解释.逆时偏移基于全波动方程,可适应强垂向变化速度场,实现近似水平反射体的偏移成像.本文详细分析了将逆时偏移应用于声反射成像测井时存在的数据准备、时间采样间隔匹配和成像条件改进等若干问题,通过设置多组理论模型来说明算法对井旁不同反射体的识别能力.模拟资料和实际资料处理结果证实,较F-K偏移算法,逆时偏移算法成像精度更高、收敛性更好,可有效实现近似水平构造偏移归位.改进的归一化互相关成像条件可解决深部地层的远井壁成像衰减问题,降低测井解释的多解性.逆时偏移将成为声反射成像测井高精度偏移技术的发展方向.     

孔、裂隙介质声学理论及其在油气识别应用中的新进展

近年来发展的孔隙、裂隙介质弹性波动理论是孔隙介质声学的重要进展,提高了声学参数对岩石流体识别的灵敏度.岩石中裂隙的存在增大了岩石速度的频散程度.目前发展的孔、裂隙弹性波理论可较好地模拟实验室观测到的岩石频散和衰减特征.将此理论应用于非常规油气储层的油气识别可大大提高解释的可靠性.本文综述了孔隙介质声学及孔裂隙理论的研究现状,阐述了孔、裂隙介质弹性波的传播机理;通过模拟实验室超声测量的岩石声速验证了孔、裂隙弹性波理论的可靠性.将此理论应用于测井实际数据,反演得到了地层的流体性质,反演结果显示明显提高了识别流体性质的可靠性.     

黏弹性EDA介质中地震波的衰减特性研究

本文首先由Christoffel方程推导出黏弹性EDA介质中均匀、 非均匀P波、 SV波和SH波的相速度表达式, 然后参照极端各向异性介质的相关计算方法, 推导出EDA介质中均匀、 非均匀地震波相衰减系数和群衰减系数的表达式, 并通过数值计算分析了相速度、 相衰减系数、 群衰减系数与裂隙方位的关系. 结果表明: 均匀介质中SH波的相速度和相衰减系数均可指示裂隙的走向; 非均匀介质中SH波相衰减系数随非均匀角的增大而增大, 且其对称轴与介质对称轴的夹角也相应增加; 由于地震波振幅的衰减随岩石物理性质的变化比地震波速度的变化更为灵敏, 而且携带了更多的岩石物理性质信息, 因此可用来探明裂隙走向、 密度及含水特性, 进而应用于预测、 预防地下工程地质灾害事故.      

地球主磁场电磁转矩导致的地球差异旋转

为探索驱动地球系统差异旋转的力源,选择整个地球作为研究对象,应用经典电磁学理论,分析地球固体介质中的电荷在地球主磁场中的运动特点,发现存在一个与地球自转方向相反的切向洛伦兹力.通过电荷与介质间的相互作用,切向洛伦兹力传递至介质迫使介质西漂.为探索地球差异旋转的规律,建立了地球薄圆筒圈层模型.应用经典物理学理论和方法推导出了地球主磁场电磁转矩及其产生的角加速度公式.研究得到四点主要结论:1)作用于半径不同的地球薄圆筒圈层的地球主磁场电磁转矩及其产生的角加速度绝对值不同:地轴及赤道附近圈层的小,其自转相对较快;半径等于3～(1/2)倍地球半径的薄圆筒圈层及其相邻圈层的大,其自转相对较慢.2)同一薄圆筒圈层中的差异旋转缘于介质的介电常数、阻力系数及质量密度的差异.3)地球差异旋转缘于地球的自转、正负电荷的非对等分布及介质的介电常数、阻力系数、质量密度的差异.4)地球差异旋转导致地壳运动,孕育地震,地球主磁场是地球差异旋转和地震孕育的敏感因子.     

太湖梅梁湾沉积物中氮铁硫转化细菌的毫米级垂向分布及对氮磷迁移转化的潜在影响

本研究在太湖梅梁湾采集沉积柱,采用一种自制的毫米级柱状沉积物自动垂向分层切割装置对表层50 mm沉积物进行垂向切割(间隔2 mm),结合高通量测序技术分析沉积物中细菌群落的毫米级垂向分布;同时采用毫米级高分辨透析技术和薄膜扩散梯度技术(DGT)分析溶解态和DGT可获取态铵态氮(NH₄⁺-N)、硝态氮(NO₃^--N)、Fe、P的垂向分布特征。结果显示,沉积物中细菌群落与溶解态和DGT可获取态氮铁磷浓度在垂向上呈现显著的异质性。细菌硝酸盐还原主要发生在-16～0 mm沉积物深度,这可能导致了溶解态和DGT可获取态NO₃^--N含量在该沉积物深度的明显减少。细菌铁还原主要分布在-32～-18 mm沉积物深度,细菌硫酸盐还原主要分布在-50～-34 mm的沉积物深度;细菌硫酸盐还原是导致沉积物溶解态和DGT可获取态铁磷浓度从-32 mm随沉积物的深度增加而显著增加的主要原因。本研究加深了对富营养化湖泊沉积物中细菌影响氮磷在垂向上迁移转化的认识。