基于分数阶时间导数的黏弹性衰减VTI介质中平面波传播

目前在地震勘探频带范围内通常假设品质因子Q与频率无关,且呈衰减各向同性.事实上,相比较速度各向异性,介质的衰减各向异性同样不可忽视.本文将衰减各向异性和速度各向异性二者与常Q模型相结合,建立了黏弹性衰减VTI介质模型,并基于分数阶时间导数理论,给出了对应的本构关系和波动方程.利用均匀平面波分析和Poynting定理,推导出准压缩波qP、准剪切波qSV和纯剪切波SH的复速度、相速度、能量速度以及品质因子的解析表达式.对模型的正确性进行了数值验证,并分析了qP,qSV和SH波在介质中的传播特性.数值试验结果表明:本模型能够实现理想的恒定Q行为,表现了品质因子和速度的各向异性特征,显示出黏弹性增强将导致能量速度和相速度的频散曲线变化剧烈;速度和衰减各向异性参数与传播角度之间的耦合效应对qP,qSV和SH波的速度和能量影响明显;qP,qSV和SH波的频散曲线和波前面随着衰减各向异性强度的改变发生显著变化,其中耦合在一起的qP和qSV波变化趋势相同,而SH波与它们呈现相反的变化规律.本研究为从常Q模型角度分析地震波在衰减各向异性黏弹性介质中的传播特征奠定了理论基础.     

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.     

TTI介质弹性波近似解耦波动方程

借助Christoffel方程可求解出各向异性介质弹性波精确频散关系.利用近似方法进行处理,再通过傅里叶逆变换将频率波数域算子变换为时空域算子,可导出解耦的 qP波或 qS波波动方程.本文在 TTI介质弹性波精确频散关系的基础上,利用近似配方法推导了 qP波和 qSV波近似频散关系,通过傅里叶逆变换推导了 TTI介质 qP波和 qSV波解耦的波动方程.为了验证近似频散关系的有效性,利用两组模型参数对其进行数值计算,分析了相对误差在不同传播方向上的分布.随后使用有限差分方法分别对均匀、层状及复杂 TTI介质弹性波近似解耦波动方程进行数值模拟,结果显示 qP波和 qSV波完全解耦,并且在各向异性参数η＜0 以及介质对称轴倾角变化较大的情况下,纯 qP波和纯 qSV波近似波动方程依然可以保持稳定.     

黏弹性VTI介质中敏感度核函数：地震波复走时关于弹性模量及Q值偏导数的计算

实际地层中地震波传播普遍存在速度和衰减各向异性现象,研究黏弹各向异性介质中高频地震波传播理论有助于揭示地震波的传播特征.本文针对黏弹性VTI介质,从Christoffel矩阵的解析特征值出发推导出qP、qSV和qSH波的复相速度和复射线速度的解析表达式,并应用实射线追踪方法确定出均匀复射线速度矢量,由此计算出实射线速度和实射线衰减以及实射线品质因子.基于非均匀复相速度和均匀复射线速度的解析表达式,推导了实射线慢度和实射线衰减关于黏弹性模量(包括弹性模量和Q值)的敏感度核函数,该敏感度核函数反映各个黏弹性模量对地震波复走时的影响程度.不同岩石样本的数值计算结果显示,实走时对弹性模量更为敏感,而射线衰减(虚走时)对弹性模量和Q值的敏感程度相当.本研究可为黏弹性VTI介质中地震射线追踪和复走时层析成像提供理论基础.     

二维复杂黏弹性各向异性介质中的地震射线追踪

实际地层中传播的地震波普遍存在速度各向异性和能量衰减现象,因此基于弹性介质假设条件下的地震射线正反演算法具有一定的局限性,而研究黏弹性各向异性介质中的地震波传播规律可为揭示地下结构提供更加可靠的理论依据.射线追踪技术是揭示高频地震波传播特性的有效手段之一,然而绝大多数研究仅限于弹性介质.针对黏弹性各向异性介质,本文首先给出了一种射线速度和振幅衰减的计算方法,然后结合改进型最短路径算法,在实空间内实现了计算复杂介质模型中地震波(qP,qSV,qSH)的射线路径和传播走时以及能量衰减(虚走时).该算法适用于复杂黏弹性各向异性介质.误差分析结果显示,实走时的最大相对误差小于0.13％,虚走时的最大相对误差小于0.55％,表明该算法具有较高的计算精度.     

任意空间取向TI介质qP和qSV波解耦的波动方程

由于构造运动等作用,TI介质对称轴往往沿空间任意方向分布,具有任意空间取向对称轴的TI（ATI）介质更符合实际地质情况.VTI介质与ATI介质的相速度在形式上具有一致性,VTI介质中地震波的相角对应ATI介质对称轴与地震波传播方向的夹角.本文基于Tsvankin的VTI介质精确相速度公式,利用TI介质对称轴和地震波传播方向上单位向量的数量积和向量积来计算ATI介质的精确相速度.根据弱各向异性假设,导出qP波和qSV波的近似相速度,分析了近似公式的误差,讨论总结了ATI介质qP波和qSV波的相速度特征.本文中的单位向量采用观测坐标系表示,通过相角关系,可以较为方便地由ATI介质近似相速度导出频散关系,然后借助傅里叶逆变换推导出时间-波数域qP波和qSV波解耦的波动方程.数值算例表明本文的波动方程是qP波和qSV波解耦的,波场计算结果稳定,未出现明显的数值频散,验证了本文方法的有效性.     

井孔压力与地层应力集中诱导的偶极弯曲波的分裂

利用在大形变基础上叠加小扰动的非线性波动理论——声弹性理论，数值考察了井外均匀各向同性固体介质同时受井孔静压力和井外单轴水平压力作用时，Stoneley波和两种偏振的偶极弯曲波的相速度频散曲线，并研究了计算中用到的灵敏系数随频率的变化. 数值结果表明，模式波相速度频散曲线的变化主要受灵敏系数中对应的3个三阶弹性常数的项控制；由井孔周围应力集中引起的沿单轴压力方向和垂直于该方向偏振的弯曲波发生分裂，同时随频率的增大，两条频散曲线产生交叉；井孔静压力的作用使两条频散曲线交叉点的位置发生变化，交叉点相速度值随井孔压力的增加而增大，但对应的频率值不变.     

黏弹各向异性介质中波的反射与透射问题分析

黏弹各向异性介质中传播不均匀波，其反射、透射模式不仅与介质分界面两侧速度对比有关，还与品质因子Q的对比有关. 用伪谱技术模拟黏弹各向异性介质分界面上波的反射、透射，并与弹性各向异性介质、黏弹各向同性介质和弹性各向同性介质的模拟结果做比较. 计算平面波的反射、透射系数，分析介质的黏弹性和各向异性对反射、透射系数的影响. 数值模拟了一个三层介质模型中的波场，分析两个分界面上产生的反射波的特征. 黏弹各向异性介质中，qS波比qP波衰减程度大.     

油水两相渗流多孔介质弹性波传播动力学模型研究

弹性波在储层渗流场中的传播与衰减规律是研究波场强化采油动力学机理的重要基础.基于等效流体理论和饱和静态流体弹性波传播Biot理论,建立油水两非混相流体渗流条件下储层多孔介质中弹性波传播的动力学模型,通过算例求解与分析,发现含油水两相渗流储层多孔介质中同时存在着3种纵波P1、P2、P3和1种横波S;受频率和含水饱和度的影响,各波波速和品质因子呈现出不同变化规律,4种体波波速与频率、饱和度正相关,P1、P2波品质因子与饱和度正相关,P3和S波品质因子与饱和度负相关;最后,通过与传统静态弹性波模型结果对比,进一步分析了宏观渗流场对弹性波传播特征的影响规律,为揭示低频人工地震波辅助强化采油技术的动力学机理和工艺参数优化提供了重要理论依据.     

弹性波在横向各向同性弹性土和饱和土界面上的反射与透射.

根据横向各向同性饱和土体的Biot波动方程,推导出qP1波从饱和土入射到弹性介质的反射系数和透射系数的一般算式,数值分析了各向异性,边界透水条件对反射系数和透射系数的影响．本文的推导思路,适用于qSV波、qP2波从饱和土体入射到弹性土体的情形．      

ANISOTROPIC Q AND VELOCITY DISPERSION OF FINELY LAYERED MEDIA1

When a seismic signal propagates through a finely layered medium, there is anisotropy if the wavelengths are long enough compared to the layer thicknesses. It is well known that in this situation, the medium is equivalent to a transversely isotropic material. In addition to anisotropy, the layers may show intrinsic anelastic behaviour. Under these circumstances, the layered medium exhibits Q anisotropy and anisotropic velocity dispersion. The present work investigates the anelastic effect in the long-wavelength approximation. Backus's theory and the standard linear solid rheology are used as models to obtain the directional properties of anelasticity corresponding to the quasi-compressional mode qP, the quasi-shear mode qSV, and the pure shear mode SH, respectively. The medium is described by a complex and frequency-dependent stiffness matrix. The complex and phase velocities for homogeneous viscoelastic waves are calculated from the Christoffel equation, while the wave-fronts (energy velocities) and quality factor surfaces are obtained from energy considerations by invoking Poynting's theorem. We consider two-constituent stationary layered media, and study the wave characteristics for different material compositions and proportions. Analyses on sequences of sandstone-limestone and shale-limestone with different degrees of anisotropy indicate that the quality factors of the shear modes are more anisotropic than the corresponding phase velocities, cusps of the qSV mode are more pronounced for low frequencies and midrange proportions, and in general, attenuation is higher in the direction perpendicular to layering or close to it, provided that the material with lower velocity is the more dissipative. A numerical simulation experiment verifies the attenuation properties of finely layered media through comparison of elastic and anelastic snapshots.     

小波尺度域含气储层地震波衰减特征

黏弹性衰减因子Q的可靠估计可通过Q反褶积来提高地震资料的分辨率并有助于振幅分析. 本文从小波理论出发,结合地震波在黏弹性介质中的传播方程,推导出小波尺度域地震波能量衰减公式. 能量衰减公式具有下列性质：（1）Q值越大,能量衰减得越慢;Q值越小,能量衰减越严重;（2）尺度越小,信号中保留的能量越少;（3）对于脉冲源来说在理想的无衰减介质(即Q趋近于∞)中传播时,信号在不同尺度内的能量相同. 利用尺度能量公式,可从反射地震资料中直接估计品质因子Q（即衰减因子）,也可以提取不同尺度的能量衰减剖面作为储层描述的属性参数,用来进行岩性识别和指示气藏,与经典的谱比法相比,避免了谱比法所面临的双时窗问题以及进行谱估计的窗选择问题. 理论模型试验表明了本文方法的正确性和有效性.     

Q value of anelastic S-wave attenuation in Yunnan region

The study of seismic attenuation property is a major subject in seismology. Seismic waves recorded by seismic stations （seismographs） contain source effect, seismic wave propagation effect, site response of seismic stations and instrumental response. The path effect of seismic wave propagation, site response of seismic stations and instrumental response must be taken out in the study of source property with seismic data. The path effect of seismic wave propagation （seismic attenuation） involves an important influential factor, the anelastic attenuation of medium, which is measured with quality factor Q, apart from geometric attenuation with the distance. As a basic physical parameter of the Earth medium, Q value is essential for quantitative study of earthquakes and source property （e.g. determination of source parameters）, which is widely used in earthquake source physics and engineering seismology.     

基于褶积原理和改进广义S变换的震动波衰减补偿试验研究

为了恢复震动波能量在传播过程中产生的衰减损耗,提出基于褶积原理求取品质因子Q的方法与改进广义S变换相结合的反Q滤波法。通过震动波衰减补偿模型试验,对试验数据进行改进广义S变换的时频特性分析,得出了信号的能量分布情况以及时间频率对应关系;采用基于褶积原理求取品质因子的方法,得到时变Q值;对试验数据进行反Q滤波处理,使震动波能量得到了补偿。结果表明本文提出的反Q滤波法提高了对震动波能量衰减补偿的效果,拓宽了地震资料的频带,提高了地震资料分辨率,有利于进行高分辨率地震勘探、深部信号增强和油气藏预测工作的开展。     

风的垂直切变对滞弹性大气中静力适应过程的影响

本文基于描写滞弹性大气静力适应过程的线性方程组,从波动频散关系、气团运动规律和能量转换的角度出发,研究了水平基流及其垂直切变对该模式大气静力适应过程的影响.构造四种水平基流垂直分布模型进行比较,分别为常数型、线性切变型、反气旋切变型和气旋切变型,得到结论：（1）具有重力波性质的波动是滞弹性大气静力适应过程中扰动能量传播的方式,当垂直折射指数大于零时,基本气流及其垂直切变的存在,不仅改变了波动频率的大小,而且改变波动传播的方向;（2）在静力适应过程中气块的运动轨迹呈椭圆形,水平基流及其垂直切变影响椭圆的扁率,同时也影响扰动物理量之间的偏振关系;（3）水平基流的垂直切变是扰动能量和水平基流能量发生转换的媒介,当存在垂直向上的动量输送时,正的垂直风切变对应扰动能量的衰减,水平基流能量的增加,负的垂直风切变对应扰动能量的增加,水平基流能量的衰减;（4）不同的风的垂直切变模型,对静力适应过程的影响不同;对于水平基流呈反气旋切变型和气旋切变型,扰动发展的波动垂直结构为,急流轴上方波动等相位线自下而上向西倾斜,急流轴下方波动等相位线自下而上向东倾斜,反之亦然.     

基于分数阶拉普拉斯算子解耦的黏声介质地震正演模拟与逆时偏移

时间域常Q黏声波方程,由于含分数阶时间导数项,数值求解需要大量内存,计算效率低,不利于地震偏移的实施.通过一系列近似,可将该方程简化为介质频散效应和衰减效应解耦的分数阶拉普拉斯算子黏声波方程,数值求解内存需求少,计算效率高.本文采用交错网格有限差分逼近时间导数,改进的伪谱法计算空间导数,PML吸收边界去除边界反射,对该方程进行数值离散和地震正演模拟,开展地震数据的黏声介质逆时偏移,实现波场逆时延拓过程中同时完成频散校正和衰减补偿.改善深层构造的成像精度,数值结果表明,基于分数阶拉普拉斯算子解耦的黏声介质地震正演模拟与逆时偏移可大幅度提高地震模拟计算效率,偏移剖面明显优于常规声波偏移剖面,极大改善深层构造的成像品质.     

Coda wave analysis for distinguishing attenuation due to isotropic scattering from attenuation due to absorption

When the quality factorQ is taken into account in attenuation studies, it is necessary to know the relative losses of wave energy due to scattering and to anelastic absorption. The coda is the most important phenomenon now known which is related to elastic scattering of seismic waves. Utilizing coda, this study presents relationships which give theQ factors of the medium around the recording station and discriminate between attenuations arising from elastic scattering (under the assumption of isotropic scattering) and those arising from anelastic absorption. This work proposes a technique for separately determining the attenuation due to isotropic scattering and that due to absorption from the observed envelope of coda waves.     

双相横向各向同性介质分界面上弹性波反射与透射问题研究

从双相横向各向同性介质弹性波波动方程出发 ,利用边界上的 4个连续性条件 ,计算双相横向各向同性介质分界面上弹性波反射和透射系数 .计算表明 ,快纵波在双相横向各向同性介质分界面上 ,要产生反射快纵波、反射转换 qSV波、反射转换慢纵波和透射快纵波、透射转换qSV波、透射转换慢纵波 .反射转换慢纵波振幅和透射转换慢纵波振幅均较小 .频率、耗散和各向异性大小影响着快纵波反射系数的大小 .