粘弹性饱水岩层中地震波的传播

从工程实践出发,采用粘弹性两相介质模型,详细研究了地震波在饱水岩层中的传播问题．由于此模型不但考虑了岩层骨架的粘性,而且考虑了地下水对地震波传播的影响,从而可以全面地了解地震波在岩层中的传播特性．该模型比以往研究地震波的模型更具合理性．文中的数值算例对频率、含水量及粘性常数对地震波的波速和衰减的影响进行了细致的分析,并得出了一些重要的结论．     

粘弹性饱水岩层中地震波的传播

从工程实践出发,采用粘弹性两相介质模型,详细研究了地震波在饱水岩层中的传播问题．由于此模型不但考虑了岩层骨架的粘性,而且考虑了地下水对地震波传播的影响,从而可以全面地了解地震波在岩层中的传播特性．该模型比以往研究地震波的模型更具合理性．文中的数值算例对频率、含水量及粘性常数对地震波的波速和衰减的影响进行了细致的分析,并得出了一些重要的结论．      

三轴加载含水煤样波速与孔隙率关系实验研究

煤的孔隙率影响煤的吸附、渗透能力,且它也是衡量煤体内部结构及孔、裂隙发育状况的重要指标.而水力增透技术在瓦斯抽采中的作用效果常常受到水的影响,且瓦斯抽采量也会受到含水煤层的影响,为更客观地了解含水煤层状态下的孔隙率的变化情况,采用超声波透射法对赵固二矿二1煤层不同层理方向煤样在干燥及自然饱和吸水状态下进行三轴加载超声波测试试验,研究干燥及自然饱和水三轴加载状态下煤样超声波波速与孔隙率关系.研究结果表明:相同条件下,加载煤样饱和煤样波速大于干燥煤样,且加载煤样饱和状态下不同层理方向波速变化易区别.而加载煤样饱和煤样与干燥煤样孔隙率变化与波速变化相反,加载煤样饱和状态下不同层理方向孔隙率变化不易区别;通过分析加载条件下饱和煤样与干燥煤样波速与孔隙率关系,发现无论是干燥煤样还是饱和煤样在加载条件下都符合对数关系φ=-aIn(Vp)+b且a值与围压有关,b值与孔隙率变化量有关.通过研究含水煤样在不同加载条件下对煤体波速和孔隙率的影响以及波速和孔隙率之间的关系,为煤炭物性勘探技术提供有效试验数据与理论基础,也为煤炭物性预防安全开采提供理论基础.     

强地面运动中后继波特征的数值模拟

本文用错格实数似谱法数值模拟分析了在盆地中地震波传播时空变化,及后继地震波的视速度及频率等动力学特征的的空间变化.结果表明来自岩层的波动折射入盆地后,可形成次生面波及多重反射波.地震波能量容易由高速度岩层介质传入低速的沉积土层中,相辅地,地震波能量却极难由低速的沉积土层传入高速度岩层介质中.这对地震勘探研究是有意义的见解.多重反射波在盆地中多次上下震荡,对地面建筑物造成连续多次破坏.不同波之间的干涉及盆地底部拐角的聚焦作用都可能增幅地面运动.峰值地面运动远离震中,这意味着非均匀地质构造对地面运动的影响有时大于距离的影响.视速度可能随多重反射次数的增加而变小,也随盆地底部形状而变化.多重反射波的后继震相可能发生频散.多震相的不同频率的峰值地面运动可能对地面建筑物造成延时性多次破坏.不同频率的后继转换波拓宽了入射地震波的频带,可能对具有相应不同固有周期的建筑物造成严重的破坏.反射波的频率变化特征对于地震勘探中识别和消除多次反射干扰也具有重要意义.     

三轴加载含水煤样波速与孔隙率关系实验研究

煤的孔隙率影响煤的吸附、渗透能力,且它也是衡量煤体内部结构及孔、裂隙发育状况的重要指标.而水力增透技术在瓦斯抽采中的作用效果常常受到水的影响,且瓦斯抽采量也会受到含水煤层的影响,为更客观地了解含水煤层状态下的孔隙率的变化情况,采用超声波透射法对赵固二矿二1煤层不同层理方向煤样在干燥及自然饱和吸水状态下进行三轴加载超声波测试试验,研究干燥及自然饱和水三轴加载状态下煤样超声波波速与孔隙率关系.研究结果表明:相同条件下,加载煤样饱和煤样波速大于干燥煤样,且加载煤样饱和状态下不同层理方向波速变化易区别.而加载煤样饱和煤样与干燥煤样孔隙率变化与波速变化相反,加载煤样饱和状态下不同层理方向孔隙率变化不易区别;通过分析加载条件下饱和煤样与干燥煤样波速与孔隙率关系,发现无论是干燥煤样还是饱和煤样在加载条件下都符合对数关系φ=-aIn(Vp)+b且a值与围压有关,b值与孔隙率变化量有关.通过研究含水煤样在不同加载条件下对煤体波速和孔隙率的影响以及波速和孔隙率之间的关系,为煤炭物性勘探技术提供有效试验数据与理论基础,也为煤炭物性预防安全开采提供理论基础.     

地下爆炸地震耦合效应的静态分析

首先修正了地下爆炸地震耦合效应的准静态理论,然后利用改进之后的理论对剪切模量、材料强度、围压以及孔隙率不同的介质中地下爆炸的震源强度进行了分析.分析结果表明,对于密实硬岩介质来说,在其它条件不变的情况下,介质的剪切模量越大,震源强度越低;介质的强度越大,震源强度越低;震源强度随着埋深的增加而降低.而干燥多孔介质中的干孔隙率也对震源强度有重要影响.     

声波测井时裸眼井中弹性波的传播

本文分析了简化模型下声波测井时裸眼井（内充流体一般是泥浆）中弹性波的传播,此波场可看成是轴向传播有不同波矢的分波的叠加。分析表明,对于井外只有单一均匀岩层且无限深的井,仅对如（18）式所示的特征频率成分才存在具有轴向传播最大相速度v_zm=c₂的所谓“首波”;而v_x > c₂及c₂ > v_z>b₂的分波却不存在,此处c₂和b₂分别是井外岩层的纵波和横波速度。这正解释了文献[3]中所报道的裸眼井的“过滤效应”。分析还表明,对于井外具有多层岩层的井,只在一定条件下才存在与上述特性相近的“首波”。本文结果对声速测井显然是重要的。     

震后地下岩层分形渗透率的时间演化规律研究

天然地震发生后,地震波及区域内的地下岩层渗透率常常会发生显著改变,其变化曲线显示出独有的特征,造成这一现象的机理较为复杂,传统渗流理论尚不能给出合理解释.针对这一问题,从震后渗透率变化规律入手,深入分析了地下岩层裂缝体系对渗透率的影响,给出了裂缝结构参数与渗透率之间的定量关系.结合岩层黏弹特性以及天然地震所产生的地下岩层体应变特征,基于裂缝体系分维度正比于外部应力的实验事实,将黏弹体应力松弛机制引入该体系,对裂缝分形渗透率模型进行了含时推广,建立起震后地下岩层渗透率的时间演化模型,理论预测曲线与实验曲线吻合较好.在此基础上提出‘分形裂缝渗透率松弛效应’这一全新概念.本研究为震控流体运移研究提供了新思路,对于揭示震后断层恢复机制,探讨断层活动与孕震的关联有一定的理论价值和现实意义.     

山东济阳坳陷岩层空隙比与应力传递速度的相关性研究

统计了不同深度测层的群井降水附加应力从开始传递到水位响应的间隔时段，在此基础上建立了应力在地层中传递深度－时间相关模式，进行了有关参数反演，并结合相关地质、气象等资料，提出了岩层空隙比－应力传递速度的相关模型。该模型说明了应力传递速度与岩层结构、构造的内在联系，为不同类型应力在不同空隙比岩层中的单层传播速度、组合层段传播所需时间计算提供了简单、有效的方法，也为识别降水引起的附加应力对深井水位动态的干扰提供了依据     

地震波诱发的深部地层动应力机制及断裂位移研究

借鉴弹性波动力学理论和爆破地震应力计算方法,结合地震波在岩层中的折射效应,以地震波加速度为基础数据,分析岩体在地震波作用下的受力。以汶川地震影响下的龙门山前陆盆地地下岩层的受力变形情况为例,通过计算分析和数值模拟,证实所用方法在求解分析地震波在各向同性岩石层间传播动力的可行性。同时验证汶川地震造成龙门山前陆盆地地下深部地层的断层破坏。      

地震波在含水地层中的弥散和耗散

根据笔者的饱和流体孔隙介质中波的传播理论,具体研究了地震波在含水地层中的耗散和弥散效应。数值结果表明,影响地震波在含水地层中传播的重要因素,除频率外,是固相骨架和水的弹性波阻抗的比值和介质的渗透性、孔隙率;而固相颗粒与固相骨架的可压缩性的差别因素则影响较小。估计了含气量对波传播速度的影响。指出了迄今在地球物理学中的震相分析,工程地震学中的测震结果的分析和解释,以及在地力学中处理动力问题时把含水地层按单相材料考虑都可能存在很显著的误差,需要考虑到孔隙流体（水,气）的存在和根据具体情况做些相应的修正。     

气枪激发信号传播的谱元法数值模拟研究

为了研究气枪激发信号的波场,本文利用谱元法对双相介质中波的传播做了数值模拟,分析了波的传播特征.本文主要做了以下工作:(1)研究了使用谱无法(SEM)模拟孔隙弹性介质中波的传播,模拟结果表明,采用谱元法能有效解决双相介质的波场传播模拟问题.(2)验证了Biot理论中慢纵波的存在.双相介质中存在明显的慢纵波,流相波场的慢...     

Biot耦合模式波的动力学特征

通过数值计算重点论述了低频务件下介质不同区域(弹性区、粘性区、孔隙区(被流体充填或不充填))对波传播的作用，分析了在均匀的、完全各向同性介质中Blot耦合模式波在低频条件下的特点。发现：(1)慢纵波相速度存在临界孔隙度现象，临界孔隙度是慢纵波相速度的盲点。(2)低频、高孔隙度条件更有利于慢纵波的观测。(3)低频条件下，快纵波、横波相速度与渗透率无关；而快纵波、横波损耗因子受渗透率影响较大。     

An alternative Boussinesq equation considering the effect of hysteresis on coastal groundwater waves

This paper presents an alternative Boussinesq equation considering hysteresis effect via a third‐order derivative term. By introducing an improved moisture–pressure retention function, this equation describes, with reasonable precision, groundwater propagation in coastal aquifers subject to Dirichlet boundary condition of different oscillation frequencies. Test results confirmed that it is necessary to consider horizontal and vertical flows in unsaturated zone, because of their variable influences on hysteresis. Hysteresis in unsaturated zone can affect the water table wave number of groundwater wave motion, such as wave damping rate and phase lag. Oscillations with different periods exert different hysteresis effect on wave propagation. Truncation/shrinkage of unsaturated zones also affects the strength of hysteresis. These impacts can be reflected in the alternative Boussinesq equation by adjusting the parameter representing the variation rate of moisture associated with pressure change, as opposed to traditional computationally expensive hysteresis algorithms. The present Boussinesq equation is simple to use and can provide feasible basis for future coupling of groundwater and surface water models. Copyright © 2016 John Wiley & Sons, Ltd.     

地下水位变化对地震地面运动的影响

本文以Biot提出的流体饱和多孔介质波动理论为基础, 建立了成层地基模型, 把地下水位以下的饱和土层用水饱和多孔介质模拟, 地下水位以上土层用气饱和多孔介质模拟. 通过研究入射平面简谐波在成层地基中的传播, 分析了地下水位变化对地震地面运动的影响. 结果表明: P波入射下, 当土体骨架相对刚度较小时, 地下水位变化对地表位移尤其是竖向地表位移幅值影响较大, 随着地下水位的下降, 竖向位移逐渐增加, 相对应的峰值频率逐渐减小; 当土体骨架相对刚度较大时, 地下水位变化对地面运动影响不大.      

裂缝诱导各向异性双孔隙介质波场传播特征

基于裂缝诱导各向异性和双相介质理论,对裂缝诱导的具有水平对称轴的横向各向同性（HTI）双孔隙介质的本构关系进行了研究,与等效连续介质模型相结合,综合考虑裂缝系统和基质孔隙系统的两种孔隙度和两种渗透率参数,得到裂缝诱导HTI双孔隙介质的等效孔隙度和等效渗透率,进而得到介质的运动平衡方程;并进一步推导出介质的一阶速度-应力方程.采用交错网格高阶有限差分法对模型进行了数值模拟,结果揭示了介质中两套系统的存在对其波场传播特征的影响,为进一步研究实际地球介质的波场特征奠定了基础.     

基于临界孔隙度模型的地震波传播

基于岩石物里学中临界孔隙度模型,建立一种简洁的均匀弹性流体饱和孔隙介质模型,进行地震波传播研究.首先定义了构建目标模型的基本力学模型:介绍了全孔隙度区间内基本力学模型和目标孔隙介质的含义,其中基本力学模型除了完全弹性固体模型S和完全弹性流体模型F还包括临界孔隙模型C.然后通过等效力学模型推出了目标力学模型介质本构关系的组分表达形式.文中分别通过直接求取弹性参数的表达形式和运用应力应变关系两种方法得到介质模型的本构关系,进而得到该模型波动方程的组分表达形式.最后对这种介质模型进行了地震波传播的数值模拟,结合模拟结果分析孔隙对地震波传播的影响.     

THE INFLUENCE OF PERMEABILITY ON COMPRESSIONAL WAVE VELOCITY IN MARINE SEDIMENTS*

To investigate the effect of permeability on the propagation of seismo-acoustic waves through marine sediments, a theoretical model based on Biot's equations is established which relates the compressional wave velocity measured at a fixed frequency to computed velocities at zero and infinite frequencies in terms of sediment porosity and permeability. The model is examined experimentally in a standard soil mechanics consolidation test (itself dependent, among other things, on sediment porosity and permeability) which has been modified to include measurements of compressional wave velocity at 1 MHz and shear-wave velocity at 5 kHz. This test allows the elastic modulus of the sediment frame to be assessed under different load conditions simultaneous with the velocity determinations. From a number of tests on different samples, five samples are chosen to typify the range of sediment sizes. The results show that the difference between the measured velocity at 1 MHz and the model-derived velocity at zero frequency increases with increasing particle size (from clays to fine sand), with decreasing porosity, and with increasing permeability. For sediments coarser than fine sand the simple model breaks down, possibly because of the dominance of scattering/diffraction effects at the high frequency of the experiment. Within this limitation the model seems satisfactory to offer a capability of predicting the permeability of a sea floor sediment to an order of magnitude by the in situ measurement of seismic velocities over a wide range of frequencies; the prediction process requires a good in situ determination of sediment porosity such as that offered by electrical formation factor measurements.     

含泥质低孔渗各向异性黏弹性介质中的波频散和衰减研究

本文定义了各向异性黏弹性参数修正因子,并将其引入到黏弹性模型中以体现泥质含量对黏弹性机制的影响,同时将波传播过程中孔隙介质骨架黏弹性力学机制与两种孔隙流体流动力学机制（Biot流动和喷射流动机制）有机地统一起来处理,从而给出了描述含泥质低孔渗孔隙各向异性介质中波传播规律的黏弹性Biot/squirt (BISQ)模型.数值计算结果表明,入射波的方位角、各向异性渗透率以及泥质含量等对含流体复杂孔隙介质中波频散和衰减的影响具有显著的方位各向异性特征,在低频范围内（地震波勘探频率）黏弹性力学机制对波传播能量的衰减起主导作用.     

Estimation of groundwater storage from seismic data using deep learning

Convolutional neural networks can provide a potential framework to characterize groundwater storage from seismic data. Estimation of key components, such as the amount of groundwater stored in an aquifer and delineate water table level, from active-source seismic data are performed in this study. The data to train, validate and test the neural networks are obtained by solving wave propagation in a coupled poroviscoelastic–elastic media. A discontinuous Galerkin method is applied to model wave propagation, whereas a deep convolutional neural network is used for the parameter estimation problem. In the numerical experiment, the primary unknowns estimated are the amount of stored groundwater and water table level, while the remaining parameters, assumed to be of less of interest, are marginalized in the convolutional neural network-based solution. Results, obtained through synthetic data, illustrate the potential of deep learning methods to extract additional aquifer information from seismic data, which otherwise would be impossible based on a set of reflection seismic sections or velocity tomograms.