多孔介质中水位变化对波形、波速和波谱影响的实验研究

为了研究地下水和地震波之间的关系，设计了一套水位实验装置，用注水方法研究了多孔介质中水位变化对P波和S波的波速、波形和波谱的影响。实验结果表明：波垂直水面传播时，速度与时间平均方程的结果基本一致；波平行水面传播时，虽有叠加效应但并非简单的叠加。从干燥到注满水，P波速度明显增大，波幅和波谱能量显下降，主频明显降低；在接近注满水时，出现特殊的高频初至小波，而S波速度略有减小 ，波幅和波谱能量则一般是先降后升，主频基本没有变化。比较了注子和饱水的不同，并引入三相气体包裹体模型进行了解释。     

含流体孔隙介质中面波的传播特性及应用

基于单相介质中地震波理论的高频面波法已广泛应用于求取浅地表S波的速度.然而水文地质条件表明, 普遍的浅地表地球介质富含孔隙.孔隙中充填的流体会显著地影响面波在浅地表的传播, 进而造成频散和衰减的变化.本文研究了地震勘探频段内针对含流体孔隙介质边界条件的面波的传播特性.孔隙流体在自由表面存在完全疏通、完全闭合以及部分疏通的情况.孔隙单一流体饱和时, 任何流体边界条件下存在R1模式波, 与弹性介质中的 Rayleigh 波类似, 相速度稍小于S波并在地震记录中显示强振幅.由于介质的内在衰减, R1在均匀半空间中也存在频散, 相速度和衰减在不同流体边界下存在差异.Biot 固流耦合系数(孔隙流体黏滞度与骨架渗透率之比)控制频散的特征频率, 高耦合系数会在地震勘探频带内明显消除这种差异.介质的迂曲度等其他物性参数对不同流体边界下的R1波的影响也有不同的敏感度.完全闭合和部分疏通流体边界下存在R2模式波, 相速度略低于慢P波.在多数条件下, 如慢P波在时频响应中难以观察到.但是在耦合系数较低时会显现, 一定条件下甚至会以非物理波形式接收R1波的辐射, 显示强振幅.浅表风化层低速带存在, 震源激发时的运动会显著影响面波的传播.对于接收点径向运动会造成面波的 Doppler 频移, 横向运动会造成面波的时频畸变.孔隙存在多相流体时, 中观尺度下不均匀斑块饱和能很好地解释体波在地震频带内的衰减.快P波受到斑块饱和显著影响, R1波与快P波有更明显关联, 与完全饱和模型中不同, 也更易于等效模型建立.频散特征频率受孔隙空间不同流体成分比例变化的控制, 为面波方法探测浅地表流体分布与迁移提供可能性.通常情况孔隙介质频散特征频率较高, 标准线性黏弹性固体可以在相对低频的地震勘探频带内等效表征孔隙介质中R1波的传播特征, 特别在时域, 可在面波成像反演建模中应用.     

孔隙介质弹性波频散—衰减理论模型

储层地球物理学中,孔隙介质的各类弹性波模型常用于了解地层岩石物理性质.本文介绍了含油、气、水等物质的多相孔隙介质弹性波频散和衰减研究进展,给出了流体饱和与部分饱和孔隙介质中波传播的物理模型综述.根据孔隙介质中的固、流体分布情况,从相关基础理论和实验研究工作等方面出发,在宏观、微观和介观尺度上对流体替换、Biot孔隙力学、喷射流、Biot喷射流(BISQ)、等效球体癍块饱和、双重孔隙介质局部流动等现有主要合流体孔隙介质速度频散和衰减理论进行了回顾.研究表明,应力松弛过程是弹性波频散和衰减的基本机理,该过程由平衡特征时间刻画.该特征时间与孔隙介质的渗透率、流体粘性和体积模量紧密相关.当波频较低时,特征时间小于波周期,压力平衡得以发生,可以用等效流体模型描述波速;反之,当波频较高时,局部压差始终保持较高水平。整个骨架体积模量升高,等效模型面临困难,发展出斑块饱和模型.在分析了各类模型理论框架适用性以及所面临困难后,我们对未来研究方向给出了一些有意义的探讨.     

含孔隙介质的分层半空间表面瑞利波的衰减特性

以分层半空间内部含有一层孔隙介质为物理模型进行数值计算,研究半空间表面瑞利波的传播和衰减特性.为更加接近实际,结合瑞利波的激发特性,确定了瑞利波的主衰减曲线,并主要以此进行规律分析.针对速度递增和含低速层这两种典型的地质模型,讨论了瑞利波的传播衰减在不同地质模型下的特性,并分析了各自的规律.结果表明,在这两种模型下瑞利波的主衰减曲线都受孔隙介质所处空间位置影响产生比较明显的变化,但衰减系数极大值对应的波长与模型的表层厚度存在较明显的线性对应关系,利用这一关系,可以在实际勘探中快速得到表层介质厚度.另外,通过对比分析还可以看到,瑞利波主衰减曲线随孔隙介质的孔隙度和渗透率的变化都强于主频散曲线的变化,表明衰减曲线对孔隙度和渗透率的变化更加敏感,理论上更加适合进行介质参数反演工作.综合对比结果,我们认为瑞利波主衰减曲线中包含了更丰富的介质参数信息,如果能够有效利用,将可以提高瑞利波勘探的准确性和应用范围.

     

双相介质中地震波衰减的物理机制

High-frequency seismic attenuation is conventionally attributed to anelastic absorption. In this paper, I present three studies on high-frequency seismic attenuation and propose that the physical mechanism results from the interference of elastic microscopic multiple scattering waves. First, I propose a new theory on wave propagation in a two-phase medium which is based on the concept that the basic unit for wave propagation is a nano- mass point. As a result of the elasticity variations of pore fluid and rock framework, micro multiple scattering waves would emerge at the wavelength of the seismic waves passing through the two-phase medium and their interference and overlap would generate high- frequency seismic attenuation. Second, I present a study of the frequency response of seismic transmitted waves by modeling thin-layers with thicknesses no larger than pore diameters. Results indicate that high-frequency seismic waves attenuate slightly in a near-surface water zone but decay significantly in a near-surface gas zone. Third, I analyze the seismic attenuation characteristics in near-surface water and gas zones using dual-well shots in the Songliao Basin, and demonstrate that the high-frequency seismic waves attenuate slightly in water zones but in gas zones the 160-1600 Hz propagating waves decay significantly. The seismic attenuation characteristics from field observations coincide with the modeling results. Conclusions drawn from these studies theoretically support seismic attenuation recovery.     

云南地区与频率有关的P波、S波衰减研究

分析了1999年7月-2003年12月发生在云南地区的由22个地震台站记录的5 668次地震的数字波形资料,从中选出保山、永胜、丽江、鹤庆、易门和禄劝6个地震台用扩展的尾波归一化方法计算P波、S波衰减.这6个台分为3个研究区,保山研究区内Qs-1=0.008 67f-0.86,Qp-1=0.011 55f-0.93;永胜、丽江、鹤庆研究区内Qs-1=0.018 24f-0.94,Qp-1=0.022 88f-0.92;禄劝、易门研究区内Qs-1=0.016 47f-0.91,Qp-1=0.028 26f-0.97.后两个研究区衰减结果比较接近,而保山研究区的P波、S波衰减明显偏低.与全球其它地区采用同样方法得到的P波、S波衰减结果对比表明:永胜、丽江、鹤庆研究区和禄劝、易门研究区的P波、S波衰减与日本关东地区很接近,而远高于韩国东南部的衰减;保山研究区的P波、S波衰减略高于韩国东南部.此外,还与前人得到的云南地区的尾波衰减结果进行了对比分析,发现本文S波衰减值与他们的结果相近.     

Biot介质中P波与井孔的耦合

依据全频域的Ｂｉｏｔ理论,推导了在Ｂｉｏｔ的流体饱和孔隙介质中,平面Ｐ波垂直井轴入时与井孔相互作用所产生的井内声压场的解析表达式．通过数值计算,对井内声压场出现的共振响应进行了分析．重点研究在不同频率段渗透率对井内声压的影响及偏离井轴记录时声压的变化．结果表明,在井内测量地震波声压,全频域都有明显影响;测量大于５００ＨＺ的地震信号,检波器偏离井轴放置以及方位不同的影响不能忽略;渗透率变化对井内声压的影响程度最大不超过弹性固体情况（零渗透率）下相应声压的１／５．     

波在饱含流体的孔隙介质中的传播问题

考虑到流体的可压缩性,笔者进一步发展了以前的结果。引进了准微观连续条件的概念,直接联合应用流体动力学方程和固体的弹性或粘弹性力学方程,即得到了此种介质的动力学方程组,其中直接引用了流体和固体的弹性（或粘弹性）系数,较之Biot从物理考虑而建立的应力—应变关系中的后两个常数Q、R具有更明确的物理意义,因而更便于用常规的方法确定。证明了,此种无限介质中通常具有两种P波和一种S波,且具阻尼和频散效应。对于几种极端情况可以明确地得到固体波和流体波,有助于近似地解释一些地球物理和声学现象。文中还指出了区分两种典型的计算模型的重要意义。     

Biot介质中P波与井孔的耦合

依据全频域的Ｂｉｏｔ理论，推导了在Ｂｉｏｔ的流体饱和孔隙介质中，平面Ｐ波垂直井轴入时与井孔相互作用所产生的井内声压场的解析表达式．通过数值计算，对井内声压场出现的共振响应进行了分析．重点研究在不同频率段渗透率对井内声压的影响及偏离井轴记录时声压的变化．结果表明，在井内测量地震波声压，全频域都有明显影响；测量大于５００ＨＺ的地震信号，检波器偏离井轴放置以及方位不同的影响不能忽略；渗透率变化对井内声压的影响程度最大不超过弹性固体情况（零渗透率）下相应声压的１／５．     

波在饱含流体的孔隙介质中的传播问题

考虑到流体的可压缩性,笔者进一步发展了以前的结果。引进了准微观连续条件的概念,直接联合应用流体动力学方程和固体的弹性或粘弹性力学方程,即得到了此种介质的动力学方程组,其中直接引用了流体和固体的弹性（或粘弹性）系数,较之Biot从物理考虑而建立的应力-应变关系中的后两个常数Q、R具有更明确的物理意义,因而更便于用常规的方法确定。证明了,此种无限介质中通常具有两种P波和一种S波,且具阻尼和频散效应。对于几种极端情况可以明确地得到固体波和流体波,有助于近似地解释一些地球物理和声学现象。文中还指出了区分两种典型的计算模型的重要意义。     

不同温度围压下几种油砂超声波性质的实验测量

在不同温度围压下测试了几种油砂超声波性质.研究了不同油砂样品波速的温度压力依赖性.     

中国大陆及其邻域的瑞利波群速度分布图象与地壳上地幔速度结构

利用中国数字化地震台网（CDSN）11个台站和周边地区的11个IRIS数字化地震台站记录的长周期面波资料,用多重滤波方法测定了在647条不同路径上周期从10～92ｓ的基阶瑞利波群速度频散曲线．采用Dimtar Yanovskaya方法,反演得到北纬18～54、东经70～140范围内,25个中心周期的群速度分布图象．结果表明：在10～15.9s周期范围内,群速度分布存在着明显的横向不均匀性．其分区分块特征与大地构造单元有着密切的对应关系,两个明显的低速区域分别位于塔里木盆地和东海及北部邻域;从21～33ｓ逐渐显示出深部构造块体的格局;在36.6～40ｓ周期附近的群速度分布图象中,十分清晰地显示出中国大陆岩石圈结构的分区特征,南北地震带、青藏高原、华北、华南块体及东北地块的边界非常明显．本文给出了沿30N、38N 纬线和沿90E、120E 经线剖面的群速度随周期分布图象．在这些剖面上,较明显地展示出中国大陆及其邻域地壳上地幔速度结构的基本特征．各构造块体的深部速度结构差异较大,在青藏高原东部地区的地壳中部存在局部低速区域;塔里木盆地、扬子地台的上地幔速度较高,显示出稳定地台特征;华北平原上地幔低速层的埋深浅、厚度大;东海及日本海的上地幔速度较低,这可能与菲律宾板块下插产生的摩擦热与喜山期以来受强烈拉张有密切的关系．     

高温高压下岩石波速与地壳深部的物质组成

通过对高温高压下岩石波速实验资料的综合研究得出：岩石波速及速度各向异性可用于确定地壳深部各层的组成和界面性质;岩石波速随构造环境而变化;同一波速层由成分和成因上不同的岩石组合而成利用统计分析后的高温高压波速数据,建立了42组ρ-Vp（密度-速度）关系式及深部岩石判别图解     

高温高压下岩石波速与地壳深部的物质组成

通过对高温高压下岩石波速实验资料的综合研究得出：岩石波速及速度各向异性可用于确定地壳深部各层的组成和界面性质;岩石波速随构造环境而变化；同一波速层由成分和成因上不同的岩石组合而成利用统计分析后的高温高压波速数据，建立了42组ρ-Vp（密度-速度）关系式及深部岩石判别图解     

极光区离子分布函数视线方向上的解析解及其饱和现象

以弛豫碰撞模式下Boltzmann方程的解为基础,从极光区视线方向上离子的非Maxwell一维速度分布函数的Raman等人的积分解出发,导出了一维速度分布函数的解析形式解,给出了它的一些特性,并研究了该分布函数随电场增强而出现的饱和现象,给出了物理解释,计算了几种情况下的饱和电场值．     

极光区离子分布函数视线方向上的解析解及其饱和现象

以弛豫碰撞模式下Boltzmann方程的解为基础，从极光区视线方向上离子的非Maxwell一维速度分布函数的Raman等人的积分解出发，导出了一维速度分布函数的解析形式解，给出了它的一些特性，并研究了该分布函数随电场增强而出现的饱和现象，给出了物理解释，计算了几种情况下的饱和电场值．     

以剪切波速为宗量的一种砂土地震液化的不确定性判别法

利用基于剪切波速的砂土液化判别法，本文提出了一种可考虑剪切波速的随机性和液化及液化危害等级的模糊性的液化和液化危害等级的判别法。作者首先讨论了当剪切波速具有随机性时液化的发生概率，进而给出了确定场地液化和危害程度的发生概率。在此基础上，结合液化和液化危害程度（等级）的模糊性，利用模糊事件的概率分析方法，提出了可同时考虑随机性和模糊性的场地液化和液化危害性的发生概率的计算方法。     

钻井中首波的共振与衰减

本文从P波首波的严格割线积分出发,首次给出了揭示其共振与衰减特性的渐近展开式,通过数值计算,对这些公式进行了检验,证明它们与严格解符合的相当好.解析的和数值结果一致表明:首波具有共振特性,频谱是连续的;振幅随源距z按1/z规律衰减;各共振峰幅度随岩石泊松比v的增大按[v/（1-v）]²规律增大.时域计算表明,所谓“滤波效应”正是首波共振激发特性的反映,传播过程中不频散.     

钻井中首波的共振与衰减

本文从P波首波的严格割线积分出发,首次给出了揭示其共振与衰减特性的渐近展开式,通过数值计算,对这些公式进行了检验,证明它们与严格解符合的相当好.解析的和数值结果一致表明:首波具有共振特性,频谱是连续的;振幅随源距z按1/z规律衰减;各共振峰幅度随岩石泊松比v的增大按[v/（1-v）]2规律增大.时域计算表明,所谓“滤波效应”正是首波共振激发特性的反映,传播过程中不频散.     

本溪市区剪切波速分布的初步研究

本文利用检层法、表面波法实测的波速资料。通过对实测数据的处理和回归分析,求出了本溪市区不同岩土波速与埋深的回归关系。同时收集了市区已有的钻孔资料,经分析计算,给出了本溪市区平均剪切波速的分布。