虚源法地震技术综述

地震虚源法是为了解决复杂近地表问题而发展起来的一种新方法技术,采用地表激发井中接收的观测方式,通过在接收器位置构建虚源,能够获得井中接收器之间的地震响应.这一过程无需速度和震源位置信息,从而避开了复杂近地表对地震波场的影响.目前主要应用于复杂时变近地表条件下的油气勘探开发领域,如4D油藏监测、钻探风险评估和高陡构造精细成像等.本文首先详细介绍地震虚源法的发展历史、原理和技术特点,其次介绍其实际应用的成功实例,最后简单分析其存在的问题,并展望其潜在的应用前景和商业价值.     

直流电法电场分布的边界效应研究

采用直流电法进行室内试验和现场的数值模拟时,由于边界条件和现场不同,会造成电场分布与现场存在一定的偏差.本文为了减小边界影响,在一定的电位相对偏差(实验值或数值解与半无限理论解)水平下,优化室内试验和现场数值模拟的模型尺寸,对两个异性点电流源均匀介质电场进行数值模拟,得出以下主要结论:在模型顶面供电电极之间电位的最大相对偏差小于1%的前提下,直流电法现场的数值模拟(零电位边界)采用长方体模型(长和宽相等),模型的高取为供电电极极距的1.75倍,模型的宽取为4.35倍时,在一定精度上模型的体积较小;直流电法室内试验(绝缘边界)采用长方体模型(长和宽相等),模型的高取为供电电极极距的3倍,模型的宽取为4.35倍时,在一定精度上模型的体积较小.当模型边界取为零电位边界时,在相同的供电电极极距下,模型顶面供电电极之间电位达到相同的相对偏差水平时,半球形模型的体积比长方体模型的体积更小.这些结论对数值模拟反演现场情况以及进行室内试验时模型的设计有一定的指导意义,使得相关规律能较好的应用于现场.     

基于虚源估计的复杂上覆地层下地震相干成像

在上覆地层比较复杂的情况下,常规地震勘探方法常常难以得到好的成像.本文研究了基于地震相干避开复杂上覆地层对地震波的影响,利用VSP数据估计地震虚源直接对目的地层进行成像的方法.在地震相干成像过程中,震源子波对分辨率有比较大的影响,尤其是存在薄层的条件下,两个非常近的反射同相轴将无法辨认.利用估计出虚源地震子波的性质,对该子波进行整形压制其旁瓣,从而提高成像的分辨率.针对典型模型的数值试验结果表明,对于复杂上覆地层情形,通过从VSP数据估计的虚源数据能够较好的对目的地层进行成像.     

基于逆虚折射干涉法有效提取近地表弱地震信号

在地震勘探中,地形起伏和近地表速度的剧烈变化会导致地震波旅行时的扰动,通常会通过折射波信息来估算和消除这些扰动.本文在虚折射的基础上提出了逆虚折射干涉法,通过虚折射波场和原始折射波场的互相关,并对所有位于固定相位点上的检波点进行叠加,重构出逆虚折射波场.通过逆虚折射与超级虚折射的叠加,保证了不同偏移距下折射波振幅恢复的一致性,显著提高折射波的信噪比,有效提取弱信号.同时,本文采用反褶积干涉法来压制由于互相关和褶积产生的子波旁瓣的影响,弥补低频和高频能量的损失,改善恢复的折射波场的稳定性和分辨率.该新方法不需要知道近地表复杂速度模型的信息,可以将虚折射的勘探孔径恢复到原始地震记录的最大孔径.合成资料和实际资料的计算结果表明,基于反褶积的逆虚折射干涉法能够从低信噪比的资料中,有效恢复出折射波信息.     

芦山地震地震动上下盘效应研究

2013年4月20日的芦山7.0级地震是继2008年5月12日汶川8.0级特大地震之后,发生在龙门山断裂带上的又一次大震级逆冲型地震.与汶川地震相比,芦山地震的发震断层没有地表出露,断层的滑动角更大,其逆冲性质更强烈.本文挑选了芦山地震中断层距小于200km的45条强震动记录,基于地震动衰减关系进行统计分析,对比了上盘和下盘台站地震动参数相对于衰减关系的对数残差.结果表明：芦山地震的上下盘效应明显,近断层上盘地震动的高频成分要高于同断层距的下盘;上盘地震动衰减要明显快于下盘.地震动衰减关系用简单的一个距离参数很难描述近场断层尺寸效应的影响,也很难模拟地震动上下盘效应.因此,在近场强地面运动模拟中,应多考虑有限断层模型,以模拟断层的尺寸效应.     

一种边缘保持的地震数据插值方法

在地震数据处理中,地震数据插值方法常常用来解决地震数据空间采样率低和不规则的问题.本文提出了一种基于边缘保持滤波器的地震数据插值方法.在该方法中,对于一个1D信号,逐点滑动一个处理窗口,将信号分成多个信号片段.对于某一个待恢复的缺失采样点,存在多个包含(或邻近)该采样点的信号片段可以用来估计它.采用多项式来拟合这些信号片段,并选择拟合误差最小的信号片段估计此缺失采样点,达到边缘保持的目的.对于2D地震信号,先沿不同方向扫描抽取1D信号,然后采用上述1D边缘保持插值算法分别进行处理,得到沿不同方向的插值结果.对于任一待插值采样点,选取对应拟合误差最小的方向的插值结果作为最后输出的2D数据的插值结果.理论模型和实际资料的处理结果表明,所提方法具有保边缘、抗假频及能够进行不规则数据重建等特点,既能有效的实现不规则地震数据的重建,又能很好的保持原有数据的边缘特征.     

利用地震波干涉法探求衰减结构的理论背景

地震干涉法或噪声相关法提供了走时层析成像的被动方法。然而尚不清楚的是所恢复的格林函数的振幅用于估计衰减结构是否可靠。最近建立的组合方程被认为是空间自相关(spatial autocorrelation,SPAC)法向衰减性介质的扩展,并已用于根据所恢复格林函数的振幅估计衰减结构。然而,该组合方程尚未通过进行数值和分析研究的明确检验证实。在本研究中,我首先对非均匀衰减性介质证实空间自相关法与地震干涉法之间的关系,然后借助该关系建立支持该组合方程的理论。该组合方程在假设(1)衰减弱和(2)台站间隔大于所考虑波长的情况下对均匀衰减性介质的推导证明是有效的。根据所得结果,应用地震干涉法估计衰减结构应在衰减弱的相对均匀地区进行。应用于非均匀地区的衰减层析成像仍需要在理论上研究。     

昆仑山口西地震和汶川地震前中源地震活动特征研究

研究2001年昆仑山口西地震和2008年汶川地震前的中源地震活动特征,与唐山地震前的特征进行比较,发现:3次大地震前曾发生6或7次h≥60 km的中源地震,且"大震前中源地震活跃的时间跨度T"约5年或5年多。这是大震前中源地震活动最主要的两个特征,包含了孕育大地震的一些重要信息。其他特征还有:中源地震的活动—平静交替、临近大地震前的地震平静、呈条带分布和(或)地震空区等特征,这与大震前壳内地震活动性的一些特征类似。     

地震道空间分辨力研究

在高分辨率地震勘探中，除了了解子波特性对分辨力的影响外，研究地震道在空间任意方向的分辨力变化规律同样是非常重要的.受分辨力估算方法的局限性，除垂直分辨力和水平分辨力外，目前对于空间任意空间方向分辨力变化的研究很少.本文分析了微分法分辨力和广义空间分辨力估算公式的异同.并利用广义空间分辨力公式分析了分辨力随炮检距、观测点位置、深度的变化规律及其内在本质.与此同时，对广义空间分辨力概念进行了图形解释，揭示了其实质.这对于更好地理解和运用广义空间分辨力计算公式具有重要的意义.     

基于数学建模的潜在地震破裂面源检测方法研究

大多数地震破裂面源检测方法都是通过简化地震震源,将地震震源表示成线源或者点源,无法有效描述地震带地震破裂面源产状和大小,不适用地震震级较大的情况下地震危险性检测。因此提出基于数学建模的潜在地震破裂面源检测方法,在地震震级较大时仍能检测出地震危险性概率。选取适宜的地震基岩水平峰值加速度衰减关系,分析地震震级、破裂长度、破裂宽度相互关系,确定地震引起的潜在地震破裂面源大小,计算给定地震动小于在场点处产生地震动的概率,将该概率同地震动加速度衰减关系结合,得到地震动年超越概率,分析地震危险性。经过实验检测发现,所提方法检测出的年超越概率与峰值加速度、最大震级有关,该概率能精准表示地震带地震破裂面源产状和大小,说明该方法检测地震危险性是合理的。     

Studies on seismic source

During the period of 1999~2002, the Chinese seismologists made a serious of developments in the study on seismic sources including observations, experiments and theory. In the field of observation, the methods of the accuracy location of earthquake sources, the inversion of seismic moment tensor and the mechanism of earthquake source are improved and developed. A lot of important earthquake events are studied by using these methods. The rupture processes of these events are inverted and investigated combined with the local stress fields and the tectonic moment by using the measurements of surface deformation. In the fields of experiments and theory, many developments are obtained in cause of seismic formation, condition of stress and tectonics, dynamics of earthquake rupture, rock fracture and nucleation of strong earthquakes.     

Studies on seismic source

During the period of 1999-2002, the Chinese seismologists made a serious of developments in the study on seis-mic sources including observations, experiments and theory. In the field of observation, the methods of the accu-racy location of earthquake sources, the inversion of seismic moment tensor and the mechanism of earthquake source are improved and developed. A lot of important earthquake events are studied by using these methods. The rupture processes of these events are inverted and investigated combined with the local stress fields and the tec-tonic moment by using the measurements of surface deformation. In the fields of experiments and theory, many developments are obtained in cause of seismic formation, condition of stress and tectonics, dynamics of earthquake rupture, rock fracture and nucleation of strong earthquakes.     

Research on the effect estimation of seismic safety evaluation

IntroductionItisdefinitelystipulatedintheLawofthePeople'sRepublicofChinaonProtectingagainstandMitigatingEarthquakeDisastersthattheseismicsafetyevaluationmustbemadeformajorprojects(includinglifelineprojects)and,accordingtotheresultsobtained,theseismicresistancerequirementsshouldbedetermined.Thenecessityofseismicsafetyevaluationhasbeenrecog-nizedgradually,butthetopicontheeffectofsafetyevaluationhasnotbeenreferredmuch.Gener-allyspeaking,althoughmostpeopleapprovethesocialeffectofsafetyevaluatio…     

频率域有限差分数值模拟地震波衰减和震电效应特征

地震波在地下含流体孔隙介质中传播时,会引起中观尺度的"局域流",进而产生地震波震电效应.基于Biot（1941）固结理论的准静态方程,在频率域中采用空间有限差分方法,正演模拟虚岩石物理岩样的地震波衰减和震电效应.与时间域虚岩石物理方法相比,该方法既可以直接求取任一频率下的地震波衰减和电势,便于应用于实际岩样的预测分析,也避免了讨论岩样外表面施加的力源函数表达式及时间剖分稳定性条件等问题.首先利用周期性层状介质模型验证了本文所描述方法的有效性,并进一步求取分析了周期性层状介质两种不同特征单元的渗流电流密度及电势,数值模拟结果表明由中观尺度"局域流"引起的震电效应电势振幅数量级在实验室测量范围之内,随后,分析研究了四种不同高渗介质占比值的地震衰减及震电效应特征.最后,将本文提出的震电效应数值计算方法推广至二维,并求取了二维斑块饱和模型的地震波衰减、速度频散、电势的振幅和相位角数值结果.     

Research on determining the annual earthquake occurrence rates of potential seismic source areas

To actually reflect the seismic temporal-spatial inhomogeneity of intra continental strong earthquakes of North China in seismic hazard analysis, several seismological and geological characteristics have been selected and quantized to describe the seismicity features in time and space of every magnitude interval with the thought of dividing the interesting magnitude range into several intervals and using of spatial probability distribution function. A component analysis method with orthogonal transformation is introduced to avoid the repeated use of the same element and the subjective effects in determining the annual earthquake occurrence rates of earthquake. By passing synthetic fuzzy judgement on the nonintercorrelated new characteristics, the annual occurrence rates of every magnitude interval of each potential source area are obtained associated with the adjustments of earthquake reducing process after the occurrence ofM>7 quake. An intensity map of the Beijing-Tianjin-Zhangjiakou area is calculated as an example which shows a close coincidence with the seismic temporal-spatial inhomogeneity of North China. The Chinese version of this paper appeared in the Chinese edition ofActa Seismologica Sinica,13, 496–504, 1991.     

Near shore seismic movements induced by seaquakes using the boundary element method

This study quantifies seismic amplifications in near-shore arising from seaquakes. Within the Boundary Element Method, boundary elements are used to irradiate waves and force densities obtained for each element. Huygens′ Principle is implemented since the diffracted waves are constructed at the boundary from which they are radiated, which is equivalent to Somigliana′s theorem. Application of boundary conditions leads to a system of integral equations of the Fredholm type of second kind and zero order. Several numerical configurations are analyzed: The first is used to verify the present formulation with ideal sea floor configurations to estimate seismic amplifications. With the formulation verified, simple slope configurations are studied to estimate spectra of seismic motions. It is found that P-waves can produce seismic amplifications from 1.2 to 3.9 times the amplitude of the incident wave. SV-waves can generate seismic amplifications up to 4.5 times the incident wave. Another relevant finding is that the highest amplifications are at the shore compared to the ones at the sea floor.     

基于破坏指标界限值的结构抗震可靠度分析

结构抗震可靠性的分析一般即采用动力可靠度的研究方法进行。本文提出了进行结构抗震可靠度分析与计算的一种新方法,即基于破坏指标界限值的结构抗震可靠度分析方法。该方法在标定结构破坏指标范围进行破坏等级划分的基础上,采用JC法对结构在不同烈度地震作用下的各破坏状态概率进行计算,从而完成对结构抗震可靠性的分析。计算实例表明,该方法与经典动力可靠性分析所得结论相一致,这表明了本文方法的正确与可靠。     

流固边界耦合介质高阶有限差分地震正演模拟方法

本文针对流固边界耦合介质提出了一种高效、稳定的正演数值模拟方法. 首先,从一阶位移-应力弹性波方程出发,基于海底流固边界的位移和应力的连续性条件,采用三次样条海底界面定量表征方法,推导出不规则海底界面下流固边界耦合介质中的地震波波动方程;其次,通过空间微分的高阶差分格式提高数值模拟的空间精度,并结合已推导的地震波波动方程,将四阶时间微分转换至高阶空间微分,进一步提高了数值模拟的时间精度;最后,在与标量波波动方程数值模拟结果对比分析的基础上,分别利用简单的水平层状模型和复杂海底模型,验证和讨论了本文提出的流固边界耦合介质高阶有限差分地震波正演模拟方法的有效性和准确性.      

Application of passive source surface-wave method in site engineering seismic survey

Site engineering seismic survey provides basic data for seismic effect analysis. As an important parameter of soil, shear-wave velocity is usually obtained through wave velocity testing in borehole. In this paper, the passive source surface-wave method is introduced into the site engineering seismic survey and practically applied in an engineering site of Shijingshan District. By recording the ubiquitous weak vibration on the earth surface, extract the dispersion curve from the surface-wave components using the SPAC method and obtain the shear-wave velocity structure from inversion. Over the depth of 42 m underground, it totally consists of five layers with interface depth of 3.31, 4.50, 7.23, 17.41, and 42.00 m; and shear-wave velocity of 144.0, 198.3, 339.4, 744.2, and 903.7 m/s, respectively. The inversion result is used to evaluate site classification, determine the maximum shear modulus of soil, provide basis for further seismic hazard analysis and site assessment or site zoning, etc. The result shows that the passive source surface-wave method is feasible in the site engineering seismic survey and can replace boreholes, shorten survey period, and reduce engineering cost to some extent.