粘弹各向异性介质中地震波场模拟与特征

通过引入记忆变量,可以避免粘弹性应力-应变关系中的褶积运算,使波场数值模拟易于实现.通过伪谱法对粘弹各向异性介质中的qP波、qS波数值模拟,结合理论分析,研究了粘弹各向异性介质中速度各向异性和衰减各向异性.衰减各向异性要比速度各向异性更为显著,并且qS波比qP波的衰减各向异性明显.粘弹各向异性介质中,粘弹性对波的影响主要在于波的衰减,各向异性主要影响波前面形状.     

各向异性介质地震波场数值模拟及特征分析

由于各向异性广泛存在于地下岩石中,随着勘探精度的不断提高,对地下介质的各向同性假设越来越不能够满足于现状,因此对各向异性介质的数值模拟显得更为重要。本文推导了各向异性介质的弹性波动方程,总结了震源类型,通过PML方法处理了人工边界问题,通过快照分析验证了数值频散、稳定性条件。研究结果表明:① PML完全匹配层,可较好地解决人工边界问题;②减小空间采样间隔压制数值频散比减小时间采样间隔效果要好得多,盲目减小时间采样间隔会大大降低数值模拟的运算效率;③各向异性介质中弹性波场中除含有准纵波外,还含有速度较慢的准横波;④准纵波波前能量要比由各向异性引起的准横波能量强,准纵波和准横波的波前随着各向异性介质参数的变化而变化。     

应力诱导各向异性介质中地震波的传播

主要讨论了应力变化如何影响各向异性介质中波速度的问题。推导了一般各向异性介质在初始应力下的Christoffel方程,得到介质中3种波的相速度和初始应力的关系表达式;通过实验数据验证了单轴应力能够诱导各向异性,当施加单轴应力时,速度在沿应力的方向增加最大,在垂直应力的方向增加最小,实验结果与理论推导一致;用Christoffel方程的数值解模拟在3种对称情况下的弹性各向异性介质中初始应力对波速度的影响。数值结果表明:初始应力对各向异性介质中波传播速度的影响,随着各向异性强度的增加而增大,而且速度越慢,影响越大。     

各向异性介质中地震波前面的偏微分方程

从含２１个弹性参数的各向异性介质中关于位移分量ｕｘ、ｕｙ与ｕｚ的偏微分波动方程组出发,通过假定平面波位移函数解,导出准Ｐ波、准ＳＶ波与准ＳＨ波的波前面偏微分控制方程,进而对各类特殊各向异性介质（横向各向同性介质、椭圆及立方体各向异性介质）中地震波前面偏微分方程进行了讨论．以上结果为研究各向异性介质中地震波传播规律以及进行正、反演研究奠定了理论基础．     

各向异性介质中地震波前面的偏微分方程

从含２１个弹性参数的各向异性介质中关于位移分量ｕ_ｘ、ｕ_ｙ与ｕ_ｚ的偏微分波动方程组出发，通过假定平面波位移函数解，导出准Ｐ波、准ＳＶ波与准ＳＨ波的波前面偏微分控制方程，进而对各类特殊各向异性介质（横向各向同性介质、椭圆及立方体各向异性介质）中地震波前面偏微分方程进行了讨论．以上结果为研究各向异性介质中地震波传播规律以及进行正、反演研究奠定了理论基础．     

二维对称各向异性介质大地电磁反演

考虑一种二维构造走向与一水平各向异性主方向一致的对称各向异性介质. 在这种特殊情况下,若假设电导率沿垂向和倾向表现相同的各向异性, 即sigma;zz=sigma;yy,则得到形式完全等同于各向同性情形TE和TM极化方程的微分方程. 因此, 就可用各向同性完全相同的反演方法, 获得二维各向异性介质的电导率. 亦即各向同性介质的TE和TM极化反演结果, 可以解释为对称各向异性介质两主方向上的电阻率. 这为MT解释提供了新的解释途径及其理论依据. 最后用由此发展起来的各向异性介质反演方法,对甘肃天祝永登一带大地电磁资料进行了反演试验,获得了该区地壳介质各向异性电导率结构      

二维各向异性介质中地震波场的高阶同位网格有限差分模拟

本文将DRP/opt MacCormack有限差分格式用于模拟二维各向异性介质中的地震波传播.DRP/opt MacCormack是一种同位网格下的差分格式,避免了传统的交错网格在计算各向异性问题时由于变量插值而导致的误差.而且相对于低阶同位网格差分格式,它具有低色散、低耗散的优点.此格式将中心差分算子分成前向和后向两个空间单边差分,然后在4-6步Runge-Kutta时间积分中使用单边差分组合.在具有垂直对称轴的横向各向同性（VTI）模型下,通过对比DRP/opt MacCormack有限差分和谱元方法的模拟结果,验证了前者具有很高的精度和稳定性.由于实际地质条件下TI介质的对称轴通常是倾斜的(TTI),本文在二维三分量框架下模拟TTI介质中的地震波场.结果显示横波分裂和切平面/反平面运动耦合的特征.数值实验表明DRP/opt MacCormack是一种有效的研究各向异性介质中地震波传播规律的差分格式.     

各向异性介质地震波场的优化褶积微分算子法数值模拟

在前人工作基础上,通过对窗函数参数进行优化实现了对基于Shannon奇异核理论的交错网格褶积微分算子的优化过程.应用这种优化褶积微分算子方法对各向异性介质进行了数值模拟,讨论了优化褶积微分算子法模拟的PML吸收边界条件以及稳定性条件,分析了弹性波在此类介质中的传播特征,并与高阶交错网格有限差分方法进行了对比.数值实验结果表明,该方法适用于各向异性介质中弹性波场模拟,精度高,稳定性好,是一种研究复杂介质中地震波传播的有效数值方法.     

板内地震活动自组织、自相似特征

本文提出了两个比较重要的关系式,用来描述地震活动在时间域的自组织、自相似特征。即N(τ)～τ~(-D)和 N(≤t)～t~d,前一个关系式说明地震时间序列符合 D 维的分维分布,而不是泊松分布,后一个非线性关系式可以作为一种递推关系和预报方法用于强震的中期预报。     

含流体裂缝介质中地震波场数值模拟

油气勘探开发实践证明,裂缝常常是油气藏存储的空间或运移的通道,因此,裂缝各向异性介质中地震波场的研究越来越倍受关注,国内外很多岩石物理学者、地球物理专家等对裂缝信息的描述提出了很多理论认识与方法技术.本文根据Eshelby-Cheng各向异性裂缝介质模型理论,求取各向异性裂缝介质的弹性参数,并建立Eshelby-Cheng各向异性裂缝介质的波动方程,利用时间错格伪谱法对含流体裂缝介质进行数值模拟,模拟结果表明,采用时间错格伪谱法能有效解决各向异性介质的波场传播,利用时间错格有限差分算子替代普通的差分算子来求解时间导数,利用快速傅氏变换求解空间导数,大大提高了正演模拟的计算精度与计算效率.并且与各向同性介质相比,地震波在含流体裂缝各向异性介质中的传播要复杂得多,各向同性介质层中的波是纯的,其横波不会发生分裂,而在各向异性介质层中,横波将发生分裂.     

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.

     

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.     

各向异性介质中扭转波分裂的初步实验观测

实验室可以产生两种振动模式的横波,一种是剪切振动,另一种是扭转振动.本文利用扭转换能器观测了扭转横波在各向异性样品中的传播特性.实验表明,无偏振方向的扭转波在各向异性介质中会以两种不同速度传播,并出现波的分裂现象,其快慢波的速度值与剪切横波的快慢横波速度一致.用扭转波换能器接收时,快慢扭转波的波形振幅不受各向异性方位影响,表现为无方向性.通过两块不同来源的均匀各向异性样品,用实验观测方式初步揭示了各向异性介质中扭转波的一些传播特征.     

起伏地表条件下各向异性地震波最短路径射线追踪

在地震波正反演研究中,考虑起伏地表和地震各向异性具有非常重要的理论意义和实际应用价值.本文在前人研究的基础上,将最短路径追踪算法引入到起伏地表各向异性介质模型的地震波走时计算中.模型剖分时,整体模型划分成正方形单元,起伏边界附近以不规则网格逼近,进而采用非规则节点布置实现非规则网格处的最短路径计算.追踪计算中采用Sena群速度近似公式,得到各向异性地震波的走时,实现了复杂地表情况下各向异性介质模型中地震波的射线追踪.理论模型计算结果显示,本文方法能够可靠地应用于复杂各向异性介质模型,具有较高的计算精度.     

Seismic waves in cracked two-phase anisotropic medium with fourfold rotation symmetry

IntroductionBasedontheresearchresultSofmanyintemalandextemalseismologiSts,mediuminseis-mogeniczonemaybethecrackedinordermediumsaturatedwithfluid(airorwater),namely,two-phaseanisotropicmedium.Inseismicprospecting,oilorgasreservoirrockmayaPproachtothecrackedtwo-phaseanisotropicmediumtoo.Therefore,thefiJrtherstudyonpropagaiontheoryofseismicwavesintWo-phaseanisotropicmediumpossessestheoreticalsignificanceandaPPlicationprospects-Inthispaper,onthebasisofthetheoryofseismicwavesinanuid-sbedporousso…     

三维多层介质重力-地震同步联合反演

联合反演是地球物理勘探的重要解释手段,能够提高模型参数的反演精度.本文在归纳和分析重力与地震资料联合反演的研究和应用现状的基础上,利用三维多层介质模型的地震走时和重力正演公式,推导了地震走时和重力异常对界面深度的雅可比矩阵,实现了三维重力-地震同步联合反演界面成像.最后进行了数值理论模型模拟和实例计算,结果表明地震走时和重力同步联合反演很好的重建了三维多层介质界面.     

中国东部地壳与上地幔速度不均匀性和各向异性的初步研究(英文)

本文利用763式地震仪记录的地震瑞利面波资料,用双台法计算出瑞利面波的频散曲线,从而得到相速度.将我国东部地区(99.8°—123.8°E,20°—44°N)分成4°×4°大小的方格,利用代数重建法得出该地区上地幔与地壳的横向不均匀性.对同一地区再进行一次分块,块的大小为8°×8°,考虑到各向异性对面波相速度的影响,利用周期为60 s 的面波相速度资料,反演出我国东部的横向不均匀和各异向性的特征。     

Statistical physics of fault patterns self-organized by repeated earthquakes

This work presents at attempt to model brittle ruptures and slips in a continental plate and its spontaneous organization by repeated earthquakes in terms of coarse-grained properties of the mechanical plate. A statistical physics model, which simulates anti-plane shear deformation of a thin plate with inhomogeneous elastic properties, is thus analyzed theoretically and numerically in order to study the spatio-temporal evolution of rupture patterns in response to a constant applied strain rate at its borders, mimicking the effect of neighboring plates. Rupture occurs when the local stress reaches a threshold value. Broken elements are instantaneously healed and retain the original material properties, enabling the occurrence of recurrent earthquakes. Extending previous works (Cowie et al., 1993;Miltenberger et al., 1993), we present a study of the most startling feature of this model which is that ruptures become strongly correlated in space and time leading to the spontaneous development of multifractal structures and gradually accumulate large displacements. The formation of the structures and the temporal variation of rupture activity is due to a complex interplay between the random structure, long-range elastic interactions and the threshold nature of rupture physics. The spontaneous formation of fractal fault structures by repeated earthquakes is mirrored at short times by the spatio-temporal chaotic dynamics of earthquakes, well-described by a Gutenberg-Richter power law. We also show that the fault structures can be understood as pure geometrical objects, namely minimal manifolds, which in two dimensions correspond to the random directed polymer (RDP) problem. This mapping allows us to use the results of many studies on the RDP in the field of statistical physics, where it is an exact result that the minimal random manifolds in 2D systems are self-affine with a roughness exponent 2/3. We also present results pertaining to the influence of the degree of stress release per earthquake on the competition between faults. Our results provide a rigorous framework from which to initiate rationalization of many, reported fractal fault studies.     

Heterogeneous transition dynamic equations and the self-organized origin of the nesting rhythmic beddings in Panzhihua lithosomes

Dynamic equations were developed for heterogeneous phase-transition in a system of coupled nucleation, growth and ripening. Based on these equations, a self-organized origin of small-scale nesting rhythmic beddings in Pahzhihua lithosomes was investigated and the results showed that the beddings could be formed by the cross supersaturated nucleation-crystallization of augite and feldspar successively. This process could be implemented by coupling with supersaturated nucleation, Ostwald ripening, component diffusion and the primary grain diffusion under a proper temperature gradient. The slightly intensive supersaturated nucleation and Ostwald ripening occurring in Panzhihua lithosomes may relate closely to the mineral components such as V-Ti-Maanetite.     

Effective anisotropic velocity model from surface monitoring of microseismic events

We develop a methodology to obtain a consistent velocity model from calibration shots or microseismicity observed on a buried array. Using a layered 1D isotropic model derived from checkshots as an initial velocity model, we invert P‐wave arrival times to obtain effective anisotropic parameters with a vertical axis of symmetry (VTI). The nonlinear inversion uses iteration between linearized inversion for anisotropic parameters and origin times or depths, which is specific to microseismic monitoring. We apply this technique to multiple microseismic events from several treatments within a buried array. The joint inversion of selected events shows a largely reduced RMS error indicating that we can obtain robust estimates of anisotropic parameters, however we do not show improved source locations. For joint inversion of multiple microseismic events we obtained Thomsen anisotropic parameters ε of 0.15 and δ of 0.05, which are consistent with values observed in active seismic surveys. These values allow us to locate microseismic events from multiple hydraulic fracture treatments separated across thousands of metres with a single velocity model. As a result, we invert the effective anisotropy for the buried array region and are able to provide a more consistent microseismicity mapping for past and future hydraulic fracture stimulations.