与加载和卸载期各向异性应力条件有关的声学各向异性

在人造砂石上的一组试验研究了应力随时间变化对声速的影响。以此了解材料的完整应力时间函数,应力时间函数试验的关键步骤是材料处于应力状态下的粘合,随后是各向异性应力条件下的卸载。试验表明,卸载期间各向异性应力产生声学各向异性——包括剪切波分裂——它在完全卸载以后被保留在材料之中.各向异性与应力对种性一致,并可与裂纹的开裂相连系.裂纹的初始取向垂直于最小主应力.     

致密储层岩石应力各向异性与材料各向异性的实验研究

本文在实验室中对四组来自不同地区的致密砂岩和页岩的波速和波速各向异性开展了研究.结合扫描电镜分析和波速应力敏感性测试,分析了引起致密砂岩和页岩各向异性的主要影响因素及规律.研究结果:(1)层理和微裂隙是引起致密砂岩各向异性的主要影响因素,而页岩的各向异性主要由定向发育的矿物成分导致,本研究中所用的致密砂岩各向异性强于页岩的各向异性.(2)平行地层方向的岩石波速高于垂直地层方向的岩石波速,超声波速随着应力增加而增加(3)波速各向异性随应力的变化分为两阶段,第一阶段随应力增加而减弱的应力各向异性,与定向排列的微裂隙相关.第二阶段随应力不再发生变化的材料各向异性,与基质中的矿物成分相关.(4)利用体积应变获得的裂隙孔隙度,以及矿物成分含量验证了这两类各向异性,应力各向异性与裂隙密度成正比,材料各向异性与黏土矿物含量线性相关.(5)根据波速各向异性随应力变化的两阶段,可以定量区分裂隙和基质(矿物)对岩石各向异性的影响,研究结果对体积压裂的裂缝扩展具有重要的意义.     

变形组构引起的超高压榴辉岩地震波速各向异性

超高压榴辉岩通常显示了强塑性变形和地震各向异性特征. 对实验和天然变形超高压榴辉岩中主要矿物的地震波速性质及其变形晶格优选方位(CPO)与榴辉岩地震波速和各向异性之间的成因关系研究结果表明: (1) 除石榴石表现为近地震波速各向同性外, 榴辉岩中其他矿物都具有强地震各向异性(AV_p = 23.0%~40.9%, Max. AV_s = 18.5%~47.1%), 是造成榴辉岩地震各向异性的主要来源矿物, 石榴石和金红石的平均地震波速相对较高, 绿辉石和柯石英中等, 石英最小; (2) 变形榴辉岩最大纵波波速(8.33~8.75 km/s)方向近平行变形线理或面理, 最小纵波波速(8.25~8.62 km/s)近垂直线理或面理, 纵波波速各向异性1.0%~1.7%, 平均横波波速4.93~4.97 km/s, 其各向异性在同时与线理和面理成近45°方位接近最大(0.73%~1.78%), 在面理面上接近垂直线理方位达到最小, 横波快波极化取向近平行面理. 超高压峰值变质条件(3~5 GPa, 900~1100℃)下榴辉岩地震纵波和横波波速预计比常温常压下分别高出3.4%~7.2%和6.3%~12.1%; (3) 绿辉石矿物组分主导了榴辉岩各向异性基本特征, 而石榴石矿物组分则起到了降低榴辉岩各向异性程度和增加地震波速的作用, 石英矿物组分对榴辉岩地震各向异性影响不大但可以一定程度上降低榴辉岩的地震波速, 金红石矿物组分的作用基本可以忽略; (4) 榴辉岩地震波速在纯石榴石岩中最大但各向异性接近于零, 随绿辉石含量的增加, 地震波速逐步降低, 各向异性逐步升高, 纯绿辉石岩比纯石榴石岩地震波速低6%~8%, 而各向异性则达到3%~4%. 根据榴辉岩组成矿物的单晶弹性性质和变形CPO计算的榴辉岩地震物性与前人实测结果基本相当. 研究成果获得了超高压变形榴辉岩的三维地震物性资料和相关的矿物物理成因解释.     

伊朗中东部Ghaen-Birjand地区上地壳各向异性研究c

通过对1997年5月10日Zirkuh ( Ghaen-Birjand )破坏性地震若干余震横波分裂现象的观测，研究了该地区上地壳各向异性特征. 采用质点运动图和纵横比两种不同手段获取了横波分裂参数. 所选余震记录显示了明显的横波分裂，说明该地区介质具有强烈的各向异性. 通过质点运动的方法得出:快横波的偏振方向为22N19E；且快、慢横波的延时之差为6516 ms. 用纵横比的方法得到的结果为:快横波的偏振方向35N18E, 且快、慢横波的延时之差为(4910)ms. 对于厚约5 km各向异性均匀分布的水平层， 我们采用了一个沿应力分布的裂纹模型，并采用垂直于N22E排列, 且密度为0.01的裂纹情况来解释本文结果. 由于研究范围是上地壳，因此假设裂纹被水填充. 最后通过Hudson模型，对裂纹密度为0.005, 0.01和0.03的模型，给出横波速度随传播方向与裂纹对称轴夹角的变化曲线. 结果表明，当横波的偏振平行于裂纹表面时波速不随角度变化；而偏振垂直于裂纹表面时，速度曲线则有明显变化.      

高温高压下岩石弹性波速特征及其在深部地质研究中的意义

本文收集、整理、研究了７０年代以来的高温高压下岩石的Ｖｐ，Ｖｓ，Ｖｐ／Ｖｓ，Ｖｐ各向异性等实验资料后得出：（１）低压下岩石Ｖｐ的急剧变化是由岩石中裂纹与孔隙等引起的；（２）温度升高可增大由岩石组构引起的Ｖｐ各向异性的变化率；（３）同种岩石在不同的大地构造环境中具有不同的波速值与变化规律；（４）Ｖｐ在高地温区随温度先降低而后升高，其原因是由矿物相变造成的，与地壳中低速带的性质相当。文章最后讨论了实测波速转换为岩石类型时实验研究岩石波速的意义。     

俯冲带主要含水矿物弹性波性质研究现状及展望

俯冲带中的含水矿物对物质循环和水迁移等有着极其重要的作用,同时也是俯冲带中的地震波速异常的主要原因．本文总结了近20年来,国内外对俯冲带三种主要含水硅酸盐矿物（蛇纹石、绿泥石和角闪石）弹性波速研究取得的重要成果：含水矿物普遍具有低波速、高各向异性的特点;压力增加波速增加,但波速各向异性降低．富含水矿物的岩石,波速各向异性随着含水矿物含量的增加而增大,同时受到含水矿物晶格择优取向（LPO）类型以及岩体中裂隙的影响．含水矿物LPO引起的地震波速各向异性特征与俯冲的角度有关,在低角度的俯冲带中会引起垂直于海沟方向的快速传播,而在高角度的俯冲带中引起平行于海沟方向的快速传播．文章最后针对目前俯冲带中含水矿物弹性波速研究中存在的问题,提出了未来需要在三个方面加强研究．     

天山造山带地区瑞利面波相速度与方位各向异性

天山造山带作为世界上陆内最大的造山带之一,现今地震活动频繁,造山运动强烈,是开展陆内造山和内陆地震活动研究的天然试验场.本文利用整个天山造山带地区国内及国际台网的108个地震台站连续三年的背景噪声资料,提取了8~50 s周期的瑞利面波相速度频散曲线,并构建了整个天山造山带地区的二维瑞利面波相速度与方位各向异性分布图像.结果表明：浅部结构与地表的地质构造单元具有较大的相关性.低波速异常主要分布于沉积层厚度较大的盆地地区,而高波速异常主要分布于构造活动比较活跃的山脉地区.东天山地区中下地壳存在比较弱的低波速异常,而塔里木盆地和准噶尔盆地汇聚边缘的上地幔区域则表现为明显的高波速异常,各向异性快波方向呈现近NS向的特征,暗示着塔里木盆地和准噶尔盆地的岩石圈已经俯冲至东天山的下方.中天山地区的中下地壳至上地幔区域均呈现为明显的低波速异常,且各向异性快波方向变化比较复杂,表明中天山地区的整个岩石圈结构已经弱化,热物质上涌可能对介质的方位各向异性有一定的影响.西天山及帕米尔高原的上地幔区域存在低波速异常,各向异性表现为NW-SE方向,可能与欧亚板块的大陆岩石圈南向俯冲有关.塔里木盆地内部存在相对弱的低波速异常,推测塔里木盆地可能已经受到上涌的地幔热物质的侵蚀和破坏.     

山西裂谷带地壳岩石波速的研究

通过实验建立了岩石成分与波速的关系,波速和岩石的各向异性,矿物相变在波速曲线中的反映以及实验温度和压力对波速的影响,尤其得到了高温下的新资料.用实验数据结合地球物理、地质资料建立了山西裂谷带与相邻太行山隆起区地壳各层圈的物质组成,对比说明,两构造单元下地壳的岩石组成是不同的.最后分析了盆地下地壳中部的组成、水和环境条件,认为低速带是由岩石部分熔融造成的.     

套管井应力集中诱导井周波速各向异性的研究

针对在套管井中应用正交偶极声测井检测地层各向异性和确定异常构造应力的需要, 本文通过求解水平构造应力作用下套管井的应力场分布,应用声弹性理论说明应力集中对套管井井周弹性波速空间分布的影响,分析了波速空间分布对加套管后的正交偶极各向异性声测量的影响.井孔、套管、水泥环和地层系统的复杂性改变了原裸眼井情况地层中的应力场分布,使应力集中的范围明显缩小到井眼附近.对应不同方位径向偏振横波的交叉点向井孔附近移动.横波波速空间分布的方位极值规律发生变化,但纵波波速空间分布的方位极值规律不变,仍能提供最大远场构造应力施加的方向.     

横观各向同性页岩岩石物理模型建立——以龙马溪组页岩为例

在龙马溪页岩微观物性特征分析的基础上,综合利用测井解释、微观测试分析资料,建立了一种适用于龙马溪页岩的横观各向同性岩石物理模型,该模型建模过程：将各向异性SCA和DEM模型联合模拟得到的黏土和干酪根混合物作为背景介质;采用SCA模型对脆性矿物混合物进行模拟,利用各向异性DEM将脆性矿物混合物添加到背景介质;进一步将空孔隙添加到页岩基质,并利用Brown-Korringa模型进行各向异性条件下的流体替换,从而得到横观各向同性页岩岩石物理模型.通过对四川盆地A井龙马溪页岩进行岩石物理建模分析,计算了孔隙纵横比、纵横波速、各向异性系数和弹性参数,检验了模型的准确性.研究结果表明：矿物颗粒和孔隙纵横比是影响模型精度的关键参数,黏土和干酪根颗粒纵横比为0.05,图像识别获得的脆性矿物颗粒纵横比主要分布于0.45~1.0（集中分布于0.5~0.85）,横波波速反演获得的孔隙纵横比主要分布于0.1~0.3（平均值约为0.22）;模型预测和实测纵波波速之间误差为-2.40%~2.21%（平均绝对误差仅1.20%）,预测和实测横波波速之间误差为-1.93%~1.42%（平均绝对误差仅0.64%）,证实了本文模型的准确性和精度.本文模型能够准确计算页岩5个独立的刚度系数,为页岩弹性参数、声波波速、各向异性和脆性分析提供了有效手段,也为后续地球物理和工程地质参数分析提供了重要依据.     

Effect of crack aperture on P-wave velocity and dispersion

We experimentally studied the effect of crack aperture on P-wave velocity, amplitude, anisotropy and dispersion. Experimental models were constructed based on Hudson’s theory. Six crack models were embedded with equal-radius penny-shaped crack inclusions in each layer. The P-wave velocity and amplitude were measured parallel and perpendicular to the layers of cracks at frequencies of 0.1 MHz to 1 MHz. The experiments show that as the crack aperture increases from 0.1 mm to 0.34 mm, the amplitude of the P-waves parallel to the crack layers decreases linearly with increasing frequency and the P-wave velocity dispersion varies from 1.5% to 2.1%, whereas the amplitude of the P-wave perpendicular to the crack layers decreases quadratically with increasing frequency and the velocity dispersion varies from 1.9% to 4.7%. The variation in the velocity dispersion parallel and perpendicular to the cracks intensifies the anisotropy dispersion of the P-waves in the crack models (6.7% to 83%). The P-wave dispersion strongly depends on the scattering characteristics of the crack apertures.     

IN SITU SEISMIC MEASUREMENTS OF CRACK ANISOTROPY IN THE CARBONIFEROUS LIMESTONE OF NORTHWEST ENGLAND*

Seismic velocity anisotropy is predicted for cracked rocks containing either a naturally-occurring or an artificially-induced preferred orientation of cracks. Methods developed for the study of velocity anisotropy in the uppermost mantle have been applied to the in situ measurement of P-wave velocity anisotropy in fractured Carboniferous Limestone in Northwest England. At three different sites, first-arrival travel-time data has been obtained using conventional refraction equipment and a weight-drop source. Velocity anisotropy of 15–29% is identified with directions of maximum and minimum velocities that can be broadly related to previously mapped orientations of joints.     

Azimuthal anisotropy of the P-wave velocity in the hypocentral volume of the Krn Mt. (Slovenia) earthquake sequence

Azimuthal anisotropy of P-wave velocity in the hypocentral volume of the Krn Mt. (Slovenia) earthquake sequence is measured using the differences of travel times and of travel paths of the Pg-phase towards the recording stations of the local and regional networks. The observed velocity varies between 6.0 km/s in the ENE–WSW direction and 6.4 km/s for waves propagating NNW–SSE. These directions closely match those of the mean regional principal stress components obtained from individual fault-plane solutions for events from the Krn Mt. sequence. A large part of observed anisotropy may be explained if hypocentral volume is assumed to be pervaded by a system of vertical/subvertical extensive-dilatancy anisotropy (EDA) cracks aligned under the influence of local tectonic stress field.     

气煤弹性各向异性系数实验测试

气煤裂隙丰富,具有弹性各向异性,确定气煤弹性各向异性类型与大小,对煤田各向异性研究具有重要意义. 本文在对气煤煤样孔隙率测试的基础上,测量了顺煤层面、垂直于煤层面、与煤层面成45°三个方向上纵波速度（V_P）和横波速度（V_SH、V_SV）,计算弹性常数. 对于具有垂向对称轴横向各向同性模型,各向异性系数平均值|ε|≤0.2、|δ|≤0.2和|γ|≤0.2,表明气煤是弱各向异性介质;对于横向对称轴横向各向异性模型,各向异性系数平均值ε(V)≈δ(V),按照Thomsen观点气煤各向异性是由椭圆裂隙引起弹性各向异性.本文还讨论了各向异性系数与孔隙率的关系,表明各向异性的大小与孔隙率之间有一定的关系. 因此当煤层厚度与其顶底板岩性不变或变化很小,可以认为气煤各向异性主要由裂隙引起的,气煤各向异性大小和方向能够反映煤的裂缝密度和方位.     

Numerical analysis of seismic wave propagation in fluid-saturated porous multifractured media

Elastic wave propagation and attenuation in porous rock layers with oriented sets of fractures, especially in carbonate reservoirs, are anisotropic owing to fracture sealing, fracture size, fracture density, filling fluid, and fracture strike orientation. To address this problem, we adopt the Chapman effective medium model and carry out numerical experiments to assess the variation in P-wave velocity and attenuation, and the shear-wave splitting anisotropy with the frequency and azimuth of the incident wave. The results suggest that velocity, attenuation, and anisotropy vary as function of azimuth and frequency. The azimuths of the minimum attenuation and maximum P-wave velocity are nearly coincident with the average strike of the two sets of open fractures. P-wave velocity is greater in sealed fractures than open fractures, whereas the attenuation of energy and anisotropy is stronger in open fractures than sealed fractures. For fractures of different sizes, the maximum velocity together with the minimum attenuation correspond to the average orientation of the fracture sets. Small fractures affect the wave propagation less. Azimuth-dependent anisotropy is low and varies more than the other attributes. Fracture density strongly affects the P-wave velocity, attenuation, and shear-wave anisotropy. The attenuation is more sensitive to the variation of fracture size than that of velocity and anisotropy. In the seismic frequency band, the effect of oil and gas saturation on attenuation is very different from that for brine saturation and varies weakly over azimuth. It is demonstrated that for two sets of fractures with the same density, the fast shear-wave polarization angle is almost linearly related with the orientation of one of the fracture sets.     

A COMPARISON OF LABORATORY AND FIELD MEASUREMENTS OF P-WAVE ANISOTROPY1

P-wave velocity anisotropy determined from a cross-hole survey at the Imperial College borehole test site compares favourably with that measured in the laboratory on core from the holes. The holes penetrate a layered sequence of sandstones, shales and carbonates of the Namurian Upper Limestone Group. The Laboratory measurements of the vertical and horizontal velocities of core samples indicate that the shales exhibit P-wave anisotropies of over 20% but that the sandstones and limestones are only slightly anisotropic. These discrete measurements have been used in combination with wireline data to produce a log of P-wave anisotropy. Including the anisotropic information vastly improves the match between observed and synthetic traveltimes from the cross-hole data set. This implies that there is little frequency dependence of intrinsic P-wave anisotropy. Inversion of the cross-hole traveltimes highlights the need for good angular coverage in order to resolve the anisotropy parameters. The observed P-wave anisotropy of the field data is due to the combined effect of sedimentary layering and the intrinsic anisotropy of the rocks. The intrinsic anisotropy is found to be the dominant factor.     

正交各向异性介质P波走时分析及Thomsen参数反演

对于包含有垂向裂缝的横向各向同性地层或含有多组正交裂缝的各向同性地层，正交各向异性介质模型是最简单的与实际地层相符的方位各向异性模型.本文对单层水平反射界面正交各向异性模型采用射线追踪法计算了全方位角变化的P波走时，时距曲线表现出强方位各向异性.采用小生境遗传算法，对三条成一定角度的测线的走时信息进行速度和各向异性参数反演.模型算例表明，此方法可以得到高精度的裂缝方位角、P波垂直速度和较高精度的Thomsen各向异性参数.     

怀来、 延庆及其周边地区地壳 介质各向异性研究

提出了利用人工爆破P波走时反演地壳介质方位各向异性参数的方法. 在假定介质是弱各向异性介质的情况下, 使用扰动理论得到了线性化的反演公式, 其中待反演的弱各向异性参数是P波走时的线性函数. 如果在反演公式中参考走时取相同震中距接收点的P波平均走时, 那么所获得的弱各向异性参数与参考介质速度的选取无关. 反演得到的弱各向异性参数可以看作是不同震中距和不同深度范围内介质的等效弱各向异性参数. 等效弱各向异性参数在一定程度上反映了不同深度范围内水平方向相速度随方位的变化. 这种变化可能是不同时期构造应力作用的结果. 2007年中国地震局在首都圈怀来地区实施了一次大吨位人工爆破实验, 以爆破点为中心, 布设了高密度的地震观测台网和台阵. 台站相对于爆破点具有360°的全方位覆盖, 所得到的地震记录数据为研究怀来、 延庆地区地壳介质P波方位各向异性提供了必要条件. 我们通过走时反演获得了与水平方位相关的弱各向异性参数, 并对弱各向异性参数进行坐标变换, 得到了能够直观描述岩石弱各向异性的具有水平对称轴的横向各向同性介质, 给出了对应的3个独立弱各向异性参数及其对称轴方位, 讨论了介质各向异性与构造应力场的关系. 结果表明该地区地壳介质存在明显的方位各向异性, 其最大值约为4.6%.      

华北地区韧性剪切带几种岩石的波速各向异性高温高压实验研究

对华北地区韧性剪切带几种代表上、中、下地壳深度的糜棱岩及其围岩在高温高压条件下进行纵波速度测定及各向异性研究．对实验样品的纵波速度测定得到以下结果：１．沿糜棱岩面理方向的纵波速度大于与面理垂直方向的纵波速度，差值为０．１５-０．３０ｋｍ／ｓ，各向异性为３％-５％；２．糜棱岩的纵波速度低于其围岩的纵波速度，差值为０．１０-０．４５ｋｍ／ｓ；３．中地壳角闪岩相糜棱岩的纵波速度各向异性高于上地壳绿片岩相糜棱岩和下地壳麻粒岩相糜棱岩的各向异性；４．地震波速各向异性与糜棱岩矿物优选定向有关．     

不同围压下岩石中泊松比的各向异性

由弹性波纵横波速比计算得到的泊松比,在利用地震波反演地下结构和物质组成时,可以提供比单纯地利用纵波或者横波波速更强的约束. 为了研究不同岩石中泊松比及其各向异性随围压的变化,选取19块典型的岩石样品,在不同围压下沿相互正交的3个方向同时测量纵、横波速度,并通过计算得到了泊松比及其各向异性. 结果表明,在大部分样品中泊松比各向异性与纵波速度各向异性有一定的相关性,但在有的样品中泊松比各向异性与纵波速度各向异性没有明显的关系,甚至表现出完全相反的变化规律. 由于泊松比也表现出很强的各向异性,在排除微裂隙的影响后有的仍可以达到30髎以上,在利用实际地震波传播数据通过泊松比反演地下物质结构时必须考虑其各向异性的影响.