黏弹TTI介质中旋转交错网格高阶有限差分数值模拟

以Carcione黏弹各向异性理论为基础,给出了适用于黏弹性具有任意倾斜对称轴横向各向同性介质(黏弹TTI介质)的二维三分量一阶速度-应力方程,采用旋转交错网格任意偶数阶精度有限差分格式求解该方程,并推导出了二维黏弹TTI介质完全匹配层(PML)吸收边界条件公式和相应的旋转交错网格任意偶数阶精度有限差分格式,实现了该类介质的地震波场数值模拟.数值模拟结果表明:该方法模拟精度高,边界吸收效果好,可以得到高精度的波场快照和合成记录;并且波场快照和合成记录能较好地反映地下介质的各向异性特征和黏弹性特征.     

Propagation of shear waves in viscoelastic medium at irregular boundaries

The aim of the paper is to study the shear wave propagation in a viscoelastic layer over a semi-infinite viscoelastic half space due to irregularity in the viscoelastic layer. It is of great interest to study the propaga-tion of shear waves in the assumed medium having a non planar boundary due to its similarity to most of the real situations. The perturbation method is applied to find the displacement field. The effect of complex wave number on dissipation factor is analysed. Finally, as an application, the result obtained has been used to get the reflected field in viscoelastic layer when the shear wave is incident on an irregular boundary in the shape of parabolic irregularity as well as triangular notch. It is observed that the amplitude of this reflected wave decreases with increasing length of the notch, and increases with increasing depth of the irregularity.     

TTI介质qP波入射精确和近似反射透射系数

介质各向异性是影响振幅随炮检距变化(AVO)的重要因素之一本文将Aki和Richards以及Rüger的方法进行推广,推导出两个弹性倾斜横向各向同性(TTI)介质密接条件下平面波反射和透射系数及其近似式.从位移波函数出发,利用位移连续和应力连续边界条件,建立了TTI介质qP波人射的拟Zoeppritz方程,求解得到精确...     

黏弹性介质中瑞雷波有限差分数值模拟与波场分析

瑞雷面波经常被用来反演地表浅层横波速度,受到越来越广泛的关注。对瑞雷波的研究一般都基于完全弹性介质,而实际地层更接近黏弹性介质,对黏弹性介质中的瑞雷面波进行模拟更具实际意义。本文采用广义标准线性体模型来描述黏弹性介质,并采用交错网格有限差分法对考虑水平自由表面的黏弹介质进行正演模拟,再与弹性介质中的结果进行对比分析。首先采用非线性最优化算法根据期望常数品质因子直接求取松弛时间来拟合常Q模型,并给出广义标准线性固体的具体算例,实施自由表面条件时采用声学-弹性边界近似法,通过剪切模量不变来考虑自由表面上、下横向应力保持连续的条件。对于非自由表面,采用非分裂的多轴卷积完全匹配层来吸收波场。然后对几种典型的数值模型进行正演模拟计算,数值解与解析解的对比验证了本文方法的准确性与有效性,正演结果的对比表明波场尤其是面波频散会受黏弹性影响,因此有必要在面波勘探中考虑黏弹性因素。      

非均匀电磁波在导电媒质界面反射的横向偏移

由电磁场边值关系给出了非均匀电磁波在导电媒质界面反射时反射系数所产生的附加相角. 利用这一附加相角导出了非均匀电磁波在导电介质界面的横向偏移,并进行了横向偏移的相关计算,绘出了横向偏移随入射角的变化曲线. 结果表明：在导电媒质界面反射电磁波的横向偏移随入射角的增大而增大,当入射角接近90°时,电磁波在界面要传播较长时间后才返回第一种媒质. 在同一入射角电场偏振化方向在入射面的电磁波要比电场偏振化方向垂直于入射面的电磁波的横向偏移大,随着电磁波频率的增加横向偏移变小.     

Joint evaluation of fracture azimuth by electromagnetic wave and elastic wave

With the multi-wave, multi-component seismic wave exploration, one can apply the anisotropy of fracture media to analyze the attributes of the fracture media, including the fracture azimuth. In the meantime, the techniques of full-polarimetric electromagnetic wave, including full-polarimetric borehole radar, can also be used to analyze the attributes of the fracture. However, the analysis precision of both the multi-component elastic wave exploration and full-polarimetric electromagnetic wave exploration is prone to the influence of noise and other factors. So far, some researchers have conducted studies on the joint inversion of electromagnetic waves and seismic waves. This paper develops evaluation techniques of fracture azimuth by electromagnetic wave, elastic wave, and joint analysis of coincident elastic reflection and electromagnetic data. Firstly, based on the shear wave splitting of elastic waves, this paper develops a statistical analysis technique which applies Pearson correlation coefficient to count and analyze the azimuth angle of fracture. Secondly, based on the information of electromagnetic polarization rotated by fracture, this paper develops a statistical analysis method of full-polarimetric electromagnetic waves which applies the maximum amplitude ratio between the co-polarization and cross-polarization to analyze the azimuth angle of fracture. Furthermore, based on the analysis result of the elastic wave and full-polarimetric electromagnetic wave, this paper develops a joint analysis technique which adopts the standard deviation. At last, authors in this study conduct joint detection experiments on the coincident fracture medium by using the ultrasonic and full-polarimetric ground penetrating radar. The experimental result indicates that both single geophysical methods are capable of analyzing the fracture azimuth angle, but the joint analysis is more accurate.     

随钻四极源声波测井多模式采集测量TTI地层各向异性的研究

本文应用三维柱坐标时域有限差分方法模拟了多极子随钻声波测井的波场,提出了在横向各向同性（TI）慢速地层倾斜井中,使用四极源激发、多模式采集进行各向异性参数反演的方法.模拟结果表明：在强各向异性地层大角度倾斜井中使用四极源能够激发出多极模式波,并且井孔内的声场会随着声源方向角β（声源方向和快横波偏振方向的夹角）的改变而发生变化.使用四极子采集方式记录时,可以发现波形会分裂成快慢两种波;并且在声源方向与地层快横波偏振方向成45°时,分裂的两种波形的速度更趋近于地层快慢横波波速,用此可反演地层各向异性值大小.使用单极子采集方式记录时,其波形能量与声源方向角β大致成cos²2β的关系,在声源方向角为45°时,其波形幅度最小,用此可判断与快横波偏振方向成45°角的方向.使用AC方向（与声源同方向）偶极子采集方式记录时,当声源方向与快横波偏振方向一致时,采集到的波形幅度最小;而与快横波偏振方向垂直时,波形幅度最大,所以通过偶极子采集方式记录的波形可以判断快横波偏振方向.因此,在强各向异性倾斜井中进行随钻四极子测量时,可以使用多模式采集方式来进行地层各向异性的反演.     

TTI介质各向异性参数多波反演与PS波AVO分析

把遗传算法引入到了TTI介质AVO信息反演各向异性参数的过程中,依据TTI介质PP波、PS波反射系数公式,建立Thomsen参数和TTI介质对称轴倾角、方位角的目标函数,分别通过PP波和PS波的反射系数反演出了各向异性参数和对称轴倾角、方位角等信息.文中对反演结果的精确度和稳定性进行了分析,发现PS波的反演结果优于PP波反演结果;对称轴倾角的反演准确性明显优于对称轴方位角.本文通过模型正演合理解释了这一现象的原因.最后,本文通过对PS波AVO梯度的研究,提出了利用PS波振幅定性分析TTI介质对称轴倾角的方法.     

含有倾斜薄裂缝孔隙地层中的井孔声场

应用三维交错网格应力-速度有限差分方法,数值模拟了含有倾斜裂缝孔隙介质地层中点声源所激发的井孔声场问题.为满足薄裂缝计算需求,开发了不均匀网格有限差分算法,提高了计算精度及计算速度.利用将孔隙介质方程参数取为流体极限的办法来处理裂缝中的流体,实现了流体-孔隙介质界面处的差分方程统一,使界面处的计算更加灵活方便.在验证了方法正确性的基础上,分别考察了单裂缝宽度、裂缝带宽度、裂缝倾斜角度以及孔隙介质渗透率等参数的变化对井轴上阵列波形的影响并进行了分析.结果表明,声波经过裂缝时可能产生反射横波及斯通利波,后者随裂缝宽度的减小而减小,而前者随裂缝宽度的改变,变化不大,在裂缝很小(20μm)时依然存在;裂缝带的宽度、密度越大,反射斯通利波越强;当裂缝(裂缝带)倾斜时,反射横波消失,但反射斯通利波受裂缝倾斜角度的影响较小;渗透率的改变对斯通利波的衰减影响较为明显.     

基于二维三分量伪谱法模拟数据的EDA介质中横波分裂研究

为了检测定向裂隙介质中横波分裂的方位属性特征,分析地震属性随裂隙密度和方位变化,采用人工吸收边界和反周期扩展边界,用伪谱法获得不同裂隙密度和不同方位地质模型三分量地面记录;应用时频分析和剪切波偏振分析研究由于裂隙方位和密度引起的横波分裂.结果显示,裂隙密度和方位决定着横波分裂的时差和偏振.快慢横波的延迟时间随裂隙密度增大而增加,不同方位相同裂隙密度的横波分裂时差有微小的变化.在45°方位检测时间延迟时间最大.通过时频分析,可以看到不同方位的瞬时主频有显著的变化,在横波分裂处瞬时主频有明显变化.因此,瞬时主频和快横波的偏振以及延迟时间可以作为裂隙方位和密度的指示.     

SKS波对地壳裂隙各向异性的响应——理论地震图研究

穿透含裂隙、裂缝地壳8s视周期的SV波的理论地震图研究表明,当地壳平均裂隙密度高于0.01即横波各向异性高于1%时,非对称面内不同方位的SKS波均发生分裂;地震图中直接的记录显示是切向T分量上出现SKS波的振动,其振幅随地壳平均裂隙密度的增大而增强,甚至能与径向R分量上的振幅相当.局限于上地壳的强裂缝各向异性同样能引起SKS分裂.长周期SKS波分裂对地壳内裂隙、裂缝的分布缺乏分辨率.直立平行排列裂隙、裂缝使得SKS分裂T分量记录特征具有方位对称性,这来自于HTI介质中快、慢波偏振和到时差随方位变化的对称性;而倾斜裂隙、裂缝使得该方位对称性丧失.对实际观测SKS分裂的偏振解释需要考虑地壳裂隙各向异性,特别是断裂附近的强裂缝各向异性.     

基于黏弹性边界的地震动输入方法和边界条件选择研究

针对地下工程抗震分析中边界条件和地震动输入方式选择问题,对一地下半无限体模型在一剪切波垂直入射条件下进行不同边界条件和不同地震动输入方法的算例试算。结果发现:两侧采用竖直向位移约束、底部采用黏弹性边界、并在模型底部用等效节点力输入地震动的方法,与三边均采用黏弹性边界条件和三边均采用等效节点荷载输入地震动的方法可以获得同样的结果。该方法易于在ANSYS中通过APDL编程实现,可为地下工程抗震分析中黏弹性边界的使用提供便利。     

Anisotropy and temporal variations in the fast azimuth of the fast shear wave beneath southern Kamchatka during 1993–2002

Parameters of split shear waves from local earthquakes in the area of the PET IRIS station (town of Petropavlovsk-Kamchatski) were measured over the period 1993–2002 for the study of anisotropic properties of rocks in the subduction zone and variations in the fast azimuth of the fast shear wave (?). The dominating fast shear wave polarization directions were oriented in 1993–2002 along N90°E ± 20° in agreement with the direction of the Pacific plate motion. The normalized shear wave delay times δt _SS increase to a depth of 150 km. The values of δt _SS are largest (up to 20 ms/km) for earthquakes at depths of 50–60 and 90–150 km and smallest (up to 6 ms/km) for earthquakes at depths greater than 200 km. The fast azimuths for events with H < 80 km are described in terms of a horizontal transversely isotropic (HTI) model of the medium, with the axis oriented northward. Temporal variations in the fast azimuths with an amplitude of up to 90° and a predominant period of about 400–600 days are observed for events at depths of 80–120 km. The anisotropy of rocks is described by effective models of the orthorhombic and HTI symmetries. The predominant fast shear wave fast azimuths from events at depths of 120–310 km vary with time: the polarization axis was oriented to the north in 1993–1995, to the north and east in 1996–1998, to the east in 1999–2000, and to the northeast and southeast in 2001–2002. The anisotropy of rocks can be described in terms of the HTI model with the symmetry axis subparallel to the focal zone dip.     

TTI介质弹性波相速度与偏振特征分析

相速度和偏振方向是研究地震波传播规律和描述介质特性的重要参数,在理论研究和实际应用中有重要作用.本文假定倾斜横向各向同性(TTI)介质对称轴位于观测坐标系XOZ面内,在此观测坐标系下直接推导了TTI介质弹性波相速度和偏振方向的解析表达式,再进一步利用Thomsen弱各向异性理论,推导了弱各向异性近似条件下弹性波相速度以及qP波和qSV波偏振方向表达式.理论分析和数值试例表明,在相速度方面,随着各向异性介质参数改变,qP波和qSH波速度变化较为平缓,qSV波速度变化较为剧烈.弹性波相速度近似式误差均较小,能较好地近似精确相速度.在偏振方向方面,SH波偏振方向只是传播方向和对称轴倾角的函数,而与各向异性参数无关,SH波偏振方向既垂直于传播方向,又垂直于TTI介质对称轴方向.除特定方向外,qP波和qSV波的偏振方向与传播方向均成一定角度,并且随TTI介质对称轴倾角的改变而改变;在精确和近似情况下,qP波和qSV波的偏振方向始终垂直;在精度允许范围内,偏振方向的弱各向异性近似式与理论解析式吻合较好.     

张北5.6级地震前P波出射角和方位角的异常变化

选用了张家口台记录的P波三分向的初动振幅，计算其出射角及方位角的大小。研究了1999年3月11日张北5.6级地震前出射角与方位角出现的异常变化，并对地震前异常现象进行了初步讨论。     

江苏地电台站渗流方位角和极化方位角差异特征分析研究

利用江苏地电台站的地电场和地磁数据,计算各个台站的极化方位角和渗流方位角,其中,渗流方位角分别采用谐波振幅和峰谷值2种方法进行计算,并对计算结果进行分析。结果表明:(1)新沂台和南京台由于台站覆盖层较浅,极化方位角存在线性极化和较多的非线性极化现象;而高邮台和海安台由于覆盖层较厚,极化方位角多数存在非线性极化现象。(2)用峰谷值法与用谐波振幅法计算所得的渗流方位角,两者相差不大,与理想模型间的差距也较小;而极化方位角与模型差距较大。因此,用渗流方位角尝试进行地震映震关系研究是基本可靠的。(3)高邮台的渗流方位角与高邮-宝应M_S4.9地震间具有较好的对应关系。     

The scattering of plane P_1 wave by a 3-D sedimentary basin in a fluid-saturated poroelastic half-space using IBEM

The indirect boundary element method(IBEM) is applied to investigate the scattering of elastic waves around a 3-D sedimentary basin filled with fluidsaturated poroelastic medium. Based on this method, the free field and scattered field can be solved according to the boundary conditions. And the numerical accuracy has been verified. The effects of parameters on elastic wave scattering are studied, such as boundary condition, incident frequency,incident angle and porosity of medium. Numerical results illustrate that the amplification effect of surface displacement near poroelastic sedimentary basin is notable. In addition, for the case of large porosity the drainage condition has a significant impact on the response amplitude. Due to the fluid exchange at the interface under the drained condition, the displacement amplitude can be much larger than that under the undrained condition in present study. The study can provide a theoretical basis for the anti-seismic design of engineering structures located in sedimentary basin.     

三维随钻反射声波成像测井的数值模拟

采用有限差分方法对基于圆弧片状声源和接收器的三维随钻反射声波成像测井进行模拟,研究了反射信号的幅度、相位等参数随方位和源距的变化规律,着重分析了利用该方法在水平井中对地层界面进行探测的可行性.研究结果表明,钻铤的存在使得圆弧片状声源能够向固定方位辐射声场,其主瓣三分贝角宽窄,旁瓣级低,向目的方位辐射的纵波场的幅度约为传统环状声源的0.6倍,适用于三维随钻反射声波成像测井;对于本文计算的井孔模型,反射波信号约为井孔导波信号的1/100;随着源距的增加,反射纵波幅度逐渐减小,转换波(P-SV、SV-P)的幅度先增加后减小,反射SV波的幅度增加,建议在实际应用中,选择合适源距的波形进行处理,并对其他非目的波动进行压制,以期获得更好的成像效果.本文模拟了在水平井中对地层上下界面进行探测的例子,结果显示,反射波纵波信号有较好的方位分辨率,能够准确获得井外波阻抗不连续界面的方位,而且对上、下界面的成像互不影响.     

带正则化校正的TTI介质qP波方程及其逆时偏移方法和应用

各向异性研究对地下介质精确成像有着重要的意义,在当前计算机硬件迅速发展及宽方位地震数据采集日益普遍的情况下,成像必须考虑介质的各向异性.逆时偏移是基于双程波动方程的较为精确的数值解的成像方法,所以相对于其他地震成像方法,它具有很大的优势,譬如不受反射界面的倾角限制、偏移速度结构合适时能够使回转波及多次波正确成像.在各向同性介质中,可使用标量波方程来模拟波场.而在各向异性介质中,P波和SV波是相互耦合的,即不存在单纯的标量波传播,通常利用能代表耦合波场中P波分量运动学特征的拟声波(qP波)进行偏移成像.本文中,我们推导出了TTI介质下qP波控制方程.该方程可采用显式有限差分格式进行求解.通过声学近似,若沿对称轴方向的剪切波速度为零,对于对称轴方向不变且ε≥δ的模型来说,可得到稳定的数值解.但对于TTI介质来说,由于沿对称轴方向各向异性参数是变化的,声学近似会引起波场传播及数值计算的不稳定.因此,我们提出了正则化有限横波的方法,很好地解决了这一问题.最后,给出了Foothill模型的测试结果及某探区实际资料试算结果,展示了采用这个方程进行复杂TTI模型正演和高质量逆时偏移成像结果,证实了该方法的正确性和实际资料应用中的有效性.