随机-均匀介质散射波特征相干分析研究

基于统计学方法建立了随机-均匀介质模型,利用有限差分法进行正演模拟,根据地震剖面中散射波同相轴随着模型横向自相关长度的增大其连续性逐渐变好的特点,通过相干技术研究了散射波同相轴的连续性.研究结果表明,当模型横向自相关长度与地震波长比值较小（a/λ<1）时,散射波同相轴连续性较差,其相干值变化不明显;当模型横向自相关长度与地震波长比值较大（a/λ>1）时,散射波同相轴连续性明显变好,其相干值明显增大.     

基于FFT-MA的随机介质建模方法

随机介质是描述地球介质小尺度非均匀性的有效模型,在地震散射波场分析、储层描述等领域具有广泛应用,快速准确的随机介质建模方法是开展相关研究的基础与前提.本文首次将FFT-MA（Fast Fourier Transform Moving Average）算法引入到随机介质建模研究中,分析了该方法与传统随机介质建模方法相比具有的优势,并提出了基于FFT-MA的非平稳随机介质建模方法.建模实验表明,与传统的基于谱分解定理的随机介质建模方法相比,基于FFT-MA的方法在空间域产生随机数序列,使随机数序列与结构参数分离,因此,随机数序列与所建模型存在空间上的对应关系,可以分区域建模和局部修改模型.在非平稳随机介质模型建模时,滑动窗口的大小可以根据自相关长度变化而变化,避免了每个采样点都建立一次完整大小的模型,提高了建模效率.因此,FFT-MA随机介质建模方法能准确构建满足自相关函数要求的平稳及非平稳随机介质模型,具有建模效率高、灵活、实用的优点.

     

垂向非均匀介质的走时反演

本文提出了一种利用反射波走时曲线计算垂向非均匀介质速度和反射界面深度的方法。当在地球表面没有获得来自地下某一深度范围内介质的任何信息时,可以认为这一深度范围内的地震波速度具有连续性。利用来自其底部反射界面的反射波走时曲线,可以计算出该深度范围的地震波速度结构。对三种模型进行了理论计算,所得反演解与真实值较为一致,其中计算出的反射界面深度最为精确。利用本文提出的方法可以计算两个相邻反射面之间的垂向非均匀速度结构,如低速层等。     

基于非均匀化多尺度方法的自组织介质波前愈合效应波场模拟

随机介质表征的地球介质自组织性,体现了地球内部复杂介质的统计性特征,对理解地球内部构造和动力学演化有重要的意义.波前愈合效应是自组织介质散射效应的体现,会导致高频近似射线理论的计算走时和真实波场到时有一定的差异.为了研究射线理论在自组织介质中的适应性范围,本文选取高斯型和指数型自相关函数来描述自组织介质,采用非均匀化多尺度方法进行大尺度地球模型的波场模拟.利用互相关方法求取背景速度场与附加自组织介质速度场之间的波场走时差,并与由射线理论得到的走时差进行比较.结果表明,非均匀化多尺度方法在节省计算时间的同时,又可保持计算精度.介质相关长度越小、波长越长且传播距离越远时,波前愈合效应越强.当相关长度a、波长λ以及传播距离L之间满足a/(λL)1/2≤0.5时,波前愈合效应显著,且随着比值减小两者差异增大,波前愈合效应在增加,在该范围内射线理论计算走时的误差较大.     

介质非均匀性参数对散射波包络的影响

地球内部不同尺度的非均匀体会引起高频地震波的散射,这些散射携带了大量关于地球内部介质非均匀精细结构的信息,可通过研究地震波散射信息来获取地球内部介质结构非均匀性.非均匀介质速度微扰动是造成地震波散射的最主要起因,也是引起地震波尾波和散射波包络展宽的主要因素.     

用散射体波随机反演研究长白山火山区介质非均匀性

观测和研究表明,地球内部存在着不同程度的介质非均匀性,由地震波所揭示的介质非均匀尺度可达8个数量级。根据散射体与地震波长之间的大小关系,将地球内部介质非均匀性分为两类：即大尺度非均匀性（长波长非均匀性）和小尺度非均匀性（短波长非均匀性）。在当代地震学中,用确定性方法研究大尺度非均匀性已是众所共知的事情,目前技术方法也已比较成熟;对小尺度非均匀性的研究则是一个全新的研究领域,其理论探索和方法研究还处于起步阶段,本文重点对3D小尺度介质非均匀性进行了研究。     

高速非均质体多尺度散射的实验研究（英文）

地下介质内部存在着复杂的非均质体,其非均质尺度对地震波传播具有显著影响。本文设计了一组11种直径的玻璃珠高速非均质模型,研究了这种三维非均质体对纵波传播的影响。每个模型中玻璃珠的体积分数（10%）相同,玻璃珠直径在0.18-11mm范围内变化。通过三种基质频率（0.83、0.61和0.34MHz）的超声脉冲测试,分析了纵波随非均质体尺度变化的波场特征及基质波数与非均质尺度乘积（ka）对纵波速度的影响。实验发现,非均质尺度影响波的传播,其波场变化较为复杂,记录的波形、振幅、速度等的变化与非均质尺度有明显的相关性;对于非均质体尺度较大的前向散射,在实验室中观察到明显的直达波与衍射波,这表明对于大尺度非均匀体,不能忽略直达波与衍射波的影响;速度与ka的关系表现出频率依赖性,这主要是由波数k、非均质尺度a引起的速度变化率不同引起的;不论是依据波形、振幅变化规律,还是不同频率速度与非均质尺度a之间的关系,确定的射线近似转换点在ka=10附近;当ka小于1时,速度缓慢变化并逐渐接近有效介质速度;对于速度扰动较大的非均匀介质,实验室测量的射线速度要明显小于微扰理论预测的速度。     

介质非均匀性参数对散射波包络的影响

本文以von Kármán型随机介质为非均匀介质模型,通过数值计算并结合实际观测资料对比分析介质非均匀性参数对散射波包络宽度的影响.结果表明散射波传播距离、频率、介质粗糙程度及介质非均匀体尺度因子的变化均可引起散射波包络的展宽,但散射波传播距离、散射波频率对散射波包络宽度的影响只是表象,而造成散射波包络变宽的根源则是介质粗糙程度及与非均匀体尺度因子;随着介质粗糙程度的增大,介质非均匀体尺度因子对散射波包络宽度的贡献速率增大.     

长白山天池火山区介质非均匀性

高频S波随着传播距离的增大其均方根(RMS)包络逐渐变宽,我们把这种现象称为S波包络展宽现象.S波传播路径上随机分布的非均匀体对S波的多次前向散射和绕射作用是导致S波包络展宽现象的主要原因,因此可用S波包络展宽现象来研究介质非均匀性.本文采用S波包络峰值延时来对S波包络展宽现象进行量化.S波包络峰值延时定义为S波初至与其均方根包络峰值最大值之间的时间差.本文选用长白山天池火山区的小震记录,运用S波包络峰值延时对长白山天池火山口地区的介质非均匀性进行了评价.结果发现长白山天池火山区呈现强烈的介质非均匀性,在0~2 km深度范围内介质非均匀性表现出南部强北部弱的空间分布特征;在2~5 km深度范围内介质非均匀性的空间分布特征与频率具有相关性;天池火山区介质非均匀性具有明显的多尺度特性;强弱非均匀性接触带,往往是地震频发地带.根据地震与非均匀体在空间分布的相对位置,我们认为火山区介质非均匀性可能反映了火山早期喷发堆积物介质结构的差异.     

一类非均匀介质中电磁场的延拓

本文讨论具垂向光滑变化的非均匀介质中电磁场延拓的数学物理问题及稳定化的算法原理。首先从电磁场的基本方程出发,导出了垂向非均匀介质下磁场的垂直分量所满足的二阶偏微分方程,并且依照实际背景将场的延拓问题化归为解相应二阶椭圆型方程的Cauchy问题。接着利用Fourier变换方法得到了场延拓的形式表达式,然后给出了几种特殊垂向非均匀介质下场延拓的精确解析公式。最后,应用正则化方法建立了场延拓的稳定化的公式,给出了所得公式的离散化形式,同时指出了相应正则化参数的选择原则。     

基于方向性滤波的地质体突出显示(英文)

为了突出地质体的轮廓并保证横向分辨率,在进行滤波的同时必须保证地质体的边缘。为此,引入了各向异性扩散滤波技术。该技术的核心思想是沿着边缘的方向扩散滤波,而垂直边缘的方向则不扩散,这样就保证了滤波具有方向性。为了增强该技术的实用性,对各向异性扩散模型的参数进行了讨论,在充分考虑地震分辨率的情况下,给出扩散系数公式,推导分析了扩散门限参数的选取原则。依据本文提出的公式及原则,对XX区的潮道、YY区的砂体进行了突出显示,良好的应用效果证实了本文提出的参数选取原则是合理的。     

On the reconstruction of structural and functional properties in random heterogeneous media

Flow and transport in porous media is determined by its structure. Beside spatial correlation, especially the connectivity of heterogeneous conductivities is acknowledged to be a key factor. This has been demonstrated for well defined random fields having different topological properties. Yet, it remains an open question which morphological measures carry sufficient information to actually predict flow and transport in porous media. We analyze flow and transport in classical, two-dimensional random fields showing different topology and we determine a selection of structural characteristics including classical two-point statistics, chord-length distribution and Minkowski functions (four-point statistics) including the Euler number as a topological measure. Using the approach of simulated annealing for global optimization we generate analog random fields that are forced to reproduce one or several of theses structural characteristics. Finally we evaluate in how far the generated analogons reproduce the original flow and transport behavior as well as some more elaborate structural characteristics including percolation probabilities and the pair connectivity function. The results confirm that two-point statistics is insufficient to capture functional properties since it is not sensitive to connectivity. In contrast, the combination of Minkowski functions and chord length distributions carries sufficient information to reproduce the breakthrough curve of a conservative solute. Hence, global topology provided by the Euler number together with local clustering provided by the chord length distribution seems to be a powerful condensation of structural complexity with respect to functional properties.     

Scattering and attenuation of elastic waves in random media

In seismic exploration, elastic waves are sent to investigate subsurface geology. However, the transmission and interpretation of the elastic wave propagation is complicated by various factors. One major reason is that the earth can be a very complex medium. Nevertheless, in this paper, we model some terrestrial material as an elastic medium consisting of randomly distributed inclusions with a considerable concentration. The waves incident on such an inhomogeneous medium undergo multiple scattering due to the presence of inclusions. Consequently, the wave energy is redistributed thereby reducing the amplitude of the coherent wave.The coherent or average wave is assumed to be propagating in a homogeneous continuum characterized by a bulk complex wavenumber. This wavenumber depends on the frequency of the probing waves; and on the physical properties and the concentration of discrete scatterers, causing the effective medium to be dispersive. With the help of multiple scattering theory, we are able to analytically predict the attenuation of the transmitted wave intensity as well as the dispersion of the phase velocity. These two sets of data are valuable to the study of the inverse scattering problems in seismology. Some numerical results are presented and also compared, if possible, with experimental measurements.     

沂沭断裂带及附近地区分段平均波速比研究

以山东省数字地震台网产出的观测报告为基础,将沂沭断裂带及附近地区划分成4个子区域,利用多台和达法分别计算出了2002年1月至2012年4月各个子区域内中小地震平均波速比,并对其时空分布特征进行了比较.结果表明:(1)郯城—高桥段、莱州湾及附近海域平均波速比略低于孟疃—潍坊段和新沂—宿迁段,沂沭带主干断裂波速比基本分布在1.69 ～ 1.73之间,胶东半岛北部海域(120.5°E以东区域)波速比明显偏低,最低值为1.63;(2)研究区中小地震震源深度与其波速比没有明显相依关系,震源深度优势分布范围为5～20 km,反映了研究区中、上地壳介质的横向不均匀性;(3)波速比计算中,台站数目越多波速比计算误差越小,合适的空间范围的划分能更真实反映介质的变化.     

二维弹性随机介质中的波场特征

通过波动方程的交错网格有限差分正演,模拟了地震波在二维弹性随机介质中的传播及其自激自收时间记录.本文将理论记录剖面分割成三个不同的时间区段,在三个时间区段上分别计算并提取剖面的统计特征.运用正交试验设计和分析方法,本文全面研究了混合型弹性随机介质的五个统计特征（自相关长度、粗糙度因子、扰动标准差、纵波背景速度、纵横波速度比）及其交互作用与各种波场特征之间的关联,并得出了若干结论.     

Variability of volume strain in bounded heterogeneous media

The deformation of the solid matrix affects the fluid pore pressure and flow by altering the pore volume. Such interaction in turn affects the storage of groundwater in the void space. Obviously, this subject is of interest in groundwater hydrology. This paper describes an investigation of the effect of aquifer heterogeneity on the variability of the fluid pressure head and solid's volume strain, where the assumption of a constant vertical total stress leads to a relatively simple relationship between changes in solid's volume strain and fluid pressure head. To solve the problem analytically, focus is placed on the one‐dimensional models. It is found from our closed‐form solutions that the variance and correlation length of the log hydraulic conductivity are important in increasing the variability of pressure head and solid's volume strain. It is hoped that our findings will provide a basic framework for understanding and quantifying field‐scale volume strain processes and be useful in stimulating further research in this area. Copyright © 2011 John Wiley & Sons, Ltd.     

江西省婺源县地质灾害现状与形成机制研究

婺源县是具有悠久历史的古县,也是江西省著名的旅游胜地。本文对其地质灾害现状与形成机制作了深入研究,为有计划地开展地质灾害防治,减少灾害损失,保护人民生命财产安全提供了技术依据。     

用传输线模型法计算非均匀介质中的电场响应

介绍了一种非均介质中电场响应的数值模拟方法.传输线模型法是以惠更斯原理为基础,通过建立麦克斯韦方程中电场和磁场与传输线方程中电压和电流的等效关系,按时间步进的办法来模拟电磁场响应的一种电磁场数值计算方法.从一维介质中电场传播的物理过程出发,导出了点电流源情形下地质介质中电场响应迭代方程;编程计算了非均匀介质中的电场响应,其结果表明,用这种方法对非均匀介质中的电场响应进行数值模拟是行之有效的.     

The effect of random recharge on uniform steady free-surface flow in heterogeneous porous formations

The effect of parametric uncertainty in recharge rate and spatial variability of hydraulic conductivity upon free-surface flow is investigated in a stochastic framework. We examine the three-dimensional free-surface gravitational flow problem for sloped mean uniform flow in a randomly heterogeneous porous medium under the influence of random recharge. We develop analytic solutions for the variance of free-surface position, head, and specific discharge on the free surface. Additionally, we obtain semi-analytic solutions for the statistical moments of head and specific discharge beneath the free-surface. Statistical moments are derived using a first-order approximation and then compared with their parallel in an unbounded medium. The effect of recharge mean and variability on the statistical moments is analyzed. Results can be applied to more complex flows, slowly varying in the mean.