地震各向异性——多组裂隙对横波偏振的影响

通过对多分量地震资料的分析,我们发现随着频率的增加横波分裂时差减小.对于深部接收的VSP数据来说快横波的偏振方向保持不变,而对于浅层接收的VSP数据来说偏振方向却存在一个最大可以达到20°的旋转.尽管多尺度随机分布微裂隙岩石物理模型已经成功地模拟并解释了横波分裂时差随频率变化的现象,却不能解释与频率相关的横波分裂.据推测,如果微裂隙的排列方向和大裂隙的排列方向不同,利用低频信息获得的偏振方向将指示裂隙主方向,而利用高频信息获得的偏振方向则指示微裂隙方向.在背景多孔隙介质中存在多组裂隙的情况下,推导出垂直入射条件下横波偏振方向的解析式,给出了系统研究横波在介质中传播的方法.研究结果表明,横波偏振方向会随着频率的变化而变化,并且在入射方位、角度一定的条件下,是裂隙方位和密度的函数,这些认识可能有助于揭示观测到的、依赖频率变化的横波偏振现象.     

S波偏振方法在确定汶川8.0级地震震源深度中的应用

当横波进入由微裂隙和微孔这些比波长小的非均匀物质组成的岩石中,分裂成两个以不同方向偏振的组成部分.这两列波的偏振与裂隙面成平行和垂直方向,并以不同的速度传播.由于速度的不同,使这两列偏震波在裂隙介质的传播中产生“分裂”,横波分裂,使得横波波形产生一种新特征,即它离开裂隙区后仍然保持其偏振方向不变.地下几千米处,裂隙有垂直的也有不垂直的.     

裂隙张开度对地震波特性影响的模型研究

基于Hudson裂隙理论中等效裂隙模型假设,在均匀介质中嵌入定向排列的薄圆片充填物可构成裂隙介质模型.通过改变充填物薄片的厚度,模拟裂隙的张开度,观测其对纵横波传播的影响.在实验室内用环氧树脂作裂隙模型的基质材料,含硅橡胶的混合低速材料做裂隙充填物.当每个模型中裂隙的直径和个数相等时,仅改变裂隙的厚度,形成了一组相同裂隙密度的裂隙模型.采用超声波脉冲透射法获得了平行和垂直裂隙方向纵横波传播的时间和波形记录.实验表明,在相同裂隙密度条件下,裂隙张开度的变化对纵横波的速度和振幅都有影响,其中纵波振幅的变化比速度变化大得多.横波速度的变化主要反映在慢横波上,振幅的变化快横波比慢横波大.这些特征对地震资料的处理和解释有一定的指导意义.     

地震波在粘弹性各向异性地壳介质中的传播及其应用研究

实际地球介质中普遍存在着多尺度、多取向、填充各种流体的孔隙、裂隙和裂缝,这种介质常常被称为双相介质或多相介质。裂隙及其填充流体的存在一方面使得介质的弹性模量(体模量和剪切模量)减小,改变流体输运性质,另一方面也导致地震波传播的各向异性、衰减和频散。介质的双相和各向异性特征是现代地球物理学的两个难点。一般各向异性弹性介质的弹性矩阵有21个独立参量,满足Christoffel方程;在高频近似条件下,满足射线追踪方程。然而直接求解波动方程往往十分困难,常常不能得到解析解。考虑到实际地球介质大多是弱各向异性,因此可以利用扰动理论近似描述,将相速度、偏振矢量线性化并表示为弱各向异性参数(Weakly Anisotropy,WA)的形式。我们给出了TTI介质中qP波的相速度和偏振矢量的弱各向异性参数线性化反演公式。20世纪70年代以来,科学家们通过地震波速度的方位各向异性、横波分裂、接收函数法、面波偏振等方法研究地球介质的各向异性。其中横波分裂方法是各向异性最直观的表现,具有相对简单、横向分辨率高、对裂隙密度及纵横比较敏感等优点,是研究介质各向异性性质的一种主要方法,也是研究大构造(如岩石圈等)的重要手段。本文以EDA(Extensive Dilatancy Anisotropy),APE(Anisotropic Poro-Elasticity),Chapman多尺度模型为例介绍了双相介质中的等效介质模型。EDA、APE理论的研究对象是微观尺度的单组微裂隙,其裂隙密度定义为张性扩容各向异性。EDA被认为是地壳各向异性的主要因素,当横波通过这种介质会分裂成快慢横波,且快横波的优势偏振方向往往与区域最大水平应力相同。基于SOC(Self Organized Criticality)理论双相介质的破裂特性,可以对由于应力作用处于临界状态下的微裂隙与流体的动态特征进行描述的APE模型表明,横波分裂对地壳介质的微裂隙的几何特征(如裂隙的纵横比)十分敏感,而微裂隙的几何特征变化对应力场的变化十分敏感。因此将横波分裂结果在地震前后的变化解释为横波对地应力场变化的响应,并提出可以利用这一特征进行应力检测。在不同地质构造时期,由于区域应力场的作用,可能导致实际地球介质中的微裂隙是多尺度的,并且有多个优选方向。本文介绍的Chapman多尺度模型将中等尺度断裂加入分析中,并考虑两种尺度的微裂隙和裂缝之间的相互作用,获得了频率相关的等效弹性矩阵。通过引入复数弹性张量,可考虑各向异性粘弹性介质的波动理论。由于弹性矩阵的虚数部分的引入,且是频率相关的,因此解析解的计算比一般各向异性弹性介质更加复杂。在高频近似时,可将一般各向异性弹性介质的射线追踪方程以及扰动理论应用到弱各向异性弱衰减(Weakly Anisotropy-Attenuation,WAA)介质中,此时其固体骨架由各向同性变为各向异性介质,且弹性矩阵的扰动由实数变为复数。本文给出了P波在一般WAA介质中随方位衰减的线性化反演公式。通过2个、3个、6个等方位间距的剖面组成的walkawayVSP模拟实验,使用TTI模型和一般各向异性模型对模拟数据进行了反演,验证了反演公式的正确性和可靠性。然后,对一个来自JavaSea的由三条剖面组成的walkaway VSP实际观测数据进行了反演计算,获得了钻井中不同深度检波器处的WA参数。中国地震台网中心测定,北京时间2008年5月12日14:28:04,在青藏高原东缘龙门山推覆构造带上发生了逆冲为主带有少量右旋、挤压型M S8.0大地震(31.01°N,103.42°E)。为提高时频分辨率,分析时频局部化信息,引入Meyer-Yamada正交小波基MYW。在粘弹性各向异性线性化理论的基础上,运用小波分析方法对以汶川地震为中心,200km为半径的范围内的地震进行了分析,获得了汶川震中区9个固定台站的P波小波波谱的平均衰减结果和方位各向异性衰减结果。该方法能够有效利用小震数据研究震源区介质各向异性随时空的变化规律,具有广阔的应用前景。     

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.     

含裂隙双相各向异性介质中的地震波传播

基于各向异性介质和含裂隙双相介质中的地震波传播理论,导出了具有四阶对称轴的含裂隙双相各向异性介质的本构关系与波传播的运动方程．指出在含裂隙双相各向异性介质中可能传播６种类型的准纵横波,即快纵波ＱＰ１,慢纵波ＱＰ２,两个分裂的快横波ＱＳＶ１,ＱＳＨ１和两个分裂的慢横波ＱＳＶ２,ＱＳＨ２．并以平面波传播为例作了进一步分析     

YC地区转换波数据处理及裂隙预测

裂隙介质的横波响应能提供对裂隙走向与密度一种直接测量.为了探测YC地区裂隙型储层特征,在该区进行了纵波源三分量数据采集.经过精细地处理,YC地区转换波成像质量得到了改善.以此为基础,对该区的裂隙特征进行了预测.预测结果与本区的应力场分析和钻井揭示的裂隙特征比较吻合.本文所介绍的一些关键转换波资料处理技术、解释方法和分析结论对今后陆地转换波勘探有一定借鉴作用.     

玉树地震震源区Pg波方位各向异性及其意义

地壳介质中,特别是上地壳广泛存在着微裂隙,如果这些微裂隙定向排列,在宏观上就形成了各向异性介质,当地震波通过时就会产生特殊的现象,对剪切波而言就会发生横波分裂,对P波而言则会看到随方位的变化.利用玉树地震的余震数据,通过层析成像的方法研究震源区附近P波速度的横向变化和方位各向异性变化,探讨微裂隙的分布及意义.     

孔隙裂隙型砂岩横波速度预测方法

在地震资料的AVO分析以及储层预测的流体识别分析等中需要横波速度信息,然而目前多数地区缺少横波速度测井,既没有岩石物理测试也没有VSP提供的横波速度信息.以往AVO和储层反演中的横波速度通常依靠经验公式或从纵横波波速度比为常数的假设中得到.这些经验公式往往精度很低,对于AVO特性包括弹性阻抗等特性描述不准确.特别是对储层中流体变化引起的AVO异常无法准确描述.为了获得准确的横波速度信息,我们采用Gassmann方程为基础的孔隙介质理论以及Lee提出来的方法建立了孔隙介质的横波速度模型.以此模型为基础,利用Thomsen的裂隙介质理论建立更加符合实际的含有裂隙的孔隙砂岩模型.预测的横波速度与实际的横波速度的对比证明了本文方法的有效性.     

地震各向异性流体检测技术在胜利油田垦71井区的应用(英文)

根据Chapman理论模型,在各向异性介质(如HTI介质)中,当入射角在0-45。范围内,慢横波会发生较大的衰减和频散,且对流体粘度敏感,而P波和快横波则比较小。对于沿裂隙法向传播的慢横波,其振幅受流体影响很大。因此,在P波响应对流体不敏感的情况下,可利用慢横波来获得裂隙型油气藏的流体信息。本文分析了胜利油田垦71地区三维三分量地震数据,检测出的慢横波振幅和旅行时异常与该区的测井资料十分吻合。分析结果还发现,与含油区相比,含水区会产生更高的横波分裂。在含水区,慢横波振幅会产生明显变化,而在含油区则几乎没有变化。     

EXAMINATION OF A SPECTRAL METHOD FOR MEASURING THE EFFECTS OF ANISOTROPY1

The most diagnostic effect of anisotropy on shear waves is shear-wave splitting. This phenomenon creates a distinctive signature in the 3D particle motion. Methods to extract the effects of anisotropy from shear-wave data attempt to measure details of this motion. Many techniques have been published recently which process the shear waves in the time or frequency domain. Here we examine the way in which information on the interference effects between the split shear waves is contained within the frequency domain, and suggest some criteria which may be used in future processing algorithms. The time-delay between the split shear waves, and the polarization direction of the leading shear wave can be converted into easily measured features from analysis of the Fourier spectrum of the shear-wave signal on each component of motion. These features arise in the spectral interference patterns which are formed by the interaction between the two closely-spaced and similar waveforms. The interference patterns are interpreted for synthetic and observed seismogram data.     

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.     

利用随钻正交偶极子声波测井评价地层各向异性的数值研究

在随钻测井条件下,由于钻铤占据了井孔内的大部分空间,充液井孔中沿着井轴方向传播的模式波的特性与电缆测井非常不同.本文建立了随钻正交偶极子测井声学模型,采用三维有限差分方法模拟了偶极子声源在随钻条件下各向异性地层井孔内激发的声场,研究了地层的声学各向异性在随钻正交偶极子声波测井中的响应特征.数值模拟结果表明,在随钻测井条件下,对于井轴同TI地层对称轴垂直的情况,弯曲波分裂现象仍然存在,通过正交偶极子测量方式和合适的反演算法能够准确有效地确定地层的快横波方位角,可以考虑采用同正演理论相结合的反演算法来获得地层的快、慢横波速度及声学各向异性信息;对于井轴同介质对称轴呈一定夹角的TI地层井孔,情况变得非常复杂,不同井斜倾角下弯曲波的速度的变化趋势并非同对应的地层横波速度的变化趋势完全一致,不过在一定的频段内,地层横波速度仍然是弯曲波的最主要控制因素.对于本文研究的模型,当井轴同介质对称轴的夹角大于大于60°时,此时获得的弯曲波的各向异性值基本能够反映对应角度下地层横波速度的各向异性信息.     

青藏高原中部Quasi-Love波的识别及其转换点揭示的东西向方位各向异性变化

目前人们利用4种基本的地震波现象研究地震各向异性,如横波双折射、面波散射、与传播方向有关的走时异常和PS转换波震相.本文利用面波散射产生的Quasi-Love（QL）波研究青藏高原上地幔顶部的各向异性结构特征.首先利用中国地震台网昌都（CAD）台记录的地震波形资料识别出产生QL波的路径,并利用合成地震记录和垂直偏振极性分析证实所观测到的为QL波,而不是高阶振型的Rayleigh波或其他体波震相;然后由Rayleigh波、Love波和QL波的群速度估算了各向异性结构横向变化的转换点;不同周期时,转换点的位置不同,这种频率依赖性还需要进一步的模拟研究.Love波向Rayleigh波耦合（产生QL波）的转换点位置揭示了青藏高原面波方位各向异性变化特征,并以南北向构造带的东西分段性、上地幔流引起的地球内力诱导岩石形变解释了青藏高原各向异性的东西向差异性.     

Interpreting non-orthogonal split shear waves for seismic anisotropy in multicomponent VSPS

There are two main sources of non-orthogonality in multicomponent shear-wave seismics: inherent non-orthogonal split shear waves arising from substantial ray deviation in off-symmetry planes due to strong anisotropy or complex overburden, and apparent non-orthogonal split shear waves in the horizontal plane due to variation of the angle of incidence even if the two shear waves along the raypath are orthogonal. Many techniques for processing shear-wave splitting in VSP data ignore these kinds of non-orthogonality of the split shear waves. Assuming inherent non-orthogonality in zero-offset VSPs, and apparent non-orthogonality in offset VSPs, we derive equations for the four-component data matrix. These can be solved by extending the linear-transform technique (LTT) to determine the shear-wave polarizations in zero-offset and offset VSPs. Both full-wave synthetic and field data are used to evaluate the technique and to examine the effects of non-orthogonal polarized split shear waves. If orthogonality is incorrectly assumed, errors in polarization measurements increase with the degree of non-orthogonality, which introduces a consistent decreasing trend in the polarization measurements. However, the effect of non-orthogonality on the estimation of geophone orientation and time delays of the two split shear waves is small and negligible in most realistic cases. Furthermore, for most cases of weak anisotropy (less than 5% shear-wave anisotropy) apparent non-orthogonality is more significant than inherent non-orthogonality. Nevertheless, for strong anisotropy (more than 10% shear-wave anisotropy) with complicated structure (tilted or inclined symmetry axis), inherent non-orthogonality may no longer be negligible. Applications to both synthetic and real data show that the extended linear-transform techniques permit accurate recovery of polarization measurements in the presence of both significant inherent and apparent non-orthogonality where orthogonal techniques often fail.     

基于分数阶时间导数的黏弹性衰减VTI介质中平面波传播

目前在地震勘探频带范围内通常假设品质因子Q与频率无关,且呈衰减各向同性.事实上,相比较速度各向异性,介质的衰减各向异性同样不可忽视.本文将衰减各向异性和速度各向异性二者与常Q模型相结合,建立了黏弹性衰减VTI介质模型,并基于分数阶时间导数理论,给出了对应的本构关系和波动方程.利用均匀平面波分析和Poynting定理,推...     

VTI地层随钻四极子声波测井数值研究

数值计算了四极子声源在含钻铤竖直向横向各向同性(VTI)地层井孔中产生的各种模式波的频散曲线、激发幅度以及对各地层、钻铤参数的灵敏度,合成了四极子阵列波形,研究了快、慢速地层井孔中地层各向异性的存在对四极子波场的影响.数值计算结果表明,地层各向异性对钻铤波的影响很小,对于地层波的影响较大,且影响因素非常复杂.仅在一些特殊的频率点处,地层模式波的控制因素相对较为简单,如螺旋波的截止频率处.在慢速地层井孔中,最低阶的地层四极子波对距离井壁约2个井孔半径内的地层有明显的响应,可以对该范围内的地层横波进行层析成像.在快速地层井孔条件下,可以考虑采用与横波到时相同的波包来评价地层横波信息.该波包包含了井孔折射横波、F1和F2模式与井孔折射横波速度相接近的部分;利用该波包获得的地层横波速度基本不受地层各向异性的影响.在慢速地层情况下,螺旋波受地层各向异性的影响较大,建议在实际数据处理时,考虑采用基于数据的处理方法进行频散校正.     

含偏心钻铤充液井孔中正交偶极子声波测井的数值模拟研究

采用三维有限差分方法模拟了正交偶极子声源在含偏心钻铤的充液井孔中激发的声场,研究了钻铤偏心对模式波的种类、激发幅度、以及频散特征的影响.研究结果表明,钻铤偏心导致偶极子声源激发的声场的模式不唯一,观察到了除偶极模式外的单极模式波和四极模式波;钻铤偏心导致偶极模式波出现分裂现象,尤其是快速地层F2模式和慢速地层弯曲波的稍高频率的部分,且快、慢波所对应的两个方位为偏心的方位和与偏心方位垂直的方向;井孔折射横波以及快速地层F2模式的低频部分的慢度基本未受到钻铤偏心的影响,仍然能够正确反映地层的横波慢度及各向异性;对于本文研究的慢速地层井孔模型,当偏心距离l小于等于0.01 m时,弯曲波的慢度和激发幅度受钻铤偏心的影响很小,从快、慢弯曲波中提取的快、慢横波慢度基本能够反映地层的各向异性特征.     

Probability of radial anisotropy in the deep mantle

It is well established that the Earth's uppermost mantle is anisotropic, but observations of anisotropy in the deeper mantle have been more ambiguous. Radial anisotropy, the discrepancy between Love and Rayleigh waves, was included in the top 220 km of PREM, but there is no consensus whether anisotropy is present below that depth. Fundamental mode surface waves, for commonly used periods up to 200 s, are sensitive to structure in the first few hundred kilometers and therefore do not provide information on anisotropy below. Higher mode surface waves, however, have sensitivities that extend to and below the transition zone and should thus give insight about anisotropy at greater depths, but they are very difficult to measure. We previously developed a new technique to measure higher mode surface wave phase velocities with consistent uncertainties. These data are used here to construct probability density functions of a radially anisotropic Earth model down to approximately 1500 km. In the uppermost mantle, we obtain a high probability of faster horizontally polarized shear wave speed, likely to be related to plate motion. In the asthenosphere and transition zone, however, we find a high probability of faster vertically polarized shear wave speed. To a depth of 1500 km in the lower mantle, we see no significant shear wave anisotropy. This is consistent with results from laboratory measurements which show that lower mantle minerals are anisotropic but LPO is unlikely to develop in the pressure–temperature conditions present in the mid-mantle.     

THE POTENTIAL OF SHEAR-WAVE OBSERVATIONS*

Shear waves can today be generated and observed, though not with the flexibility and the technical standard of compressional waves, and they can be identified in seismograms by various means. Their potential lies not so much in their lower velocity (corresponding—for the same frequency—to shorter wavelength and higher resolution) but in the fact that they probe the earth with stresses and strains that differ from those of compressional waves. Full utilization of the information potential of shear waves, therefore, requires combined use of P-and S-waves. Complications in the combined use of different wave types should be regarded as opportunities to obtain additional information. A typical example is the observation that the depth of one and the same interface estimated on the bases of P- and SH-reflections, respectively, can differ significantly. This discrepancy may be due to the anisotropy of a finely layered medium. Under favorable circumstances some of the parameters describing this anisotropy can be deduced from the different depth estimates and the curvature of the squared-offset/squared-time representation of the different reflections. Since in anisotropic media vertically polarized shear waves are significantly different from horizontally polarized ones, the combined observation of all three waves opens up additional possibilities.