饱和多孔岩石应力波的衰减特性

在0.01～100 Hz频率范围内，采用粘弹谱仪进行了3种孔隙度的干燥和饱和砂岩的动态力学频率谱和温度谱试验，取得衰减和模量在不同温度峰的频率响应．饱和砂岩的衰减随砂岩孔隙度的增加而增大；复模量随孔隙度的增加亏损增大，频散程度增强；并对频率谱和温度谱的对应关系进行了讨论．      

地震波在饱和土层界面的反射与透射

研究了地震波在两种饱和土层界面的反射与透射，其中饱和土模型采用修改的Biot模型．考虑土颗粒及孔隙流体的压缩性，并考虑了孔隙流体与土骨架之间的粘性耦合作用，文中首先从理论上推导了地震波在界面发生反射与透射时，反射系数与透射系数的一般计算式，尔后数值分析了第一P波入射时，各模式的波反射系数和透射系数与入射角及频率的关系．本研究对地震工程中的波动勘测技术、场地地震反应分析等领域具有理论及应用价值．      

含流体致密砂岩的纵波频散及衰减:基于双重双重孔隙结构模型描述的特征分析

致密砂岩普遍具有低孔、低渗及微裂缝发育的地质特征,并且呈现出很强的非均匀性.致密砂岩储层与常规砂岩储层比较,具有明显的岩石物理性质、渗流力学性质方面的差异.致密砂岩内部的非均匀性对弹性波频散、衰减有显著影响,其中包括孔隙结构的非均匀性,即岩石内部孔隙参数的不均一性,以及孔隙内部不相混溶流体的非均匀分布;此外,非均匀性的尺度也决定了波出现显著频散与衰减的频段.综合考虑致密砂岩孔隙结构非均匀性及流体斑块状饱和的非均匀性,本文采用双双重孔隙介质结构模拟了致密砂岩的弹性波响应,分析了同时具备两类非均质性岩石中的波传播特征.调查分析了两组分别来自中国鄂尔多斯盆地苏里格气田及四川盆地广安气田的不同类型致密砂岩储层的岩芯超声波实验数据,给出了岩石样本的弹性波速度频散与衰减曲线.结果显示理论模型预测结果与完全饱和、部分饱和岩石的实验数据吻合良好.对两个地区致密砂岩岩芯数据进行对比分析,苏里格致密砂岩样本总体上比广安致密砂岩渗透率高,在各孔隙度范围内,特征模拟显示苏里格样本的裂隙尺寸明显大于广安样本.广安致密砂岩在低孔隙度范围内发育了更多、更小的颗粒裂隙/接触.致密砂岩的速度频散与衰减结果受流体黏度、晶体破裂及流体斑块状饱和的共同影响.此外,孔隙度越大,部分饱和岩石中斑块状饱和机制对总衰减的贡献越低,与之相对,结构非均质性所占的比重则有所增强.     

基于横向各向同性BISQ方程的弹性波传播数值模拟

Biot流动和喷射流动是含流体多孔隙介质中流体流动的两种重要力学机制. 近年来，利用同时处理这两种力学机制的BISQ(Biot-Squirt)模型，弹性波衰减和频散的问题已被广泛研究；然而基于BISQ方程的波场数值模拟尚未见到公开的报道．本文从BISQ方程出发，利用交错网格方法对横向各向同性孔隙介质中不同频率和相界情况，以及双层介质中的弹性波传播进行数值模拟，研究了在同时考虑两种流动机制作用情况下地震波和声波的传播特性及传播过程中出现的各种波动现象．      

中国东部平原和西北部地区烈度衰减关系的研究

为了建立中国东部平原和西北部地区的烈度衰减关系，将研究区根据地形和地质特征分为4个区．为了使等震线的形状随着距离的增大，从椭圆向圆逼近，推导出限尾法．用椭圆投影，两步拟合，限头和限尾法求出了东部平原和青藏高原外缘甘肃段的烈度衰减关系；鄂尔多斯活动断裂系是一个地质、地形条件混杂的地区，不可能建立该地区统一的烈度衰减关系；新疆地区的烈度评定可能存在一些问题． 通过对大半个中国的研究，笔者认为，中国的烈度衰减关系大致分为两类:平原型和山地型．在平原和沉积区可以用中国东部平原的衰减关系（简称平原型）；在山区可以用川滇多数山区的衰减关系（简称山区型）．发生在交界处的地震，其衰减关系分别为:在山的那一边属山区型；而在另一侧，则属平原型．在两种地形交错的地区等震线形状不规则，衰减关系也比较复杂．      

饱和土中平面应变波在圆柱体上的散射和折射

采用修改的Biot波动方程,考虑土颗粒压缩和固液两相的粘滞作用,推导出饱和土中平面应变波在圆柱体上的散射和折射问题的理论解答;并求出当圆柱体为空腔、刚性体、单相土介质和流体介质时散射和折射的势函数幅值方程．      

应力波在砂岩中的衰减

采用Hopkinson压杆装置进行了波传播行为的实验研究，用多组埋入式PVDF应力量计进行了测量，获得了应力波在砂岩长杆试件中传播时的波形特征、衰减系数等，运用拉格朗日分析方法给出了砂岩的动态本构关系．      

基于Chapman模型的气水两相饱和岩石速度频散及衰减表征

含裂隙岩石的裂隙系统与其内的流体的分布,很大程度上会影响地震波在其内的传播,导致速度频散和衰减．本文基于Chapman模型,研究润湿相和非润湿相流体随频率的变化．许多学者研究的是单一流体下的频变各向异性理论,本文着重于气水两相流体部分饱和的情况．引入了基于分形理论的相对渗透率模型,并使用无量纲参数q来表征斑块饱和现象．首先研究气水两相的相对渗透率与分形维数的关系,然后考虑了斑块饱和效应对流体混合物的有效迁移率的影响．根据数值算例,在Chapman模型中分别引入相对渗透率模型和斑块饱和效应,观察各自对横波速度和衰减的影响．最后分析耦合的相对渗透率和斑块饱和对横波速度和衰减的影响．根据算例结果可知,在中频时,相对渗透率及斑块饱和效应都比低频和高频的情况对横波速度和衰减影响大．最后考虑分形维数和无量纲参数q的耦合影响,发现无量纲参数q对横波速度和衰减的影响都明显要大于分形维数．同时还引入了横波分裂来分析这种耦合效应对各向异性的影响,结果表明横波分裂与分形维数成反比,与无量纲参数q成正比,这种现象在低频较为明显．     

不同压力下部分饱和砂岩纵波衰减的理论及实验研究

深入了解不同压力、频率、流体含量和流体分布对岩石中弹性波传播特性的影响,对指导油气勘探开发具有重要意义.不同尺度下的波致流效应,是声波传播过程中产生速度频散和衰减的重要原因.本文以不同压力下水饱和区域改进的骨架模量为纽带,建立了联合介观尺度斑块饱和效应与微观尺度喷射流效应的部分饱和岩石声学理论模型.开展针对性声学实验,根据不同压力下部分饱和砂岩纵波速度测量数据,确定理论模型中的相关参数,从而实现对不同压力下部分饱和岩石纵波衰减的定量表征.在此基础上,通过理论与实验测量的纵波衰减的对比,分析不同压力、含水饱和度以及频率对岩石纵波衰减的影响.研究结果表明,在较低压力,较高含水饱和度以及较高频段,喷射流效应较强,因此新建模型计算的衰减明显大于斑块饱和模型的衰减.由于新建模型体现了斑块饱和效应与喷射流效应的综合影响,相比于斑块饱和模型,新建模型计算的部分饱和岩石的纵波衰减更接近于实测衰减,但受到岩石自身因素影响,新建模型计算的衰减仍略小于实测衰减.     

关于地震动超越概率的不确定性、地震动衰减关系和设防标准的讨论

在一定条件下将通常计算的地震动超越概率曲线简化为正态分布的累积概率曲线，从而清楚地显示了衰减关系的方差不同时，曲线形态的变化及其相应的物理意义．对于震中位置和震级的不确定性也进行了类似的分析．一般情况下，不确定性越大，得到的超越概率曲线越扁平．广而言之，人们对未来地震危险的认识程度越差，曲线也越扁平．由于资料的丰歉不一，不同地区的衰减关系一般具有不同的不确定性．缺乏足够强震资料的地区的加速度衰减关系可由转换法得到，但有较大的不确定性．这种不确定性实际上除了通常的随机误差外，还包含了不同地区之间存在的系统误差．本文提出了一种利用本地区已有的资料对转换法所得加速度衰减关系进行检验和调整的方法．加速度衰减关系的不确定性过大时，会使危险性分析的结果达到令人难以接受的地步．本文认为，为了实现大震不倒，中震可修，小震不坏的目标，在某些情况下，不是固定风险水平(63%，10%和3%)，而是在第二水准值的基础上通过一定的经验关系换算得到第一和第三水准值也许会得到较为合理的结果．一定的设防标准不仅仅是一定的经济实力和地震危险的平衡，而且是和人类对于自然界的一定的认识水平相适应的．      

弹性波在横向各向同性弹性土和饱和土界面上的反射与透射.

根据横向各向同性饱和土体的Biot波动方程,推导出qP1波从饱和土入射到弹性介质的反射系数和透射系数的一般算式,数值分析了各向异性,边界透水条件对反射系数和透射系数的影响．本文的推导思路,适用于qSV波、qP2波从饱和土体入射到弹性土体的情形．      

中国大陆地壳上地幔电性结构及地震分布规律(一)

本文是壳慢流体演化及地震成因系列论文的第1篇．本系列由3篇论文组成，第2篇为壳内高导层成因，高温高压下卤水物态及其电导率；第3篇为壳内流体演化及地震成因．这3篇论文分别从宏观、微观和动态变化三方面，探讨了地下流体与地震的关系． 本文根据我国大地电磁测深(MT)工作者近20年的探测成果，编绘了中国大陆壳内和上地幔高导层的分布埋深图，分析了中国大陆电性结构的分区特征，探讨了上地幔高导层的成因以及壳内高导层的特征，最后总结了中国大陆不同构造区的地震孕育规律．      

饱和砂岩滞弹性弛豫衰减机理的探索

本文采用从法国引进的Metravib热机械分析仪用正弦波加载方式,首次对四种不同孔隙度的饱和砂岩的衰减进行了实验研究,在5~400 Hz的频率,-50 ℃~100 ℃的温度范围获得衰减的热弛豫规律,由此求得它们的激活能和原子振动频率,其激活能和弛豫时间是处在原子和电子的激活能和弛豫时间之间.可见,在饱和岩石的晶粒间界缺陷处参与扩散的是原子、电子.并得出随孔隙度增大,衰减强度和激活能增大,原子的振动速率加快,弛豫时间缩短.在交变应力作用下,由多种矿物晶体胶结而成的饱和砂岩是一种多晶、多相的固体,由于内部结构复杂,损伤、缺陷广布,弛豫衰减是普遍存在的.饱和砂岩中存在的晶界、相界等许多缺陷,以及缺陷间的相互作用,比如饱和岩石中的饱和液体与岩石骨架之间的作用等等都可以产生弛豫衰减峰,弛豫过程还受晶界上原子扩散所控制.由于饱和岩石中的种种缺陷、相界等等导致上述矿物颗粒或晶界之间的多重弛豫,才使弛豫衰减峰变宽,分布宽度增大.用饱和砂岩中特有的饱和液体及砂岩内部结构的复杂性解释了饱和砂岩的衰减机理,很自然地将其宏观衰减特征与微细观结构紧紧联在一起.衰减及其机理的研究既具有科学意义,对地球物理勘探又具有实用价值.     

循环荷载下饱和岩石的滞后和衰减

通过对饱和砂岩和大理岩的循环荷载实验,分析了饱和岩石在循环荷载下的应力-应变滞后回线、瞬时杨氏模量、泊松比的“X”形变化曲线,以及杨氏模量随应变振幅的增加而减少等滞后现象,并分析了施加外力的应变振幅对衰减的影响,认为岩石在循环荷载作用下的衰减与应变振幅成正比,提出的衰减b值反映了岩石在循环荷载作用下衰减的程度. 岩石的衰减和滞后存在密切的关系,通过饱和岩石的宏观行为,探讨了饱和岩石在循环荷载下的滞后和衰减现象的微观机理,认为孔隙流体流动在岩石的滞后和衰减中起着重要作用,岩石内部的颗粒接触粘合和黏滑摩擦可能是孔隙岩石在循环荷载作用下产生滞后和衰减的原因.     

相对渗透率对部分饱和裂隙岩石中横波频变各向异性的影响

地震波在含裂隙岩石内传播时，很大程度上会受到裂隙系统与其内的流体所影响.本文在Chapman提出的频变各向异性理论的基础上，研究气水两相流体受频率影响的程度.不同于许多局限于单一流体假设的频变各向异性理论研究，本文着重于两相流体部分饱和的情况.因此计算频变各向异性弹性常数尤为重要，本文考虑了气水两相的相对渗透率对横波速度及其衰减的影响，并引入了基于分形理论的相对渗透率模型.首先研究在不同分形维数的情况下，气水两相相对渗透率随含水饱和度的变化趋势，并且随着该变化对有效流体迁移率的影响.气体的相对渗透率与分形维数成正比例关系，而水的相对渗透率与分形维数成反比例关系.随后根据数值算例计算双相不混溶流体饱和裂隙岩石频变各向异性弹性模量的方程，得到横波速度及横波衰减，对比分析相对渗透率及分形维数的变化对横波速度和横波衰减的影响．根据算例结果可知，在不同频率下，相对渗透率对横波速度和横波衰减的影响程度不同，在中频时最大．引入不同的相对渗透率模型，能在中频时观察到其对横波速度和衰减的不同影响．     

一个新的水位气压效应的理论解

以气压影响承压井水位的偏微分方程为基础，推导了井孔与含水层之间流体互相渗流的边界条件．然后，用拉普拉斯变换法得到了任意气压过程作用下水位变化的时域解析解．此解由稳态项和迟滞项两部分组成，稳态项为气压系数与当时气压值的乘积，相当于今后气压不变的条件下时间趋于无穷时的水位；迟滞项是由于井中的流体和含水层中的流体交换，不能瞬时完成而引起的过渡过程．分析这个解可知，某时刻水位受气压的干扰是由该时刻之前所有气压变化量对水位影响的积分叠加．所以，我们进一步找到了脉冲气压过程作用下的井水位响应函数．计算表明:① 脉冲响应函数总是从零值开始，时间趋于无穷时，其值趋于稳定值，此稳定值与气压效率成正比；② 迟滞时间大小取决于含水层的力学性质和井的半径，渗透系数越大、井孔半径越小、含水层厚度越大，则迟滞时间越小 此解可作为今后进一步全面地分析气压干扰和研究实际校正方法的理论基础．      

泥质砂岩在干燥与饱和流体状态下纵波速度之间的关系

岩石从干燥状态下到饱和流体后纵波速度的变化情况对于地震速度预测、AVO分析以及流体识别具有重要意义,而有关泥质砂岩在干燥与饱和流体状态下纵波速度之间关系的研究甚少.因此本文利用三组实验数据研究了泥质砂岩在干燥与饱和流体状态下纵波速度之间关系的影响因素,并通过多元线性回归分析方法建立泥质砂岩饱和流体后的纵波速度与干燥状态下的纵波速度、孔隙度以及黏土含量之间的关系.研究表明:泥质砂岩在干燥与饱和流体状态下纵波速度之间的简单线性关系容易受到固结程度、孔隙流体性质以及围压的影响,而多元线性回归分析与简单线性分析相比,其拟合结果的判定系数明显提高,标准误差明显减小.此外,本文首次提出黏土含量与孔隙度比的概念(CPR),发现CPR与泥质砂岩饱和流体前后纵波速度差之间有很好的正相关性,随着CPR的增加,纵波速度差也表现出增大的趋势,CPR的提出为解释流体替换过程中岩石物理属性的变化情况提供了新的思路.     

由1990年共和7.0级地震震后垂直形变求得的地球介质有效弛豫时间和粘滞系数

1990年4月26日青海共和7.0级地震的震后垂直形变速率具有典型的指数型衰减特征．本文根据Okada弹性位错地表垂直位移表达式，利用对应原理导出了其标准线性固体粘弹性解．通过引入地球有效弛豫时间和有效粘度的概念，进一步导出了由震后垂直形变求地球有效弛豫时间和粘度的简单公式，该公式与发震断层的位错参数无关．反演结果表明，共和震区地球介质的有效弛豫时间＝/为2.6 a，有效粘滞系数为约1018 Pas．      

中朝准地台东部的地壳上地幔Ｑ结构y

根据中国数字化地震台网（CDSN）记录到的长周期面波资料，测定了中朝准地台东部地区周期从10～146 s的基阶瑞雷波ＱR值．并用随机逆反演方法反演得到了4条路径上的地壳上地幔Ｑ模型．结果表明:中朝准地台东部地区的地壳平均Ｑ值为200左右，地壳中部（深度10～20 km处）有弱衰减层，该层可能与壳内易震层有关．在地幔顶部普遍存在一个厚约70 km的强衰减层（低Ｑ值层），其顶部埋藏深度约为80 km．中朝准地台东部地区的基阶瑞雷波实测ＱR平均值介于构造稳定区和构造活动区之间，而更趋近于构造活动区域．      

壳内流体演化及地震成因(三)

根据对地壳和上地幔电性结构的研究，提出了地下岩体势能-动能转换地震成因学说．此学说不仅认为地下岩体间弹性应变能的积累对地震的孕育非常重要，而且认为地壳岩体重力势能和深部流体演化对一些地震的孕育和发生起了关键作用．本文根据前两篇文章(徐常芳，1996a，b)提出的依据，建立了拉张盆地地壳电性结构及流体演化模型，并据此对历史和现今大量地震过程中出现的异常和地壳排气现象进行了解释．