旋转地震学的研究进展

系统调研了地震波旋转运动的理论研究、仪器研制、实际观测和应用,总结了地震波旋转运动的研究成果.首先介绍了旋转分量的定义及间接地通过平动分量求取旋转分量的方法,以及从不同应用角度对旋转分量展开的研究;其次介绍了旋转地震仪的分类及其原理,对比了不同类型旋转地震仪的优缺点及其目前可以达到的技术参数指标;最后讨论了旋转分量观测及其在天然地震以及勘探地震中的应用,包括建筑工程领域的尝试.调研发现国内外旋转运动的研究差距较大,国内仍处于探索阶段.其中,不同震源与介质类型所产生的各种地震波在旋转分量上的特征差异一直是领域关注的焦点;如何制造高精度、高灵敏度、宽频带的旋转地震仪是国外同行攻关的热点;如何在地震学及相关工程中应用旋转分量,联合平动分量反演地下介质精细结构和震源性质的新特性参数是旋转运动学发展的重点.      

利用爆炸震源资料获得三分量旋转地震动

三分量旋转地震动是目前地球物理研究重点之一.利用爆炸震源的平动地震仪观测资料,通过间接计算获得三分量旋转地震动.利用了3炮500 kg炸药的观测资料,3个爆炸点到观测台阵的距离分别是1.8、2.8和8.9 km,计算得到了台阵相对于这3个爆炸点的旋转地震动,其最大峰值旋转角速度分别是41.65、21.98和0.29 μrads/s,与国际同行的旋转地震动结果量级接近.地震动峰值随震中距的衰减是地震工程中关注的问题.提取出三分量的旋转角速度峰值,利用指数函数对三分量的峰值进行拟合,初步得到三分量的旋转地震动角速度峰值随震中距的衰减关系.衰减曲线的主要特征是,1~3 km旋转角速度能量迅速衰减,大于5 km以后衰减逐渐减慢,随着震中距增大曲线的变化越来越趋于平缓.      

基于横波分裂的转换波各向异性分析技术及应用

当横波不平行也不垂直穿过裂缝时,会发生横波分裂现象。这里基于横波分裂理论,采用二维分量旋转方法进行转换波分裂分析。为了得到地层裂缝信息,提高宽方位转换波径向分量成像质量,利用宽方位转换波的径向和横向分量资料,完成了多层裂缝介质的各向异性分析。在此基础上,还完成了转换波方位各向异性校正研究。首先,利用分量旋转方法求出第一裂缝介质层的各向异性方向、快慢横波时延等参数;然后,将快、慢横波时延应用于慢波数据进行慢波时延补偿;最后,根据第一层的方位角将快波和补偿后的慢波旋转回原来的径向和横向分量方向。这样,就完成了第一裂缝层的各向异性分析,同时还得到第一层的裂缝方向、裂缝密度、补偿后的径向分量等数据。依此类推,进行以下裂缝层的各向异性分析。该转换波各向异性分析技术已应用于川西XC气田的宽方位三维三分量地震数据处理,不但得到了裂缝参数,而且还消除了宽方位转换波的方位各向异性影响,提高了转换波径向分量的成像质量。     

岩石圈板块漂移引起岩石古剩磁偏角变化规律

依据古地磁基本原理,结合岩石圈板块在地球表面的欧拉旋转,通过赤平投影作图,探讨了岩石圈板块漂移引起古剩磁偏角的变化规律,得出古剩磁偏角的变化与岩石圈板块所处的半球、欧拉极所处的区间以及岩石圈板块东西向运动分量相关,在现今地理坐标下的古剩磁偏角是地质历史时期岩石圈板块多期活动引起古剩磁偏角变化的综合结果。由于欧拉极主要分布在绝对占优的两个区间,因此,岩石圈板块运动主要是欧拉极分布在这两个区间的旋转运动,而当欧拉极分布在这两个区间且当岩石圈板块所处的半球的东西向运动分量方向相同时,古剩磁偏角的变化规律较一致。进而可依据欧拉极分布在这两个区间岩石圈板块旋转引起古剩磁偏角变化规律,结合相邻两个时代形成的岩石古剩磁偏角和倾角之差,以及相对较老岩石形成时所处的半球,可定性确定岩石圈板块在这一地质历史时期的运动方向,为构造应力场演化提供一定的依据,使古地磁数据在大地构造研究中发挥出更大作用。     

主应力轴循环旋转下各向异性钙质砂的动力响应

为研究各向异性钙质砂在主应力轴循环旋转荷载下的动力剪切特性,利用GDS空心圆柱扭剪仪对中密钙质砂进行了各向异性固结方式下的纯主应力轴循环旋转的不排水试验,探究了中密钙质砂在动力荷载下各应变分量的发展规律和刚度变化情况.发现各向异性固结方式加剧了钙质砂试样微观结构上的各向异性,使其在主应力轴循环旋转条件下广义剪应变由"稳...     

电性源瞬变电磁全区视电阻率定义

电性源瞬变电磁法是目前研究的热点,研究该方法的全区视电阻率定义同样很重要.文中给出了一种快速有效的全区视电阻率定义方法,利用该方法可以快速计算电性源瞬变电磁多分量的全区视电阻率.利用均匀半空间磁场强度响应曲线的平移伸缩特性实现视电阻率定义,该算法无需迭代就可以直接计算,速度快,精度高.最后,对比了水平磁场分量和垂直磁场分量定义的全区视电阻率对地层的分辨能力.结果表明,两种分量定义的全区视电阻率有相同的分辨能力,给电性源瞬变电磁法的多分量综合解释技术奠定了理论基础.     

青藏高原东南缘新生代地壳运动的转换

在青藏高原东南缘保山地体东部上新世营盘组玄武岩中开展的古地磁学研究,获得了可靠的高温剩磁分量。地层校正后的特征剩磁分方向为Ds=166.5o, Is=–19.3o, k=41.9, a95=5.1o, N=22(采点)。褶皱检验显示其为原生特征剩磁分量。上新世古地磁数据显示,保山地体东部区域自上新世以来相对于东亚构造稳定区古地磁参考极发生了14.5o±4.8o的逆时针旋转运动。虽然保山地体东部上新世的逆时针旋转运动与保山地体其它区域古近纪至中新世的顺时针旋转变形截然相反,但是其与畹町走滑断裂和南汀河走滑断裂上新世以来的左旋走滑运动相吻合。本次研究通过保山地体和腾冲地体内部新生代古地磁数据及地体边界构造带活动演化的综合分析,指出自古近纪早期印度板块与欧亚大陆初始碰撞以来,青藏高原东南缘腾冲地块和保山地体在渐新世末期至早中新世时期,以及上新世早期分别发生了地壳运动方式的转换。保山地体地壳的运动学方式直接控制了地体边界走滑断裂的构造演化过程。     

关于地球圈层差异旋转理论研究的综述

地球内部各圈层差异旋转的各种假说中,“内快外慢”说已形成较完整的理论,并被科学测试所验证。在这一理论形成过程中,数学工作者也做出一有益的贡献。研究表明,“内快外慢”差异旋转是地球内部各种运动的源动力。     

倾斜井各向异性地层中多分量感应测井响应的有限体积模拟

为快速、有效地考察倾斜井各向异性地层模型中的多分量感应测井响应,首先以坐标变换理论为基础,利用旋转矩阵将地层电阻率由介质坐标系变换到仪器坐标系中,并采用基于矢势-标势的有限体积算法计算出测井响应值。数值结果显示:由于井眼倾斜导致测井响应出现交叉分量,而交叉分量不仅与倾斜层边界有关,同时还受到倾斜各向异性的影响。利用交叉分量组合曲线分离交叉分量中倾斜层边界和倾斜各向异性影响,提高了对多分量感应测井数据的解释能力。最后,系统考察了不同的源距、泥浆电阻率、仪器倾角对测井响应交叉分量组合曲线的影响特征。     

渤海三维多分量地震勘探水平分量方位校正

在海上三维多分量地震勘探中,不论采用何种海底电缆采集系统进行海上作业,在室内资料处理中,都要首先计算海上水平分量检波器的方位定向.然后,再对水平分量实施方位旋转,以便得到径向R分量和切向T分量的波场.结合渤海进行的海上三维多分量地震勘探情况,为了达到对海上水平分量记录进行准确的相位和能量校正的目的,分两步实施.第一步是利用海底电缆检波器海上定位资料对水平分量的方位进行校正,以消除大部分的方位能量误差;第二步是在第一步校正的基础上,利用直达波信息进行第二次方位校正,进一步消除方位能量误差.     

天然源槽波勘探的可行性研究

常规炸药震源在高瓦斯矿井受到了十分严格的管制,迫切需要一种新型非炸药震源的槽波勘探方法作为替代。基于此,开展了矿井中天然源槽波勘探方法的可行性实验研究。通过理论分析和数值模拟实验,论证了煤层具备天然源槽波发育的地球物理基础。通过构建“三随机”天然源槽波模型,即震源的空间位置随机、震源初始激发时刻随机和震源的振幅随机,成功实现了天然源槽波的时间域数值模拟实验。采用相移法对天然源槽波数值模拟数据进行了频散谱计算,结果具有明显的频散特征。数值模拟实验结果证明了理论模型中天然源槽波的存在,且基阶和高阶形态均发育。在安徽淮南某煤矿工作面进行实测实验,成功采集到天然源槽波三分量数据,对实测数据进行频散谱计算,结果表明3个分量均具备频散特征,其中X分量频散曲线能量脊较为清晰,达到了验证天然源槽波存在的预期目标。总的来说,数值模拟结果表明天然源槽波的地球物理基础和形成机理是正确的,现场实验结果证明了天然源槽波在煤层中自然存在,该方法在矿井地质勘探中具有可行性和潜力。     

透射槽波相邻道质心频率的层析成像方法

槽波勘探是煤层工作面小构造探测的主要方法之一,该方法主要是利用槽波的能量衰减特征。当检波器的耦合差或工作面存在较大地质异常时,会显著影响槽波在不同频段上的能量分布,降低槽波探测结果的稳定性和准确性。利用槽波信号的质心频率变化特征进行反演成像是一种创新且有效的方法,但该方法存在震源质心频率准确估算及兼顾震源差异性的难题。为此,提出基于透射相邻道槽波信号,估算其质心频率相对变化量的层析成像方法。基于理论分析,推导出相邻道槽波质心频率相对变化量(M_i)的计算公式;采用二维数值模拟方法,验证槽波M_i值与传播距离的正向线性变化规律;通过槽波实测试验,对比分析了相邻道质心频率成像方法的效果。结果证明,槽波信号存在频移现象,槽波相邻道M_i值层析成像方法是有效,该方法克服了震源差异性和震源质心频率人为选择不当对成像结果造成的影响,为槽波勘探数据处理提供了一种新的思路。      

Effects of open gaps on particle velocity measurements

Summary Joints and bedding planes are present in nearly all geologic media. These discontinuities vary in the extent to which they are open and the material with which they are filled. The presence of such discontinuities affect the ground motions that result from the detonation of an explosive source. The effects of these discontinuities are especially important if it is desired to predict the size of the explosive source from measurements of ground motion — such as particle velocity or stress. In this paper we present results from a series of model tests conducted to investigate the effect of open gaps on the particle velocity that can be transmitted across them. Electromagnetic velocity gages were used to record particle velocities at several locations on either side of an open gap of known width. The study was restricted to the transmission of particle velocities normal to the gap and to the case where the gap was located in a region for which the stress was high but not greatly above the elastic limit of the material. The experimental results were compared qualitatively to results obtained from WONDY — a one dimensional Lagrangian finite difference code. Although the tests were conducted in laboratory models, the results can be scaled to compare to the full scale situation.     

Estimation of Response Spectra in the Severely Damaged Area During the 1995 Hyogo-Ken Nambu Earthquake

We calculated theoretical acceleration response spectra at the ground surface in the region near the 1995 Hyogo-ken Nambu earthquake source based on the spectral moment method. To estimate earthquake motion on the ground surface, a formula of earthquake motion at base rock level was derived. The amplification effect of the ground was introduced by using multiple reflection theory. Theoretically estimated response spectrum were modified by the response spectra calculated using observed earthquake motions.     

Inverting ground motion from a seismometer array to obtain the vertical component of rotation: A test using data from explosions

To study factors that affect reliability of the derived vertical rotational ground motions (about vertical axis) from translational array waveforms, we have conducted a field test using explosion. The dataset was collected on March 4, 2008 from an active source experiment of the Taiwan Geodynamics Research project (TAIGER, 2008), in which 750 kg of explosives were set off about 500 m away from a specially designed seismic array in free field consisting of 8 tri-axial rotational sensors, 13 tri-axial accelerometers, and 12 six-channel, 24-bit dataloggers with GPS receivers. Our results show that the waveform fits were greatly improved when the explosion-induced crustal strains were less than 2 × 10⁻⁵ for our station configuration. As a result, our modeling for the large amplitude part of the mainshock was not entirely successful. However, we have successfully recovered the first order features of the later part of the vertical rotational ground motions using translational velocity waveforms in the 0.5–20 Hz bandwidth using the Spudich and Fletcher’s procedure (2009). Moreover, we used a modified Jaeger’s (1969) formula and derived similar rotational synthetics. We found that the best rotational rate waveform fits were derived using a station configuration of a dense, small-aperture, translational array combined with a few large-offset stations. A small-aperture array is needed to fulfill the uniform rotation assumption. However, inverting data from an array of small spatial dimension requires waveforms of high signal to noise ratio and high sampling rates. Surprisingly, large-offset translation stations provided additional constraints in time and space, helping to fit the low frequency waveforms. Using the inverted result, we forward predicted the vertical translational waveforms not used in the inversion and got excellent fits. This suggests that the inverted results are of good quality for predicting the complete translational ground motions, even though only horizontal components were used in the inversion. Array-derived or directly measured rotational ground motions can be used to predict translational ground motions in the near-by region. Lessons learned from this study could be helpful for future studies using translational ground motions to derive dynamic ground strains, tilts, and torsions.     

孔—巷联合随采地震相关时差层析成像

煤矿井下回采工作面随采地震技术将采煤机作为震源,实现了动态精准、绿色智能探测的技术构想,可用于工作面内部静态地质异常体与开采动力地质灾害的超前探测。针对常规随采地震观测系统存在的成像盲区问题,提出孔–巷联合的随采地震观测系统设计方案,有效提高成像范围;基于地震干涉原理,采用频率域相关算法,对随采地震信号进行脉冲化处理,获得随采地震等效炮集;为解决随采地震CT层析成像中绝对走时难以获取的问题,提出直接利用相关时差进行CT层析成像的方法,求解过程中无需计算发震时刻,降低对初始速度的依赖。理论模型和实际资料测试结果表明:孔–巷联合观测系统有效扩大了成像范围;基于相关时差的随采地震层析成像方法可以对工作面内部进行速度成像,实现对静态地质异常体的探测;利用随采地震连续监测、动态成像的特点,还可实现对工作面内由于采动引起的应力集中区的实时动态监测,对工作面安全监测更有意义。      

贮量集中有限元方法在渗流计算中的优点

普通有限元方法和有限差分方法是渗流计算中常用的数值方法,而贮量集中有限元方法则很少被实际应用。为了使渗流计算者全面了解贮量集中有限元方法,并能够较多地应用这种方法,本文将渗流计算中的贮量集中有限元方法、普通有限元方法和有限差分方法进行了对比,具体比较和分析了有限元方程组的系数矩阵特征、计算工作量,通过具体的算例分析了它们的计算精度,由此指出:贮量集中有限元方法的计算精度与有限差分法基本相同,而远好于普通有限元法,它的计算工作量小于其他二种方法      

基于异常场的地井瞬变电磁法正演研究

在地 井瞬变电磁正演模拟中,前人均以总场为研究对象,分析响应特征. 此次选择地 井瞬变电磁异常场为研究对象,对单异常体和多异常体以及在"定源异井"和"动源定井"两种观测方式下典型地电模型进行地 井瞬变电磁法三维正演模拟. 首先推导了二次磁场的扩散方程,并用有限差分法进行数值计算. 通过分析以地 井瞬变电磁异常场为研究对象,认为异常场能反映目标体空间几何位置参数. 研究结果表明:在不同钻孔中接收的异常响应随时间推移而衰减减弱,但异常变化特征保持不变;在不同方位布置场源得到的异常响应差异明显,根据其测量结果可判定异常体空间位置信息. 最后总结影响地 井瞬变电磁异常的主要因素有:目标体的埋藏深度、目标体与钻孔之间的耦合关系以及场源的位置关系. 研究结果为相关资料解释提供理论参考.