各向异性介质中扭转波分裂的实验观测

实验室可以产生两种振动模式的横波,一种是剪切振动,另一种是扭转振动,在各向同性介质中两模式的横波速度是相同的,但它们的振动特性不一样,前者表现出很强的偏振特性,后者为无偏振特性.实验测试表明无偏振特性的扭转波在各向异性介质中传播时也会出现两种速度不同的扭转波,速度值与剪切横波的快慢横波速度值一致.用扭转波换能器接收时,这快慢扭转波的波形振幅不受各向异性方位影响.通过两块均匀的各向异性样品,用实验观测揭示了各向异性介质中扭转波的一些传播特征.     

横向均匀介质中地震走时的正演和反演

横向均匀介质可由若干水平分层足够好地逼近,本文引入零厚度层来描述成层介质,从而建立了回折波、反射波、首波和直达波统一的时距关系以及地震走时随模型参数变化的公式。本文详细讨论了水平分层介质里地震走时曲线的特征,合成地震走时的试验表明了由地震走时,用阻尼最小二乘法可以成功地反演速度模型参数,所反演的模型含有速度梯度层,也可以含有低速层。     

双相各向异性介质中弹性波传播特征研究

随着地震工程和能源地震勘探的深入发展,人们所遇到的地下介质愈来愈复杂．常规的各向异性介质理论或双相各向同性介质理论难以精确描述含流体的各向异性介质,如裂缝性气藏、含水页岩等．本文以Biot双相各向异性介质理论为基础,利用弹性平面波方程,推导出了任意双相各向异性介质中弹性波的Christoffel方程．根据Christoffel方程,计算并分析了频率对双相横向各向同性介质中弹性波的相速度、衰减、双相振幅比和偏振特征的影响．结果表明,在4类波(快纵波、慢纵波、快横波和慢横波)中,频率对慢纵波影响最大;当耗散很大时,快纵波、快横波和慢横波的流固相振幅比值近似为1．对偏振特征分析的结果表明,在双相各向异性介质中,弹性波的固相位移偏振方向与流相位移偏振方向将不再保持同向或反向,而是呈不同大小的夹角．      

各向异性衰减薄层地震响应特征研究

薄储层的叠前地震响应特征研究,特别是针对具有速度各向异性的含流体薄层,对储层描述具有十分重要的意义.文中基于波动方程数值模拟方法,正演得到各向同性弹性、各向同性衰减、速度各向异性、各向异性衰减模型的地震波场,并对比分析了四种模型的纵波(PP)和转换横波(PS)地震反射特征.研究结果表明:在衰减介质背景下,引入各向异性,PP和PS波的反射波振幅较弹性介质均减弱,且衰减因素对薄层振幅的影响强于各向异性.同时,VTI各向异性衰减在单频PS振幅曲线上表现出强差异性,而HTI各向异性衰减则会影响PP和PS波单频振幅曲线的极值点幅值和位置,通过分析单频振幅曲线的极值点振幅和极值点位置对各向异性衰减薄层预测有指导作用,尤其对平时较难分辨的VTI各向异性衰减薄层,单频分析方法的优势更明显.     

剪切波在双层方位各向异性介质传播中分裂参数的变化特性

以质元运动方程和应力应变关系为基础建立了各向异性介质的波动方程．从数学上对体波在各向异性介质中的传播进行了严格的数学推导,给出了各向异性介质中三种体波波速与介质弹性常数及波传播方向的数学关系．由此对剪切波在单层和双层弱方位各向异性介质中的分裂行为进行了系统讨论,给出了合成分裂参数、每一层分裂参数与入射剪切波偏振方向的数学表达式．假定每一层分裂参数之后,得到了合成分裂参数随入射方位角变化的合成地震图．研究表明,剪切波在双层各向异性介质中传播时产生的两对分裂剪切波可用一合成分裂因子来描述．由合成分裂因子确定的分裂参数随入射剪切波偏振方向的变化呈现出π／2的变化周期．其结果可用于双层各向异性介质反演研究,对进一步解释板块运移、地幔对流规模、深源地震成因、浅部地震构造及深部力源问题等有参考意义．     

含有速度梯度的地壳模型在合成地震截面上的一些特征

本文使用合成地震图方法,讨论某些有速度梯度的地壳模型在相应的合成记录截面走时—振幅—距离的特征,它有助于我们从观测记录中取得更精确的地壳细结构。由于这些讨论基于具有真实振幅的地震折射剖面,因此,在野外观测中尽可能地取得真实振幅信息是关键的。     

各向异性介质中扭转波分裂的初步实验观测

实验室可以产生两种振动模式的横波,一种是剪切振动,另一种是扭转振动.本文利用扭转换能器观测了扭转横波在各向异性样品中的传播特性.实验表明,无偏振方向的扭转波在各向异性介质中会以两种不同速度传播,并出现波的分裂现象,其快慢波的速度值与剪切横波的快慢横波速度一致.用扭转波换能器接收时,快慢扭转波的波形振幅不受各向异性方位影响,表现为无方向性.通过两块不同来源的均匀各向异性样品,用实验观测方式初步揭示了各向异性介质中扭转波的一些传播特征.     

几种弱各向异性介质中qSV波速度和偏振异常

研究了在具有垂直对称轴的横向各向同性介质(TIV 介质)中qSV波群速度及偏振矢量,给出了相应的精确和近似计算公式,进一步讨论了用较简单的近似公式来代替复杂精确公式的可靠性;最后展示了地球内部几种常见各向异性岩石矿物中地震qSV波速度各向异性因子、偏振信息及其与传播方向之间的偏差.     

几种弱向异性介质中qSV波速度和偏振异常

研究了在具有生趣对称轴的横向各向同性介质（ＴＩＶ介质）中ｑＳＶ波群速度及偏振矢量,给出了相应的精确和近似公式,进一步讨论了用较简单的近似公式来代替复杂精确公式的可靠性;最后展示了地球内部几种常见各向异性岩石矿物中地震ｓＳＶ波速度各向异性因子、偏振信息及其与传播方向之间的偏差。     

沉积盆地中剪切波传播的奇异点效应

在各向异性固体介质中大多数传播方向上,地震剪切波分裂的规则性和可预测的形态,原则上可能与岩体各向异性的程度和各向异性的对称性直接有关。虽然在所有各向异性的固体介质中都有若干传播方向,这就是大家熟知的剪切波奇异性,然而那里分裂的剪切波却具有相同的相速度,对接近于最常见的奇异性型(点状奇异性)传播的各方向上,相速度和群速度之间的关系可以因方向的微小变化而迅速地交化。虽然各向异性的程度可能太小以致不能在群速度波阵面上产生普通的奇点,但即使剪切波接近奇点传播具有规则偏振和振幅变化,这仍能导致它沿射线(以群速度传播)出现异常. 在沉积盆地中,接近这类奇异点传播的效应已经被识别出来了.它们的特征是有着非常确切的方位吝向异性现象〔具有垂直轴对称的横向各向异性).这是水平岩性或精细分层(PTL各向异性)引起的.联系到更为近代判别出的方位各向异性,也可能是近平行、近垂直的充满液体的微裂隙群的分布(EDA各向异性)引起的.本文用计算模拟沉积盆地的材料的一个点状奇异性附近的关于方向上的合成剪切波证实了这些不规则效应.在勘探地震学中.当点状奇异性可能在沉积盆地内沿近垂直射线通道发生时,这类异常可能是重要的.如果不能正确地判别,这类点状奇异性的效应可能被错误地认为是构造不规则性造成的,如果判断正确了,则奇异性的方向可以作为沉积盆地PTL和EDA各向异性的可能形态的严格约束条件.     

核幔边界的速度结构对PKPab波形的影响

用地球的自由振荡研究地球内部结构、速度间断面、密度分布等具有射线理论不可替代的优点。而地球的自由振荡可以用简正振型来表示,用简正振型叠加方法合成的PKP波理论地震图,其PKPab波震相和PKPdf波震相的走时与射线理论计算的理论走时基本一致,并且研究了在地幔底部至核幔边界上方300km处,压缩波的速度梯度的变化对PKPab波振幅的影响,从而证明当波以接近掠射角或者大于掠射角入射时,会有漏能现象的发生,或者可称之为隧道效应。发现用3个不同模型合成的地震图,在震中距相同的情况下,核幔边界上P波速度梯度大的,其PKPab波的振幅较小一些。这也进一步说明核幔边界上方P波速度梯度的变化对漏能现象有一定程度的影响。     

非均匀各向异性介质中弹性波的传播

平面波分解法是研究地震波场简捷有效的方法,各种复杂的波场可用平面波合成的方法得到．文中采用平面波方法研究非均匀各向异性介质中的弹性波．对时空域非均匀各向异性介质波动方程,运用f-k变换,可得到频率空间域波动方程(Christoffel方程)．利用非均匀各向异性介质中,弹性参数及其空间变化率与Christoffel矩阵元素关系,提出非均匀各向异性介质Christoffel矩阵方程的求解方法,并运用于非均匀TIV介质和非均匀EDA介质．在连续介质条件下,当波沿速度增加方向传播时,振幅的方向导数小于零,即振幅衰减;当波沿速度减小方向传播时,振幅的方向导数大于零,即振幅增强．波的振幅强度是传播方向的函数(各向同性条件下也是如此),但并不总是衰减．若只研究波沿速度增加方向传播的情况即得出波在连续介质中传播振幅衰减的结论是不全面的．      

均匀介质背景中三维异常体的面波波场响应及其动力学特征分析

除介质各向异性之外,地球内部介质的横向非均匀性也是控制面波速度变化的重要因素.本文基于振型耦合和多重散射的地震波传播理论,数值模拟并分析了在具有均匀介质背景的三维异常体——上地幔横向非均匀介质中传播时,地震面波的振幅与偏振等动力学响应参数;其中分别模拟了不同周期入射、不同角度入射和不同尺度非均匀介质模型等多种情形下面波波场,并对横向非均匀性诱导的面波偏振异常进行了分析.结果表明,相对于长周期面波而言,短周期面波的振幅和偏振方向受横向非均匀性的影响更大,特别是偏振方向对地球结构的非均匀性更为敏感;切向分量存在横向非均性引起的Rayleigh与Love面波耦合现象;异常体边界处表现出强的面波波场响应.     

用最大似然法进行波场分解和震相识别

本文以介质中弹性波场的传播特征和多元统计分析为基础,从数学上进行严格的推导,得到了模型与资料拟合的最大似然判据,以检验地震波列中是否存在某种特殊波型的能量。利用概率滤波可得分解后的地震图,从图中可以直接得到震相到时。用此方法处理P波资料,效果较好。对于剪切波资料,有时处理结果不十分理想。这可能是由于径向分量和横向分量之间的线性相关性造成的。对于因介质各向异性而形成的分裂剪切波,用此方法得到的S波到时为快S波到时。此方法对于单台三分向记录资料的处理是十分有效的。     

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.     

横向各向同性介质中地震波走时模拟

横向各向同性介质是地球内部广泛分布的一种各向异性介质.针对这种介质,我们对各向同性介质的最小走时树走时模拟方法进行了推广,推广后的方法可适用于非均匀、对称轴任意倾斜的横向各向同性介质模型.为保证计算效率,最小走时树的构建采用了一种子波传播区域随地震波传播动态变化的改进算法.对于弱各向异性介质,我们使用了一种新的地震波群速度近似表示方法,该方法基于用射线角近似表示相角的思想,对3种地震波（qP, qSV和qSH）均有较好的精度.应用本文地震波走时模拟方法对均匀介质、横向非均匀介质模型进行了计算,并将后者结果与弹性波方程有限元方法的模拟结果进行了对比,结果表明两者符合得很好.本文方法可用于横向各向同性介质的深度偏移及地震层析成像的深入研究.     

双相介质中地震波的频率-空间域数值模拟

本文利用优化的25点频率-空间域有限差分算法对基于BISQ模型双相各向同性介质中的地震波进行了数值模拟.通过与经典的Biot模型理论模拟结果进行对比,分析了Biot流动（宏观流体流动）和Squirt流动（微观流体流动）耦合作用对地震波在孔隙介质中传播特性的影响.数值模拟在地震频段进行,结果显示：在理想相界和黏滞相界情况下,Squirt流动机制都比Biot流动机制产生了更大的速度频散和能量衰减.其中,在Biot流动和Squirt流动耦合作用下的快P波的速度和振幅小于仅考虑Biot流动影响下快P波速度和振幅,而且慢P波的衰减也更加强烈.本文还研究了地震波在双层双相各向同性介质分界面处的反射和透射特征,双相介质中波的反射与透射现象类似于单相介质的情况.模拟结果表明,利用优化25点频率-空间域有限差分法模拟双相孔隙介质中的地震波场是可行的,这为开展双相孔隙介质全波形反演问题的研究提供了可能.     

利用伪谱法模拟横向各向同性介质中的波

介质的弹性常数为三维四阶张量的分量,共有８１个,由于应力张量和应变张量的对称性及能量密度是应变的二次函数,一般各向异常性介质的独立弹性常数可减为２１个,如果介质具有较高的对称性,独立弹性常数的数目会更少。 对于地壳和上地幔,具有５个独立弹性常数的横向各向同性介质是一个非常好的近似,本研究中横向各向同性介质的对称轴方向可以是任意的（即对称轴可以不平等于铅直方向）,在此情况下,需要进行坐标变换,如果已知介质在某一坐标系（其坐标轴平行或垂直于介质的对称轴）中的弹性常数,我们能够容易地利用变换公式得到变换后新坐标系中的弹性常数。 本文提出了一种方案,利用伪谱法既能模拟横向各向同性介质中的平面波,也能模拟点源激发的波场。在勘探地球物理和地震学中,模拟横向各向同性介拮中传播的平面波及区域源产生的波是最重要的研究课题之一。然而在一般各向异性介质中,很难或不可能确定弹性波的相速度和偏振方向,但在横向各向同性介质中,则可以通过坐标变换来实现,这里我们所提出的方法可以用于横向各向同性介质中弹性波的模拟。     

单裂缝岩石标本的弹性波频响特征初步分析

通过分析单裂缝岩石标本中弹性波到时分布、波震相转换和波振幅衰减等规律，进一步用波场及频谱量刻划介质横向不均匀性。Ｐ波震相遇裂缝端部后出现“之”字形波峰，分叉成折射Ｐ波、绕射Ｐ波，它的特征也依赖于发射源和接收点相对于裂缝的位置，当波以大角度斜跨裂缝和发射点在约裂缝半长度范围时波到时和振幅差别更大。对其研究有助于认识弹性波场在含断层结构中的复杂图象特征、在野外勘探中提高地震资料解释、断裂构造识别能力和提高弹性波在非完整岩石实验中的声发射定位等能力     

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.