地壳介质的各向异性弹性本构关系讨论

论述了地壳介质中存在的几类各向异性弹性本构关系，推导了应变能变换公式、EDA薄层各向异性弹性常数及非对称面上EDA构成的单斜对称弹性常数的计算公式，讨论了几种各向异性对称系统的特征方程，并给出了弹性波的角散表达式，最后选取合理的参数对波的角散现象进行了数值模拟。     

利用大地电磁测深法识别EDA地震电性变化前兆

论述了起因于ＥＤＡ现象的地球介质电导率各向异性特征，分析研究了地球介质是忸率各向异性变化引起的大地电磁响应函数变化形态特征，简述了大地电磁测深法对ＥＤＡ电性变化前兆的可识别性及大地电磁资料解释中考虑电导率各向异性的必要性，研究了对称各向异性层状介质大地电磁资料的反演问题。     

应力诱导饱和流体岩石弹性波各向异性

各向同性岩石中裂隙随机分布,施加单轴方向的压应力后,与压应力方向垂直的缝隙会优先闭合.应力作用下裂隙的闭合导致岩石呈现出横向各向异性的特征,进而影响弹性波的传播特征.前人对干燥岩石中应力引起的弹性波速度各向异性开展了大量研究,但未考虑充填流体对于应力诱导各向异性和弹性波传播的影响.弹性波通过应力作用的岩石时会诱导微孔隙结构上的"挤喷流"效应,从而造成弹性波显著的频散和衰减.在本文中,我们分析应力诱导各向异性岩石中挤喷流对弹性波传播的影响.利用硬币型裂隙模型,同时考虑挤喷流和应力诱导各向异性的影响,我们建立了应力作用下含流体岩石各向异性模型.基于本文的模型,我们研究了裂隙介质中单轴应力和充填流体对弹性波传播的影响.我们的模型成功预测了弹性波速度随应力的增加,同时表明了挤喷流造成纵波的各向异性频散更显著.     

二维TI介质非结构网格弹性波矢量逆时偏移

波场延拓得到的多分量波场中既包含纵波信息也包含横波信息,能否在全波场中实现纵横波的分离对各向同性和各向异性逆时偏移都有非常重要的意义.传统的散度旋度分离只适应于各向同性介质而对各向异性介质却无效.在非规则、非结构网格的弹性波数值模拟方法的基础上,发展了一种适应于各向异性介质的波场分离方法.该方法通过求解Christoffel方程,得到相角和极化角的关系,再利用群角和相角的关系,直接得到群角和极化角的关系.该方法与现存的各向异性波场分离相比,获得的计算效率改进更显著,而且存储量小.用简单各向异性模型和SEG各向异性Hess模型进行测试,都得到了较好的效果,证明了本文方法的有效性.     

三角网格有限元法声波与弹性波模拟频散分析

本文对声波与弹性波方程进行有限元法离散,构造有限元法频散关系的一般特征值问题,分析了时间离散格式为中心差分的三角网格有限元法声波与弹性波模拟的频散特性. 比较了三种质量矩阵即分布式质量矩阵、集中质量矩阵和混合质量矩阵对有限元法频散的影响;选取四种典型三角网格,分析了混合质量矩阵有限元（MFEM）频散的方向各向异性;数值频散、方向各向异性随插值阶数的增加逐渐减弱,当空间为三阶插值时,频散主要表现为随采样率的变化而几乎无明显方向各向异性, 其频散幅值也较小. 控制其他影响因素不变的情况下,研究了不同波速比介质中弹性波的数值频散. 最后给出了三角网格MFEM的数值耗散性.     

含垂直裂解隙PTL介质长波长等效正交各向异性弹性常数

针对PTL介质中存在定向排列的铅垂裂隙系统的组合模型,探讨在长波长情况下其等效正交各向异性弹性常数的计算方法.根据Backus方法并结合Hudson微裂隙理论,推出了PTL与EDA组合之等效正交各向异性弹性常数的计算公式,且在裂隙呈稀疏分布的假设前提下,导出了等效弹性常数的具体计算表达式,并进而用伪谱法对含垂直裂隙PTL介质的弹性波场进行了数值模拟.本文的理论研究及数值计算结果表明:用5个长波长等效PTL弹性常数和3个无量钢的裂隙柔量,就可描述等效正交各向异性介质九个独立的弹性常数.     

含垂直裂解隙PTL介质长波长等效正各向异性弹性常数

针对PTL介质中存在定向排列的铅垂裂隙系统的组合模型，探讨在长波长情况下其等效正交各向异性弹性常数的计算方法。根据Backus方法并结合Hudson微裂隙理论，推出了PTL与EDA组合之等效正交各向异性弹性常数的计算公式，且在裂隙呈稀疏分布的假设前提下，导出了等效弹性常数的具体计算表达式，并进而用伪谱法对含垂直裂隙PTL介质的弹性波场进行了数值模拟。本文的理论研究及数值计算结果表明：用5个长波长等效PTL弹性常数和3个无量钢的裂隙柔量，就可描述等效正交各向异性介质力个独立的弹性常数。     

各向异性介质地震波场数值模拟及特征分析

由于各向异性广泛存在于地下岩石中,随着勘探精度的不断提高,对地下介质的各向同性假设越来越不能够满足于现状,因此对各向异性介质的数值模拟显得更为重要。本文推导了各向异性介质的弹性波动方程,总结了震源类型,通过PML方法处理了人工边界问题,通过快照分析验证了数值频散、稳定性条件。研究结果表明:① PML完全匹配层,可较好地解决人工边界问题;②减小空间采样间隔压制数值频散比减小时间采样间隔效果要好得多,盲目减小时间采样间隔会大大降低数值模拟的运算效率;③各向异性介质中弹性波场中除含有准纵波外,还含有速度较慢的准横波;④准纵波波前能量要比由各向异性引起的准横波能量强,准纵波和准横波的波前随着各向异性介质参数的变化而变化。      

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。     

轴对称各向异性介质波动方程深度偏移的对称非平稳相移方法

由所建立的三维qP波相速度表示式出发,导出并解析求解各向异性介质中的频散方程,得到三维各向异性介质中的相移算子,进而将以相移算子为基础的对称非平稳相移方法推广到各向异性介质,发展了一个三维各向异性介质的深度偏移方法. 文中使用的各向异性介质的速度模型与现行的各向异性构造的速度估计方法一致,将各向同性、弱各向异性及强各向异性统一在一个模型中. 所建立的各向异性介质对称非平稳相移波场延拓算子可以同时适应速度及各向异性参数横向变化;文中给出的算例虽然是针对二维VTI介质的,但所提出的算法同样适用于三维TI介质.     

黏弹性与弹性介质中Rayleigh面波特性对比研究

Rayleigh面波的频散特性可以用来研究地表浅层结构. 本文使用时域有限差分法来模拟复杂黏弹性介质中的Rayleigh面波,研究了Q值对面波频散特性的影响.文中采用旋转交错网格有限差分,以非分裂卷积形式的完全匹配层为吸收边界,推出了求解二阶位移-应力各向同性黏弹性波动方程的数值方法.为了检验数值解的精度,首先将简单模型的正演结果与解析解对比,验证了方法的正确性;然后模拟了横向缓变层状介质和含有洞穴的介质中的面波,对弹性和黏弹性介质中的面波的频散特性进行对比分析.模拟结果表明浅层Q值对面波的频散特性有显著的影响;强吸收情况下,高阶面波的能量相对低阶面波能量显著增强.     

交错网格高阶差分法三维弹性波数值模拟

本文应用交错网格高阶有限差分方法模拟弹性波在三维各向同性介质中的传播。采用时间上二阶、空间上高阶近似的交错网格高阶差分公式求解三维弹性波位移-应力方程,并在计算边界处应用基于傍轴近似法得到的三维弹性波方程吸收边界条件。在此基础上进行了三维盐丘地质模型的地震波传播数值模拟试算。试算结果表明该方法模拟精度高,在很大程度上减小了数值频散,绕射波更加丰富,而且适用于介质速度具有纵向变化和横向变化的情况。     

Effects of petrophysical parameters on attenuation and dispersion of seismic waves in the simplified poroelastic theory: Comparison between the Biot's theory and viscosity‐extended theory

The simplified macro‐equations of porous elastic media are presented based on Hickey's theory upon ignoring effects of thermomechanical coupling and fluctuations of porosity and density induced by passing waves. The macro‐equations with definite physical parameters predict two types of compressional waves (P wave) and two types of shear waves (S wave). The first types of P and S waves, similar to the fast P wave and S wave in Biot's theory, propagate with fast velocity and have relatively weak dispersion and attenuation, while the second types of waves behave as diffusive modes due to their distinct dispersion and strong attenuation. The second S wave resulting from the bulk and shear viscous loss within pore fluid is slower than the second P wave but with strong attenuation at lower frequencies. Based on the simplified porous elastic equations, the effects of petrophysical parameters (permeability, porosity, coupling density and fluid viscosity) on the velocity dispersion and attenuation of P and S waves are studied in brine‐saturated sandstone compared with the results of Biot's theory. The results show that the dispersion and attenuation of P waves in simplified theory are stronger than those of Biot's theory and appear at slightly lower frequencies because of the existence of bulk and shear viscous loss within pore fluid. The properties of the first S wave are almost consistent with the S wave in Biot's theory, while the second S wave not included in Biot's theory even dies off around its source due to its extremely strong attenuation. The permeability and porosity have an obvious impact on the velocity dispersion and attenuation of both P and S waves. Higher permeabilities make the peaks of attenuation shift towards lower frequencies. Higher porosities correspond to higher dispersion and attenuation. Moreover, the inertial coupling between fluid and solid induces weak velocity dispersion and attenuation of both P and S waves at higher frequencies, whereas the fluid viscosity dominates the dispersion and attenuation in a macroscopic porous medium. Besides, the heavy oil sand is used to investigate the influence of high viscous fluid on the dispersion and attenuation of both P and S waves. The dispersion and attenuation in heavy oil sand are stronger than those in brine‐saturated sandstone due to the considerable shear viscosity of heavy oil. Seismic properties are strongly influenced by the fluid viscosity; thus, viscosity should be included in fluid properties to explain solid–fluid combination behaviour properly.     

非均匀各向异性弹性波场正演

推导了用于非均匀各向异性弹性波场正演的伪谱法基本公式，对特征值法边界修正方程进行了全面的理论推导，给出了二维和三维问题固体，流体的特征变量及各类边界修正方程，选用2个模型，模拟了2．5维弹性波场，对S波分裂的偏振图像和时间延迟作了较详细的分析。     

地震波在湿颗粒介质中的传播

本文利用拉格朗日运动方程建立了湿颗粒介质中的波场方程组,由此研究了平面简谐波在其中的传播。文中还导出了湿颗粒介质中的支承拉梅系数和耦合弹性系数的表示式。     

黏弹性介质中瑞利波频散曲线和衰减系数曲线的反演

瑞利波具有能量大、信噪比高等特点,可以用来反演介质内部的力学信息,近年来在浅层地球物理勘探、深层地震学研究以及超声波无损检测等多个领域都有较广泛的应用。目前大多数瑞利波的应用中都假设介质是弹性的,然而实际中岩石、土壤和金属等介质都在一定程度上体现出了黏弹性。当介质的黏弹性较强时仍然采用弹性假设研究其中瑞利波的反演将增大误差,因此有必要考虑黏弹性介质中的瑞利波反演,但是目前这方面的研究仍不够深入。本文研究黏弹性介质中瑞利波频散曲线和衰减系数曲线的反演问题,给出其在半空间中联合反演的方法,并对该方法的误差进行分析。     

层状黏弹性介质中Rayleigh波频散曲线“交叉”现象分析

Rayleigh波勘探方法在探测近地表横波速度、动力学特征等环境与工程地球物理领域获得了广泛应用.这种方法以弹性层状介质理论为基础,然而实际介质具有黏弹性,研究面波在层状黏弹性介质中的传播特征,将为近地表面波勘探提供有益帮助.在某些弹性层状介质模型中,例如存在低速夹层和强波阻抗差异地层模型,Rayleigh波相邻两条频散曲线彼此会非常靠近,产生看似彼此"交叉"的现象,即"osculation"现象,但对于黏弹性介质中的这种现象并没有进行相关的研究.本文利用Muller法计算层状黏弹性介质Rayleigh波频散方程,基于层状介质模型中Rayleigh波频散和衰减曲线连续的性质,结合本征位移曲线特征,分析二层黏弹性介质模型中Rayleigh波频散曲线"交叉"现象以及"交叉"点附近的波动特性.结果表明:与弹性介质相比,黏弹性介质中Rayleigh波的波动特性存在明显差异,随着介质对地震波的损耗越来越强,将导致Rayleigh波频散曲线发生"交叉"现象.     

Pseudospectral modeling and dispersion analysis of Rayleigh waves in viscoelastic media

Multichannel Analysis of Surface Waves (MASW) is one of the most widely used techniques in environmental and engineering geophysics to determine shear-wave velocities and dynamic properties, which is based on the elastic layered system theory. Wave propagation in the Earth, however, has been recognized as viscoelastic and the propagation of Rayleigh waves presents substantial differences in viscoelastic media as compared with elastic media. Therefore, it is necessary to carry out numerical simulation and dispersion analysis of Rayleigh waves in viscoelastic media to better understand Rayleigh-wave behaviors in the real world. We apply a pseudospectral method to the calculation of the spatial derivatives using a Chebyshev difference operator in the vertical direction and a Fourier difference operator in the horizontal direction based on the velocity–stress elastodynamic equations and relations of linear viscoelastic solids. This approach stretches the spatial discrete grid to have a minimum grid size near the free surface so that high accuracy and resolution are achieved at the free surface, which allows an effective incorporation of the free surface boundary conditions since the Chebyshev method is nonperiodic. We first use an elastic homogeneous half-space model to demonstrate the accuracy of the pseudospectral method comparing with the analytical solution, and verify the correctness of the numerical modeling results for a viscoelastic half-space comparing the phase velocities of Rayleigh wave between the theoretical values and the dispersive image generated by high-resolution linear Radon transform. We then simulate three types of two-layer models to analyze dispersive-energy characteristics for near-surface applications. Results demonstrate that the phase velocity of Rayleigh waves in viscoelastic media is relatively higher than in elastic media and the fundamental mode increases by 10–16% when the frequency is above 10 Hz due to the velocity dispersion of P and S waves.     

竖向非均匀介质中的Love面波

本利用ＫＷＢＪ２（即几何近似）理论研究介质参数随深度作连续变化的竖向非均匀弹性半空间上覆盖一层厚度为Ｈ的元首中向同性的弹性介质时Ｌｏｖｅ面波的频散问题。给出了频散方程。中以剪切弹性模量和质量密度随深度呈抛物线变化的非均匀介质为例,给出其最低阶振型的频散曲线