低频条件下饱和流体砂岩的衰减研究

通过改变流体的粘滞系数研究饱和流体砂岩的衰减及模量色散，探讨衰减与激发频率、共振振幅的关系，比较砂岩中不同饱和流体时衰减的变化．并采用滞弹性固体三参数模型和cole-cole分布来解释所观测到的实验现象．      

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.     

饱和砂岩在温度和频率域的衰减和速度频散

利用Metravib热机械分析仪, 在天然地震的频率和温度范围内, 首次对泵油和甘油饱和两种孔隙度的彭山砂岩的衰减和速度频散进行了实验研究． 结果表明, ① 泵油饱和彭山砂岩对频率和温度的依赖呈热激活弛豫规律; ② 杨氏模量和弹性波速度与孔隙度、 温度呈负相关, 与饱和液体的黏滞系数、 频率呈正相关; ③ 频散效应因频率上升而增强, 因温度增高而减弱． 这一规律性的结果为地震波理论研究提供了实验基础．      

部分饱和孔隙介质中的纵波方程及衰减特性研究（英文）

本文以中观孔隙结构的White模型为基础,构建了部分饱和孔隙介质模型,利用Biot方程的建立思路和Johnson推导的体变模量,推导了部分饱和孔隙介质中的纵波方程,并以平面波为例,求取了方程的衰减系数,分析了地震勘探频带范围内地震波的衰减特性。结果表明:在部分饱和孔隙介质中,地震波在低频段也会发生明显的衰减和频散现象,频率越大,衰减越大;且第二纵波的衰减比第一纵波更为明显;这一结论弥补了Biot理论在描述地震勘探频带范围内波的衰减现象的不足。文中还研究了孔隙度、饱和度和模型内径尺寸对第纵波衰减特性的影响机理,主要表现在在地震勘探频带范围内,波的衰减随孔隙度的增大而增大,随含油气饱和度的增大而减小,当孔隙内径尺寸小于二分之一外径尺寸时,波的衰减随内径尺寸的增大而增大,当内径尺寸大于二分之一外径尺寸时,波的衰减随内径尺寸增大而减小。     

不同围压下孔隙度不同的干燥及水饱和岩样中的纵横波速度及衰减

选择具有不同孔隙度的三种岩石样品,在最高达600MPa （干燥样品）或300MPa （水饱和样品）的不同围压条件下,同时测量了在其中传播的纵、横波的速度及衰减。对于低孔隙度的花岗岩,干燥和水饱和样品的 Q 值几乎没有差别,但与干燥样品相比,水饱和样品中的纵波速度较高而横波速度稍低。对于中等孔隙度的杂砂岩,干燥样品和水饱和样品的波速和 Q 值及其随围压的变化有明显的不同。在高孔隙度的砂岩中这种不同更加显著。综合分析同时测得的纵、横波速度和 Q 值可以发现,当围压增加时,低孔隙度的花岗岩中同体应变相关的能量损失与同剪切应变相关的能量损失之比减小,但在中等孔隙度的杂砂岩和高孔隙度的砂岩中这一比值增大;同时,水饱和样品中的这一比值要比干燥样品中的大,而且它们之间的差别同样品的孔隙度正相关。     

饱和砂岩的黏弹行为的实验研究

通过Metravib热机械分析仪,用正弦波进行加载,实验时固定静载为100 N,正弦波动载荷恒为60 N,将总载荷控制在屈服点以下;在温度为-50～125℃,升温速率为1℃/min,频率为5～1000 Hz的条件下,对泵油饱和长石砂岩、彭山砂岩样品进行单轴循环加载实验,求取泵油饱和长石砂岩和彭山砂岩的衰减、耗散角、模量...     

成都遥测台网区域尾波衰减特性及Qc值研究.

基于单次散射模型的尾波功率谱分析法，利用四川省地震局与日本东北大学共同建立的成都遥测台网地震波实时处理系统记录的50个地震的数字化地震波形资料，计算了成都遥测台网区域地球介质对应于几个不同频率的Qc值．发现在1.0～20.0 Hz频率范围内，Qc值随频率的变化近似服从幂函数关系Qc＝Q0f n．其中Q0值在60.83～178.05之间，平均值为117；ｎ值在0.713～1.159之间，平均值为0.978．结果表明，成都遥测台网区域Qc值对频率有强的依赖关系．与世界上其它地区所得到的结果比较，成都遥测台网区域Qc-1值及其随频率的变化与构造活动强烈地区的值类似，具有强的频率依赖性．      

小尺度岩石爆破引起电磁辐射的野外实验观测结果

为探索地震电磁辐射(EMR)现象的机理，我们在野外进行了爆破岩石引起电磁辐射的实验．此次实验共取得26次小尺度岩石爆破的中低频(＜5 000 Hz)电磁辐射资料．本文给出了该野外实验的某些有代表性的观测结果．结果表明:26个爆破点中20个爆点附近不同程度记录到与爆破过程有关的EMR现象，其强度随与爆点距离增加而减少，随爆破能量增大而增大；EMR记录具有某种重复性(相同条件下)、复杂性(多次辐射效应)和区域性特征；并受测区岩性结构条件、爆破源能量和观测方向等多种条件的影响．      

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．      

强地震动相位的一个随机模型

进一步阐述了强烈地震波的等效频散概念，提出了一个与频率相关的强地震动相位的随机模型，供强地震动相位的统计估计使用．将这一半经验模型和强地震动振幅谱衰减的经验模型相结合，可以保证合成的设计地震动的非平稳特征与真实记录在统计意义上的一致．      

岩石激发极化弛豫时间谱与孔隙结构、渗透率的关系

激发极化衰减曲线包含丰富的地层信息,且由多个指数衰减叠加而成.本文采用奇异值分解法对泥质砂岩的激发极化衰减谱进行多指数反演,得到光滑连续的激发极化弛豫时间谱,合适的弛豫时间分布点数为32～64.激发极化弛豫时间谱能够表征饱和NaCl溶液的岩石孔隙结构.结合孔隙度和弛豫时间几何平均值,能够显著提高渗透率的求取精度.     

砂岩和页岩弹性波性质的实验研究进展

砂岩和页岩的弹性波性质是通过地震资料推断储层物性和流体分布的基础.岩石波速测量常用超声波(10⁵～10⁶ Hz)脉冲法,低频岩石物理实验技术的发展为研究弹性波在岩石中的衰减和频散奠定了基础.本文系统总结了前人在高频和低频下测量砂岩和页岩弹性波性质的方法和实验结果,并结合矿物弹性性质和岩石物理模型,分析了压力、温度、矿物组成、孔隙结构、流体、频率等因素对岩石波速和衰减的影响.由于孔隙和微裂隙随压力增加而逐渐关闭,干燥砂岩和页岩的P波和S波速度在低压下随压力非线性增加,高于临界压力呈线性增加.干燥岩石样品的波速随温度增加而缓慢线性降低,频散效应可以忽略.而含流体砂岩和页岩的衰减和频散受温度、压力、流体饱和度、流体黏度、孔隙结构和频率等多种因素的影响,含流体砂岩和页岩的泊松比和逆品质因子Q^-1显著高于干燥样品.低压下砂岩的波速与孔隙度负相关,而影响页岩波速的因素更为复杂,页岩的波速、衰减和频散的各向异性都高于砂岩.将跨频段岩石物理实验与数字岩石物理技术相结合,可为勘探地球物理的方法创新和资料解释提供可靠依据.     

饱和岩石的各向异性及非线性黏弹性响应

在MTS伺服压机上对不同饱和状态的砂岩、大理岩标本进行了垂直层理和平行层理两个方向的正弦波加载试验,研究了饱和岩石的各向异性及非线性黏弹性行为. 在最大载荷低于岩石的屈服点时,获得的衰减、杨氏模量、泊松比、波速都表现出显著的各向异性,同时它们还具有较明显的应变振幅效应和频率效应. 随着应变振幅的增大,衰减近似呈线性增长,杨氏模量和泊松比近似呈线性下降. 在0.005-4Hz频段内除衰减不明显依赖频率以外,杨氏模量、泊松比、波速对频率的依赖性都较强; 当频段扩大到15Hz时,这4个参数都表现出较强的频率效应. 饱和岩石的衰减、杨氏模量、泊松比、波速均随饱和液体的黏滞系数增大而增大.     

垂向非均匀介质中首波特征分析

利用合成理论地震图方法研究了存在高速层或低速层的地壳模型及壳-幔过渡带模型中首波等震相的动力学特征，指出首波的特征对于高速层的结构变化比较敏感．当高速层厚度与特征波长相比较小时，地震波的衍射现象明显，这种情况下高速层不能屏蔽在其下面一层的上界面传播的首波，且该首波震相的强度随高速层厚度或速度的增加而递减；当高速层厚度与特征波长相当时，高速层底面的反射波震相与首波震相到时接近，会因互相干涉而减弱；对于低速层，首波震相强度较弱且随低速层速度的减小而递减；在壳-幔间断处引入一定厚度和速度变化范围的过渡带，可以得到更加明显的视首波震相，强度随过渡带厚度或速度变化范围的增加而增大．      

地震动反应谱与相位差谱的关系

研究了地震动相位差谱与反应谱的关系，从中发现相位差谱通过影响单自由度体系反应时程的形状来影响地震动反应谱．在相位差谱均值一定的前提下，减小其方差将使反应谱增大，反之将使反应谱减小．在相位差谱方差固定时，增大其均值的斜率将使反应谱值减小，反之将加大反应谱．相位差谱作用于反应谱时阻尼在其中起着重要作用，随着阻尼的增大，相位差谱对反应谱影响越来越明显．阻尼的增大使得相位差谱对放大倍数谱的影响逐渐减小．      

北京及其周围地区尾波Ｑ值分布特征的研究c

使用北京遥测台网数字化记录资料，根据尾波的单次散射模型，采用在频率域里求尾波能量谱密度的方法，并且按固定时间窗分别计算Q值，处理了1989和1990年两年中20个台站69个地震的数据，研究了北京地区尾波Q值随空间、频率和延续时间的不同以及这些不同的Q值随时间的变化．结果表明，尾波Q值与时间窗的取定以及频率的变化表现出较强的依赖关系．假定QC=Q0f时，对应于15——30、30——60、60——90 s三个时间窗，Q0的平均值分别为48，115和217，的平均值分别为0.89，0.91和0.74．同时，本文为北京地区尾波Q值的日常检测提供了基础的软件．      

多孔岩石波传播的热弛豫模型修正

经研究发现热弛豫模型的衰减比BISQ模型大得较多,与地球介质相比衰减量也过大;反演与实验结果相比在虚模量的低频(或低温)端和高频(或高温)端相差较大,仅在峰值附近符合较好.针对上述不足,将Arrhenius关系直接引进Biot模型,替换原模型引进的峰值点的频率对数和温度关系,并重新调整了模型参数.这样既改善了原模型衰减量过大,又克服了模型反演中虚模量峰值曲线两侧差异较大的缺点.进行了P波和S波的波传播分析,仍然在频率谱和温度谱上获得热弛豫峰和Biot峰.分析显示热弛豫峰导致波速随频率升高而上升的普遍规律,Biot峰导致波速随温度升高而上升的异常现象.在相同条件下对Biot模型,BISQ模型和热弛豫模型的P波波速和衰减进行了对比.热弛豫模型得到的速度频散更强,频散范围更宽,所得的衰减峰值频率比BISQ模型要低,衰减幅度比BISQ模型稍大.这些结果与实验结果相近,更符合实际.     

微波遥感技术在岩石力学中的应用

在岩石加载直至破裂的过程中，对岩石的微波辐射进行了遥感观测研究．使用的微波辐射计的波长为8 mm，2 cm和10 cm．对13种岩石进行了实验．实验表明，在岩石加载过程中，岩石的微波辐射亮度温度随应力的增加而增加．岩石临破裂前微波辐射亮度温度加速增长．这一现象可以看作岩石破裂的一种新前兆． 过去在岩石破裂的红外遥感观测实验基础上提出的遥感岩石力学(或遥感岩石物理学)的概念，由于本实验的新结果扩充了它的内容，由红外遥感扩充到微波遥感，从而也扩大了遥感岩石力学在地震预报研究和岩爆预报研究中的应用前景．      

地应力对裂隙岩体渗透特性的影响

提出了地应力场中岩体不连续面变形的本构关系，讨论了渗流与应力耦合条件下裂隙岩体渗透张量的计算方法，阐述了地应力对裂隙岩体渗透特性的影响．研究表明，地应力对岩体渗透特性的影响主要是通过改变不连续面的开度和不连续面网络的水力传导路径而产生的；裂隙岩体渗透性随岩体埋深的增加呈负指数减小，随侧压系数的增大呈双曲线减小．渗流场与应力场的耦合理论可望应用于水库诱发地震的研究中．      

对地磁观测基线值滑动现象的再研究

通过对天水地磁台1991～1995年间H分量磁变仪的基线值的详细分析，结合数值模拟，阐明了以下观点:滑动不是长期存在的现象．对于正常运行多年的仪器，滑动的影响趋于零；基线值随温度的变化在特定的低温段可逆，在高温段不可逆，在高温段的不可逆，是导致基线值随时间的变化在形态上单调下降的主要原因．以往把这种现象归因于滑动是错误的．对于天水台来讲，目前H分量基线值的测量已经不存在滑动的影响．由此提出了分段处理基线值随温度变化关系的方法．