弹性介质各向异性研究沿革、现状与问题

各向异性介质中地震波的传播研究是当今地震学研究领域中的前沿课题之一,同时也是地震学中难题之一.由于地下岩石的各向异性主要表现在:地震波速度随传播方向发生变化;不同类型体波间相互耦合;横渡发生分裂:面波速度频散依赖于传播方向等.薄互层与裂隙定向分布等产生视各向异性,放在石油地震勘探、地震预测和岩石层物理与动力学研究中有极大潜力和应用前景,并受到广泛重视.为此,本文较为详尽地讨论了弹性介质中地震波各向异性研究的沿革,简述了国内外现今取得的主要研究成果以及目前尚存在的和有待解决的一些主要问题.最后对我国在各向异性介质中地震波动、检测和应用等研究提出了一些看法.     

岩石圈主要各向异性矿物的CPO特征及其对岩石圈动力学研究的启示

地震波各向异性主要受岩石中矿物晶格优选方位(Crystallographic Preferred Orientation,CPO)的影响,橄榄石的CPO控制着上地幔的地震波各向异性。将岩石中矿物的CPO与全岩地震波各向异性相结合,可以解释在全球不同构造单元观测到的地震波各向异性,从而进行构造变形和动力学过程分析。文中在总结岩石圈主要各向异性矿物的CPO和各向异性特征的基础上,以青藏高原东南缘岩石圈地幔包体为例,对其显微组构和地震波各向异性进行研究,结果显示青藏高原东南缘岩石圈地幔的构造环境发生改变,岩石圈地幔无法解释观测到的剪切波分裂(SKS)地震波各向异性,需要考虑其他各向异性来源。由此可见,研究岩石圈地幔矿物的CPO对合理约束地球物理测量资料和分析岩石圈变形特征至关重要。     

从震级偏差看震级问题

震级为地震的基本参数之一,由于测定震级普遍存在偏差等问题,测定震级的稳定性问题一直令人关注。该文就震级偏差的起因进行了讨论,认为产生偏差的主要原因是震级本身问题和地球内部结构的各向异性导致地震波能量记录失真。     

垂向裂隙各向异性煤层地震波响应

煤层中存在的裂隙会导致介质表现为各向异性,本文以HTI型煤层为例,结合各向异性介质弹性矩阵和各向异性裂隙理论,推导出不同充填物的垂直裂隙中各向异性参数表达式,将其应用于地震波响应分析;通过改进的交错网格差分法和各向异性Christoffel方程波场分解法,得到地震波合成记录和分解后的P波和SV波记录;将Thomsen群速度与相速度公式,经过坐标轴旋转变换,得到HTI型煤层中不同各向异性参数的地震波速度响应表达式;建立不同类型煤层地质模型,分析了裂隙密度、裂隙充填物以及煤层厚度等参数变化时的地震波响应特征.研究结果为分析垂向裂隙各向异性薄煤层地震波传播规律提供工具,为选用相应地震数据进行地震波各向异性参数反演提供依据.     

基于牛顿迭代法求解群速度的地震波射线追踪模拟

地下介质中普遍存在着各向异性,当前基于各向异性的地震波射线追踪多是在弱各向异性介质中进行且采用群速度近似表示方法,这些近似方法在强各项异性介质中会导致很大误差而无法真正模拟地震波的传播规律。根据地下普遍存在各向异性的事实和地震波基本传播规律,提出利用牛顿迭代法高效求解群速度,基于Paraview平台自动化构建三维地质模型,采用最短路径法进行地震波射线追踪模拟及可视化,实现对复杂三维地质的速度不均匀性和各向异性的表达,为三维地质模型的构建和地震波射线追踪模拟及可视化提供一种新思路,并以华北克拉通山西断陷带北部局部区域为例进行研究。结果表明,该方法能够减少由各向异性对地震波传播模拟造成的影响,清晰表达了研究区地质结构和各向异性特点,在对复杂三维地质结构的解读中能够较好应用。     

变形组构引起的超高压榴辉岩地震波速各向异性

超高压榴辉岩通常显示了强塑性变形和地震各向异性特征. 对实验和天然变形超高压榴辉岩中主要矿物的地震波速性质及其变形晶格优选方位(CPO)与榴辉岩地震波速和各向异性之间的成因关系研究结果表明: (1) 除石榴石表现为近地震波速各向同性外, 榴辉岩中其他矿物都具有强地震各向异性(AV_p = 23.0%~40.9%, Max. AV_s = 18.5%~47.1%), 是造成榴辉岩地震各向异性的主要来源矿物, 石榴石和金红石的平均地震波速相对较高, 绿辉石和柯石英中等, 石英最小; (2) 变形榴辉岩最大纵波波速(8.33~8.75 km/s)方向近平行变形线理或面理, 最小纵波波速(8.25~8.62 km/s)近垂直线理或面理, 纵波波速各向异性1.0%~1.7%, 平均横波波速4.93~4.97 km/s, 其各向异性在同时与线理和面理成近45°方位接近最大(0.73%~1.78%), 在面理面上接近垂直线理方位达到最小, 横波快波极化取向近平行面理. 超高压峰值变质条件(3~5 GPa, 900~1100℃)下榴辉岩地震纵波和横波波速预计比常温常压下分别高出3.4%~7.2%和6.3%~12.1%; (3) 绿辉石矿物组分主导了榴辉岩各向异性基本特征, 而石榴石矿物组分则起到了降低榴辉岩各向异性程度和增加地震波速的作用, 石英矿物组分对榴辉岩地震各向异性影响不大但可以一定程度上降低榴辉岩的地震波速, 金红石矿物组分的作用基本可以忽略; (4) 榴辉岩地震波速在纯石榴石岩中最大但各向异性接近于零, 随绿辉石含量的增加, 地震波速逐步降低, 各向异性逐步升高, 纯绿辉石岩比纯石榴石岩地震波速低6%~8%, 而各向异性则达到3%~4%. 根据榴辉岩组成矿物的单晶弹性性质和变形CPO计算的榴辉岩地震物性与前人实测结果基本相当. 研究成果获得了超高压变形榴辉岩的三维地震物性资料和相关的矿物物理成因解释.     

青藏高原东南缘岩石圈变形特征及各向异性成因分析

正新生代印度大陆和欧亚大陆的碰撞引起了青藏高原强烈的变形和隆升,青藏高原东南缘作为在板块碰撞作用下高原物质向东南扩展的重要场所,其结构和动力学过程对于了解青藏高原的构造演化至关重要。地震波各向异性是了解地球内部物质变形方式的重要手段,近年来在青藏高原东南缘开展了大量的地震波各向异性测量,包括Pms震相、SKS震相等,并针对相应的地球物理测量结果提出了构造模型,但这些构造模型缺乏来自深部岩石学方面的约束来确定地球物理测量结果解释的合理性和可靠性。已有研究表明地震波各向异性主要受岩石     

起伏地表条件下各向异性地震波最短路径射线追踪

在地震波正反演研究中,考虑起伏地表和地震各向异性具有非常重要的理论意义和实际应用价值.本文在前人研究的基础上,将最短路径追踪算法引入到起伏地表各向异性介质模型的地震波走时计算中.模型剖分时,整体模型划分成正方形单元,起伏边界附近以不规则网格逼近,进而采用非规则节点布置实现非规则网格处的最短路径计算.追踪计算中采用Sena群速度近似公式,得到各向异性地震波的走时,实现了复杂地表情况下各向异性介质模型中地震波的射线追踪.理论模型计算结果显示,本文方法能够可靠地应用于复杂各向异性介质模型,具有较高的计算精度.     

俯冲带主要含水矿物弹性波性质研究现状及展望

俯冲带中的含水矿物对物质循环和水迁移等有着极其重要的作用,同时也是俯冲带中的地震波速异常的主要原因．本文总结了近20年来,国内外对俯冲带三种主要含水硅酸盐矿物（蛇纹石、绿泥石和角闪石）弹性波速研究取得的重要成果：含水矿物普遍具有低波速、高各向异性的特点;压力增加波速增加,但波速各向异性降低．富含水矿物的岩石,波速各向异性随着含水矿物含量的增加而增大,同时受到含水矿物晶格择优取向（LPO）类型以及岩体中裂隙的影响．含水矿物LPO引起的地震波速各向异性特征与俯冲的角度有关,在低角度的俯冲带中会引起垂直于海沟方向的快速传播,而在高角度的俯冲带中引起平行于海沟方向的快速传播．文章最后针对目前俯冲带中含水矿物弹性波速研究中存在的问题,提出了未来需要在三个方面加强研究．     

四重旋转对称含裂隙双相各向异性介质中的地震波

基于各向异性介质和含裂隙双相介质中的地震波传播理论,导出了四重旋转对称含裂隙双相各向异性介质的本构关系与地震波传播的运动方程,并以平面波为例,进行了初步的分析研究．      

各向异性介质中的弹性阻抗及其反演

地震反演已成为油藏描述中的重要组成部分.绝大多数的常规地震反演是叠后地震数据体上进行,很少考虑各向异性存在的情况.随着勘探开发的发展,地震各向异性和叠前地震波阻抗反演引起了人们极大关注.本文在各向同性介质中弹性阻抗研究基础上,推导出了各向异性介质中的弹性阻抗方程,提出了地震各向异性介质中用弹性阻抗进行储层参数描述的技术路线和框架,并对反演过程中存在的问题进行了有益探讨.     

地震各向异性研究进展——参加2001年IAGA-IASPEI会议总结

2001年8月19－31日在越南河内召开了首届IAGA－IASPEI联合大会，有三个专题对地震各向异性进行了重点讨论，另有一些关于地震各向异 的报告分散在不同的专题之中。从这次大会来看，对于地震各向异性的研究主要呈现三个方面的特点，一是观测精度和分析技术手段的提高，二是注意了与其它地球物理资料的联合使用。三是把观测结果与数字到剖析特定局部区域的深部地震学特征和地球动力学含义。     

川滇地区壳幔地震各向异性研究进展

根据川滇地区已有的地震各向异性研究结果,利用体波、面波资料的结果,分析川滇地区不同构造尺度、不同深度的地震各向异性特征。对比不同方法研究川滇地区介质各向异性的特点,探讨了该地区的介质连续性及壳幔耦合状态。分析认为,地壳上地幔各向异性的差异表明,川滇地区具有复杂的地壳及上地幔形变机制。因此,对于川滇地区壳幔地震各向异性的深入理解,需在理论上和高密度数据资料基础上加强量化分析和综合研究。     

基于地震属性各向异性的火山机构识别技术

本文通过对地震资料的分方位处理,分别提取各方位的地震属性,筛选出最具代表性的地震属性,通过属性方位椭圆拟合,求取该属性椭圆的"扁率",用椭圆"扁率"来表征储层的各向异性,并在此基础上识别火山机构.本文提出了基于地震属性各向异性的火山机构识别方法,利用叠前地震资料分方位提取地震属性,并对方位地震属性值进行椭圆拟合,利用椭...     

地壳介质弹性和电性各向异性研究的新进展

分析了地壳介质各向异性研究的现状，指出了弹性和电性各向异性研究中存在的问题，提出了联合利用弹性和电性各向异性研究地球介质特征及提取物性参数的正反演方法．理论研究和地震过程的实际资料表明，将弹性和电性结合起来研究地壳介质各向异性具有清晰明确的物理意义，是各向异性研究的一个非常有发展前景的新领域。     

Estimating azimuthal stress‐induced P‐wave anisotropy from S‐wave anisotropy using sonic log or vertical seismic profile data

Most sedimentary rocks are anisotropic, yet it is often difficult to accurately incorporate anisotropy into seismic workflows because analysis of anisotropy requires knowledge of a number of parameters that are difficult to estimate from standard seismic data. In this study, we provide a methodology to infer azimuthal P‐wave anisotropy from S‐wave anisotropy calculated from log or vertical seismic profile data. This methodology involves a number of steps. First, we compute the azimuthal P‐wave anisotropy in the dry medium as a function of the azimuthal S‐wave anisotropy using a rock physics model, which accounts for the stress dependency of seismic wave velocities in dry isotropic elastic media subjected to triaxial compression. Once the P‐wave anisotropy in the dry medium is known, we use the anisotropic Gassmann equations to estimate the anisotropy of the saturated medium. We test this workflow on the log data acquired in the North West Shelf of Australia, where azimuthal anisotropy is likely caused by large differences between minimum and maximum horizontal stresses. The obtained results are compared to azimuthal P‐wave anisotropy obtained via orthorhombic tomography in the same area. In the clean sandstone layers, anisotropy parameters obtained by both methods are fairly consistent. In the shale and shaly sandstone layers, however, there is a significant discrepancy between results since the stress‐induced anisotropy model we use is not applicable to rocks exhibiting intrinsic anisotropy. This methodology could be useful for building the initial anisotropic velocity model for imaging, which is to be refined through migration velocity analysis.     

Where Can Seismic Anisotropy Be Detected in the Earth’s Mantle? In Boundary Layers...

—During the last 30 years, considerable evidence of seismic anisotropy has accumulated demonstrating that it is present at all scales, but not in all depth ranges. We detail which conditions are necessary to detect large-scale seismic anisotropy. Firstly, minerals must display a strong anisotropy at the microscopic scale, and/or the medium must be finely layered. Secondly, the relative orientations of symmetry axes in the different crystals must not counteract in destroying the intrinsic anisotropy of each mineral, and there must be efficient mechanisms of orientation of minerals and aggregates. Finally, the strain field must be coherent at large scale in order to preserve long wavelength anisotropy. Part of shallow anisotropy can be related to the past strain field (frozen-in anisotropy), however the deep anisotropy is due to the present strain field. All these conditions are fulfilled only in boundary layers of convective mantle.¶We review in this paper, the seismic data sets which provide insight into the location at depth of large-scale anisotropy from the D"-layer up to the lithosphere. In addition to the well-documented seismic anisotropy in the lithosphere and asthenosphere, there is new evidence of seismic anisotropy in the upper (400–660 km) and lower (660–900 km) transition zones and in the D"-layer. Nonetheless the bulk of the lower mantle seems close to isotropy. If we assume the hypothesis that seismic anisotropy is associated with boundary layers in convective systems, these observations strongly suggest that the transition zone is a boundary layer which makes the pasage of matter between the upper and the lower mantle difficult. However, this general statement does not rule out flow circulation between the upper and lower mantles. Finally, the geophysical, mineral physics and geological applications are briefly reviewed. An intercomparison between surface wave anisotropy and body-wave anisotropy data sets is presented. We discuss the scientific potential of seismic anisotropy and how it makes it possible to gain more insight into continental root, deformation and geodynamics processes.     

不同尺度裂缝对弹性波速度和各向异性影响的实验研究

裂缝广泛分布于地球介质中并且具有多尺度的特点,裂缝尺度对于油气勘探和开发有着重要的意义.本文制作了一组含不同长度裂缝的人工岩样,其中三块含裂缝岩样中的裂缝直径分别为2 mm、3 mm和4 mm,裂缝的厚度都约为0.06 mm,裂缝密度大致相同(分别为4.8%、4.86%和4.86%).在岩样含水的条件下测试不同方向上的纵横波速度,实验结果表明,虽然三块裂缝岩样中的裂缝密度大致相同,但是含不同直径裂缝岩样的纵横波速度存在差异.在各个方向上,含数量众多的小尺度裂缝的岩样中纵横波速度都明显低于含少量的大尺度裂缝的岩样中纵横波速度.尤其是对纵波速度和SV波速度,在不同尺度裂缝岩样中的差异更明显.在含数量多的小尺度裂缝的岩样中纵波各向异性和横波各向异性最高,而含少量的大尺度的裂缝的岩样中的纵波各向异性和横波各向异性较低.实验测量结果与Hudson理论模型预测结果进行了对比分析,结果发现Hudson理论考虑到了裂缝尺度对纵波速度和纵波各向异性的影响,但是忽略了其对横波速度和横波各向异性的影响.     

Comparing crustal and mantle fabric from the North American craton using magnetics and seismic anisotropy

A central target in Earth sciences is the study of deformation at various depth levels within the Earth. Seismology has offered a remarkable tool for doing this via seismic anisotropy. It is however not always clear how to interpret those observations. A question of interest is to understand the relation between the deformation of the mantle and the crust, and in studying the relation between the two. Mantle deformation is expressed in seismic anisotropy. In this paper we seek an objective way of extracting information about crustal fabric as well, to be able to compare with seismic anisotropy. The magnetization of crustal rocks offers an attractive possibility for doing this. We thus explore the use of magnetic data, and we compare magnetic crustal fabric orientation with mantle fabric observations from seismic anisotropy. We apply our technique to the North American craton for which we have an excellent magnetic dataset, and we show that there is a clear relation between crustal and mantle fabric for the cratonic region. This has important implications for crustal formation, and for interpreting seismic anisotropy observations.