不同压力下部分饱和砂岩纵波衰减的理论及实验研究

深入了解不同压力、频率、流体含量和流体分布对岩石中弹性波传播特性的影响,对指导油气勘探开发具有重要意义.不同尺度下的波致流效应,是声波传播过程中产生速度频散和衰减的重要原因.本文以不同压力下水饱和区域改进的骨架模量为纽带,建立了联合介观尺度斑块饱和效应与微观尺度喷射流效应的部分饱和岩石声学理论模型.开展针对性声学实验,根据不同压力下部分饱和砂岩纵波速度测量数据,确定理论模型中的相关参数,从而实现对不同压力下部分饱和岩石纵波衰减的定量表征.在此基础上,通过理论与实验测量的纵波衰减的对比,分析不同压力、含水饱和度以及频率对岩石纵波衰减的影响.研究结果表明,在较低压力,较高含水饱和度以及较高频段,喷射流效应较强,因此新建模型计算的衰减明显大于斑块饱和模型的衰减.由于新建模型体现了斑块饱和效应与喷射流效应的综合影响,相比于斑块饱和模型,新建模型计算的部分饱和岩石的纵波衰减更接近于实测衰减,但受到岩石自身因素影响,新建模型计算的衰减仍略小于实测衰减.

     

大兴安岭诺敏河火山群远震P波衰减研究

板内火山活动是板内下方深部物质组成的重要视窗,而中国东北是研究板内火山的热点场所.中国东北火山活动主要沿大兴安岭及松辽盆地周缘分布,隐匿在大兴安岭内的各火山群落鲜有地球物理观测.本研究聚焦于大兴安岭北部的诺敏河火山群,利用围绕诺敏河火山布设的43个流动台站记录到的17个远震事件数据,通过时间域波形匹配法计算了300条直达P波震相的Δt^*,并进一步采用贝叶斯蒙特卡洛方法反演得到了研究区的二维Δt^*模型,为约束诺敏河火山地区的深部结构提供了新的观测证据.结果显示研究区高衰减区域与火山活动在空间位置上有很好的一致性.诺敏河火山与研究区北端临近小古里河火山区域均观测到高Δt^*值,可能由区域下方热地幔物质上涌导致.诺敏河火山东部、科洛河火山西部区域观测到低Δt^*值,与高衰减区域最大Δt^*差值达约0.3±0.05 s,可能由两部分原因导致：该区域下方残留未被侵蚀的岩石圈,以及局部区域或存在的部分熔融导致的残留地幔矿物脱水.

     

含流体致密砂岩的纵波频散及衰减:基于双重双重孔隙结构模型描述的特征分析

致密砂岩普遍具有低孔、低渗及微裂缝发育的地质特征,并且呈现出很强的非均匀性.致密砂岩储层与常规砂岩储层比较,具有明显的岩石物理性质、渗流力学性质方面的差异.致密砂岩内部的非均匀性对弹性波频散、衰减有显著影响,其中包括孔隙结构的非均匀性,即岩石内部孔隙参数的不均一性,以及孔隙内部不相混溶流体的非均匀分布;此外,非均匀性的尺度也决定了波出现显著频散与衰减的频段.综合考虑致密砂岩孔隙结构非均匀性及流体斑块状饱和的非均匀性,本文采用双双重孔隙介质结构模拟了致密砂岩的弹性波响应,分析了同时具备两类非均质性岩石中的波传播特征.调查分析了两组分别来自中国鄂尔多斯盆地苏里格气田及四川盆地广安气田的不同类型致密砂岩储层的岩芯超声波实验数据,给出了岩石样本的弹性波速度频散与衰减曲线.结果显示理论模型预测结果与完全饱和、部分饱和岩石的实验数据吻合良好.对两个地区致密砂岩岩芯数据进行对比分析,苏里格致密砂岩样本总体上比广安致密砂岩渗透率高,在各孔隙度范围内,特征模拟显示苏里格样本的裂隙尺寸明显大于广安样本.广安致密砂岩在低孔隙度范围内发育了更多、更小的颗粒裂隙/接触.致密砂岩的速度频散与衰减结果受流体黏度、晶体破裂及流体斑块状饱和的共同影响.此外,孔隙度越大,部分饱和岩石中斑块状饱和机制对总衰减的贡献越低,与之相对,结构非均质性所占的比重则有所增强.     

P波随时间衰减:以两条加利福尼亚地震破裂带为例

地震预测是地震学研究一个基本目标,而理解地震周期是地震预测的重要环节.遗憾的是,由于地震断层带不但结构复杂,大地震前后短时间内的震源过程更是随时间迅速变化,这些复杂因素使得常规研究方法不再适用.一类特殊的微震成群地发生在主震断层几乎同一地点上,震源系数几乎相同,近年来地震学界通称其为震群(earthquakemultiplet).本文论证如何将这类特殊的微震作为一组人工震源来阐述美国西部两次大地震(LomaPrieta和MorganHill)的震后弛豫过程.在加利福尼亚LomaPrieta(1989年9月18日,M7.0)及MorganHill(1984年4月24日,M6.2)附近的主震破裂带中就发生了此类震群.其中有两组各包含11个重复地震的震群,分别位于这两个破裂带中,其波形资料质量高,波形及震级变化极小,因而可与实验室条件下的人工震源相比.这些震群地震资料可直接用于计算P波沿波程衰减(即t)的时间性变化,其方法的简单性及结果的精确性都与实验室水平相当.我们的结果显示,每个震群周围分别存在一个异常体,在其各自主震之后的10个月中,该异常体中的P波衰减迅速上升并降落.衰减峰值发生在LomaPrieta地震后2～3周,其震群深度为10.2km.此峰值在MorganHill地震后5～6个月发生,其震群中心深度为2.6km.这两个事例中,t波动峰值都超过此前获得的加利福尼亚大致同一地区t绝对值的100%[1].此结果显示了因同震裂隙张开和震后弛豫过程(如流体移动、裂隙复原及岩石压缩),以及孔隙度和流体饱和度在主震源体部分区域发生的变化.衰减达峰值的时间之显著差异则提示我们,裂隙闭合及伴随的流体移动是负载敏感的,深度越大达峰值越快,反之亦然.如将此方法应用于主震前多重地震的资料,将有望更好地理解最终导致主震断层带大破裂的震前微破裂的物理过程.     

The experimental studies on electrical con-ductivities and P-wave velocities of anortho-site at high pressure and high temperature

Introduction The measurements of the compressional wave velocity and electrical conductivity of minerals and rocks are of fundamental importance to look into the earths interior, including composition, geotherm, generation and distribution of fluids and melts. Hydrous minerals formed by metamatu-siom are abundant within the earth. Previous studies have been carried out on the dehydration effect on the electrical conductivity and wave velocity of rocks such as serpentine, amphibole, most of whi…     

Experimental studies of electrical conductivities and P-wave velocities of gabbro at high pressures and high temperatures

The studies on the physical properties of minerals and rocks in combination with the work in petrology, mineralogy and geochemistry are not only a useful mean to look into the composition and structure of the earth抯 interior, but also can provide extreme…     

山东乳山震群重复地震P波频散衰减特征分析

利用波形互相关方法识别乳山震群中的重复地震,挑选一组在时间上跨越2015年5月22日M_L 5.0地震的重复地震序列（repeating earthquake sequences,RES）,利用测算单台直达P波第一个周期信号频散衰减特性的方法,估算乳山震群震源区介质品质因子,结果显示,不同路径下Q_m值随时间的变化形态基本一致,即此次M_L 5.0地震前Q_m值升高,临震及震后Q_m值下降并恢复至震前水平。同时,通过对震源区近场及远场应力状态的相关性分析,认为此次M_L 5.0地震发生在远场作用下区域构造应力状态调整过程中,与区域构造的介质状态、断层分布、速度结构密切相关。     

基于常规测井数据的纵波本征衰减估计

地震波本征衰减反映了地层及其所含流体的一些特性,对油气勘探开发有重要意义.已有的理论研究与实验发现,地震频带内的衰减主要与中观尺度(波长与颗粒尺度之间)的斑状部分饱和、完全饱和岩石弹性非均匀性情况下波诱导的局部流体流有关.这种衰减与岩石骨架、孔隙度及充填流体的性质密切相关.本文着重讨论均匀流体分布、斑状或非均匀流体分布两种情况下部分饱和岩石的纵波模量差异.以经典岩石物理理论和衰减机制认识为基础,通过分析低频松弛状态、高频非松弛状态岩石的弹性模量,讨论储层参数(如孔隙度、泥质含量以及含水饱和度等)与纵波衰减之间的确定性关系.上述方法与模型在陆相砂泥岩地层与海相碳酸盐岩地层中的适用性通过常规测井资料得到了初步验证.     

华北及周边地区上地幔P波速度结构

本文基于层析成像方法研究了华北及其邻区(30°N~43°N,100°E~130°E)的上地幔P波速度结构.该区域是我国地震活动强烈的地区之一,曾多次发生破坏性地震,地质构造十分复杂.本研究采用中国数字化地震台网1996~2002年和中国科学院地质与地球物理所（IGGCAS）流动地震台阵2001~2003年地震记录中的P波走时,挑选了6870个地震事件,其中包括1382个区域地震事件,5488个远震事件.在对实际资料反演之前,进行了分辨率测试以确定反演结果的可靠性,对反演中不同参数对结果的影响做了分析,以确定最佳的的模型和参数.根据上述分析,以水平方向1°×1°,垂直方向以5 km、15 km、30 km为间隔划分网格,并建立初始速度模型,采用伪弯曲射线追踪方法计算走时和射线路径,通过基于LSQR算法的反演重建了研究区域40 km以下、480 km以上的三维P波速度结构.成像结果显示：（A）研究区域西南部的四川盆地北部在40 km以上为明显的低速异常,40 km以下一直到360 km均为高速异常;（B）华北盆地在90 km之上高速异常比较明显,而在120 km~360 km的深度,低速异常为区域主要特征,它与渤海湾地区的低速区连接,形成地幔楔,随着深度的增加,由于太平洋俯冲板块的影响,华北盆地和渤海湾地区下的高速异常突出.     

Three-dimensional P-wave velocity structure of the crust beneath Hainan Island and its adjacent regions, China

Using over 3 500 first P arrival times recorded by nine digital seismic stations from Hainan Digital Seismic Net-work during 1999～2005,a 3-D P-wave velocity model of the crust under Hainan Island and adjacent regions has been determined. The results show that the pattern of velocity anomalies in the shallower upper crust is somewhat associated with the surface geological tectonics in the region. A relative low-velocity anomaly appears north of the Wangwu-Wenjiao fault zone and a relative high-velocity anomaly appears south of the Wangwu-Wenjiao fault zone,corresponding to the depressed areas in north Hainan Island,where many volcanoes are frequently active and geothermal values are relatively higher,and the uplifted and stable regions in central and south of the Hainan Is-land. In the middle and lower crust velocities are relatively lower in east Hainan than those in west Hainan,possi-bly suggesting the existence of the upwelling of hot materials from the mantle in east Hainan. The pattern of veloc-ity anomalies also indicates that NW faults,i.e.,the Puqian-Qinglan fault,may be shallower,while the E-W Wangwu-Wenjiao fault may be deeper,which perhaps extends down to Moho depth or deeper.     

青藏高原P波速度层析成像与岩石圈结构

利用中国西部地震台网的数据,通过体波层析成像反演了青藏高原及邻域的三维P波速度结构.根据地壳和上地幔的速度变化和构造特征,重点讨论了下地壳流动、地幔上涌、岩石圈减薄以及与藏北新生代火山岩和藏南裂谷系的关系等问题.分析表明,青藏高原中、下地壳平均速度偏低,低速区主要分布在拉萨和羌塘块体内部,随着深度的增加逐渐扩大到松潘—甘孜块体.上述低速区之间多被高速带分隔,暗示地壳中、下部的韧性变形被限制在特定的区域,不太适于产生贯穿整个青藏高原的大规模横向流动.此外,地幔上涌也并非普遍发生于整个青藏高原,而是集中在羌塘、松潘—甘孜以及喜马拉雅东构造结附近,导致上述区域的岩石圈地幔较薄,并且伴生火山活动和岩浆作用.此外,由于印度大陆岩石圈在向北俯冲,板片下沉过程中引起地幔上涌,热流物质有可能上升进入地壳,这一作用对藏北新生代火山岩和藏南裂谷系的形成以及中、下地壳的韧性变形产生了明显的影响.

     

Microstructurally controlled monazite chronology of ultrahigh-temperature granulites from southern India: Implications for the timing of Gondwana assembly

Ultrahigh‐temperature (UHT) granulite facies rocks from the Achankovil Shear Zone area and the southern domain of the Madurai Granulite Block in South India contain monazite useful for in situ microprobe U–Pb dating. The UHT rocks examined consist of garnet + cordierite (retrograde) + quartz + mesoperthite + biotite + plagioclase + Fe‐Ti oxides ± orthopyroxene ± sillimanite and accessory zircon and monazite. Sillimanite occurs only as inclusions in garnet. Microstructural observations suggest garnet, orthopyroxene, spinel and mesoperthite are products of peak metamorphism. Post‐peak formation of cordierite ± orthopyroxene ± quartz and cordierite + spinel + Fe‐Ti oxides assemblages is also observed. Geothermobarometry on orthopyroxene and garnet‐orthopyroxene bearing assemblages suggest peak UHT conditions of T = 940–1040°C and P = 8.5–9.5 kbar. This was followed by a retrograde stage of 3.5–4.5 kbar and 720 ± 60°C, estimated from garnet‐cordierite assemblages. A small population of rounded, probably detrital, monazites in these rocks yield ages from Meso‐ to Neoproterozoic indicating a heterogeneous source. The youngest associated spot ages are 660–600 Ma suggesting protolith deposition up to ca 600 Ma. In contrast, the vast majority of monazites that crystallized during the latest metamorphic event show late Neoproterozoic to Cambrian ages. Probability‐density plots of monazite age data show a ‘peak’ between 533 and 565 Ma, but this peak need not reflect a particular thermal event. Collating ages from homogenous metamorphic monazites associated with minerals stable at peak P‐T conditions suggests peak metamorphism in these rocks occurred at 580–600 Ma. Together with a re‐evaluation of available data from adjacent granulite blocks in southern India, these data suggest the main metamorphic event coinciding with the suturing of India with the Gondwana amalgam probably occurred 580–600 Ma. The 500–550 Ma ages commonly reported in previous studies might represent post‐peak thermal events.     

利用气枪地震资料对福建及台湾海峡南部地壳三维P波速度结构研究

根据福建及台湾海峡南部海陆联测试验记录到的Pg和Pm震相走时数据,利用速度与界面联合成像方法构建地壳三维P波速度结构,揭示了该区地壳深部构造特征.结果表明：福建和台湾海峡海陆过渡带以及海峡南部地壳速度结构存在明显的不均匀性,滨海断裂两侧速度结构复杂,随深度呈现明显的分段特征,其上地壳海陆过渡带呈高速特性,台湾海峡呈低速特性;下地壳海陆过渡带呈低速特性,台湾海峡呈高速特性;研究区莫霍面的深度约为28~33 km,存在较明显差异,闽粤交接部位存在明显的地壳厚度减薄,莫霍面深度接近28 km,这与正常型华南活动地块与减薄型南海活动地块交汇致使地壳厚度减薄有关,体现了活动块体边界构造特征.历史大震主要发生在高低速异常过渡带且有深大断裂穿过的区域,现今中小震主要分布于闽粤海陆过渡带,这一特征可能与此地广泛发育的断层和华南与南海活动地块相互作用有关.     

岩石的纵、横波速度与密度的规律研究

选择了济阳坳陷第三系地层四类不同岩性、237块典型岩心样品,在变温变压条件下进行超声波纵、横波速度及密度的测定,样品的孔隙度范围从2％到27％.根据变温变压测试数据,得出纵横波速度的压力、温度校正公式,将高温高压条件下测量的弹性参数校正到60 MPa条件,再进行密度、Vp和Vs数据分析.分析结果表明：Vp、Vs具有很好的线性相关性,得到新的密度与Vp关系式.同时将Vp、Vs关系融入到Gardner公式中,将Gardner函数推广为〖JP2〗ρ=CVApVBs的函数形式（称为广义Gardner公式）,拟合出砂岩的密度、Vp和Vs间的新关系式：ρ=1.575 8V0.287 9pV0.019 7s.〖JP〗文中讨论了该公式在横波速度预测、岩石物理模拟和AVO正反演等的作用,指出这些规律性认识可服务于油气勘探和开发.     

新丰江地区地壳P波三维速度结构及活动构造研究

利用震源位置和速度结构的联合反演得到2007年6月~2014年7月新丰江地区地震序列的震源位置及P波三维速度结构模型,并进一步对比区域活动构造的产状特征及震源机制解等。结果显示,自ES向WN新丰江库区断裂深度有逐渐增大的趋势,与重力场的研究结果一致。库区大坝至东源锡场之间的中-上地壳存在4个大小不等的高速体,其中,锡场下方的高速体Ⅰ体积最大(EW向截面约6km×7km),速度最大,中心速度达6.3km/s。库区大坝下方存在以人字石断裂(F2)、南山-坳头断裂(F4)、河源断裂(F1)、石角-新港-白田断裂(F5)等为中心的强烈构造变形区,1960年至今大坝下方高速体Ⅲ、Ⅳ边缘已发生包括1962年6.1级地震在内的7次ML≥5.0地震,能量释放较为彻底;锡场下方高速体Ⅰ的边缘自2012年以来中小地震活跃,且b值较低,不排除发展为中强震孕震凹凸体的可能。     

Three-dimensional crustal P-wave velocity structure in the Yangbi and Eryuan earthquake regions,Yunnan, China

A magnitude 5.5 earthquakes occurred in Eryuan County, Dali Bai Autonomous Prefecture, Yunnan Province, China, on March 3. And a magnitude 5.0 earthquake occurred in the same place on April 17, 2013, i.e., 45 days later. Then, on May 21, 2021, multiple earthquakes, one with magnitude 6.4 and several at 5.0 or above, occurred in Yangbi County, Dali Bai Autonomous Prefecture, Yunnan Province, China. All of these occurred in the Weixi-Qiaohou-Weishan fault zone. In this study, 1,874 seismic events in Yangbi and Eryuan counties were identified by automatic micro-seismic identification technology and the first arrivals were picked up manually. Following this, a total of 11,968 direct P-wave absolute arrivals and 73,987 high-quality P-wave relative arrivals were collected for joint inversion via the double difference tomography method. This was done to obtain the regional three-dimensional fine crustal P-wave velocity structure. The results show that the travel time residuals before and after inversion decreased from the initial –0.1–0.1 s to –0.06–0.06 s. The upper crust in the study area, which exhibited a low-velocity anomaly, corresponded to the basin region; this indicated that the low-velocity anomaly in the shallow part of the study area was affected by the basin. Results also showed some correlation between the distribution of the earthquakes and velocity structure, as there was a low-velocity body Lv1 with a wide distribution at depths ranging from 15–20 km in the Yangbi and Eryuan earthquake regions. In addition, earthquakes occurred predominantly in the high-low velocity abnormal transition zone. The low-velocity body in the middle and lower crust may be prone to concentrating upper crustal stress, thus leading to the occurrence of earthquakes.     

利用纵、横波震源谱参数研究波速比——以岷县—漳县MS6.6地震为例

利用甘肃省区域地震台网提供的地震波形,计算得到甘肃东南地区2010年1月至2014年6月183个M_L≥2.5地震纵、横波的拐角频率和零频极限等震源谱参数,分析2013年7月22日岷县—漳县M_S6.6地震前后纵、横波拐角频率比值和零频极限比值的变化特征,间接反映震源处波速比的变化。结果如下:(1)拐角频率比值的平均值约为1.32,而由零频极限比值计算得到的波速比平均值约为1.55,后者高于前者;(2)二者得到波速比的时间变化趋势基本一致:两个波速比在岷县地震前后呈现出"明显升高-下降-震前急剧下降-震后缓慢恢复"的变化过程;(3)二者得到的波速比空间分布基本一致:岷县地震震中附近及合作、舟曲等地区在震前出现低值异常,震中附近地区的波速比在震后有所回升。     

Earthquake relocation and 3-dimensional crustal structure of P-wave velocity in cen-tral-western China

IntroductionUnderstandingthemechanismofcontinentalearthquakesisveryimportantforseismichaz-ardpreventionandearthquakeprediction.Themodernseismotectonictheoryandtheideaofearthquakepredictionaredevelopedmainlyfromthestudiesoninterplateearthquakes,whicharedifficulttoexplainthephenomenaofintraplateearthquakes,suchasthecontinentalearthquakesoccurredinChinesemainland.Whiletheinterplateearthquakesoccurredalongtheplatebounda-ries,theintraplateearthquakesdistributediffuselyintheinterioroftheplates.Thus…     

海南岛及邻区地壳三维P波速度结构

利用海南岛及邻区1999——2005年9个地震数字化台站记录到的3 500余条区域初至波到时资料,确定了海南岛及邻区地壳三维P波速度结构. 结果表明,该区域浅部上地壳的波速异常与地表地质构造有一定的相关性,即王五——文教断裂带以北地区波速较低,而以南地区为相对高的波速异常区. 这与琼北地区为凹陷、并伴有多期火山活动和较高的地热背景,而琼中南地区为较稳定的隆起等构造特征相一致. 在其中下地壳,琼东地区相对琼西地区波速较低,可能暗示了地幔热物质上涌等动力学过程. 波速异常分布模式还暗示出北西向断裂带(如铺前——清澜断裂带)较浅,而近东西向的王五——文教断裂带较深,有可能延伸至莫霍面或更深.      

流体饱和度对裂缝-孔隙岩石频变纵波速度及其各向异性的影响

流体饱和度会改变裂缝性储层的纵波速度,从而影响地层速度的频散特性及各向异性程度,导致储层地震响应特征复杂,储层预测多解性强,流体识别难度大.本文根据多相流体饱和裂缝性储层的特点,借助于Norris和KG模型,建立部分饱和裂缝-孔隙等效介质模型,给出频变地震波速度随流体饱和度变化的精确关系式.数值模拟结果表明,当气、水两相共存时,随着含水饱和度的增加,高频段纵波相速度逐渐增大,各向异性程度逐渐减小;低频段纵波相速度逐渐减小,各向异性程度不变;相速度频散及其各向异性程度逐渐增强.组合已有的孔隙弹性理论模型,对实验室人工裂缝-孔隙砂岩岩样的纵波速度进行拟合,计算得到的曲线与实验室测量散点值吻合度较高,表明组合模型在给定参数下的有效性.该研究能够为多相流体饱和裂缝性储层的地震响应特征分析奠定扎实的理论基础,为提高储层预测的确定性和流体识别的准确性提供可靠的理论依据.