应力方向一致和介质各向异性前兆——亚失稳现象震例

最新的岩石物理试验表明，应力-应变曲线中的在强度极限点和失稳点之间可以划分出亚失稳和临失稳两种状态，其变化特点和过程不同，前者从应力积累转为应力释放，后者则由平稳释放转为加速释放。两种阶段分别对应地震之前的短期和临震阶段。

地壳介质各向异性电性本构关系讨论

讨论了地壳介质中常见的两类电性各向异性。推导了长波长条件下薄层各向异性电导率张量；提出了一种新的电导率物理模型并由此推导了与ＥＤＡ裂隙相适应的各向异性电导率张量。从直流电法和大地电磁测深法的角度分别讨论了这两种电性各向异性所显现的地表视电阻车、阻抗和电位特征。

三维各向异性TI介质中的P/S波快速解耦技术及在弹性波逆时偏移中的应用

随着多分量采集技术的发展,弹性波逆时偏移技术在三维各向异性介质复杂地质构造成像中得到了广泛的应用.然而耦合的P波场和S波场,会在传播过程中产生串扰噪声,降低弹性波逆时偏移的成像精度.为了解决这一问题,本研究针对具有倾斜各向异性对称轴的三维横向各向同性(Transverse Isotropy,TI)介质,提出了一种矢量弹性波场快速解耦方法,可以有效提高偏移剖面的成像质量.该方法首先通过坐标转换,将观测系统坐标系的垂直轴旋转到TI介质的对称轴方向,在新坐标系下,根据具有垂直对称轴的三维横向各向同性(Vertical Transverse Isotropy,VTI)介质中的分解算子,推导出三维TI介质解耦算子表达式.接着引入一种在空间域快速计算分解波场的方法,来实现空间域矢量P波场和S波场分离,极大地提高了计算效率.最后,通过点积成像条件,将提出的P/S波分解方法引入到三维TI介质弹性波逆时偏移中,得到高精度的PP和PS成像.与以往的波场分解方法相比,本文方法具有数值稳定和计算效率高的特点.数值算例表明,应用上述三维TI分解算子得到的偏移剖面有效压制了噪声,提高了成像质量.

一般各向异性介质中qS1和qS2波波前分离

地震波在各向异性介质中传播时存在横波分裂现象,可用于研究岩石中地震波传播特征和了解地下介质各向异性参数.一般各向异性介质中计算三种地震波(qP,qS1,qS2)相速度和群速度的研究日趋成熟,但分离qS1和qS2波的波前仍然是一项具有挑战性的工作.为此,本文基于新近给出的一般各向异性介质中三种波(qP,qS1,qS2)群速度的解析计算公式,依据相速度光滑连续的条件给出相邻方向上qS1和qS2波识别方法;为避免数值计算误差造成识别错误,构建了置信度函数,并借鉴快速行进法的思想逐点进行判别以分离qS1和qS2波的波前,最终得到三种波(qP,qS1,qS2)各自独立且完整的波前面.多个数值模拟试验结果表明,该算法适用于不同类型各向异性介质,且不受波前复杂程度的影响,具有较高的稳定性,可为一般各向异性介质中多次波射线追踪、多震相走时反演以及横波分裂研究等提供算法支持.

海底四分量各向异性介质高斯束偏移方法

基于弹性波动方程的多波多分量高斯束偏移方法计算高效且成像精确,适用于复杂地质构造,目前多应用于陆地三分量数据,对于海底地震数据存在明显的适应性问题:①不完整的海底边界条件导致P波和S波无法彻底分离,上、下行波会在海底的记录方式下发生混叠,造成虚假成像;②地下介质中普遍存在的各向异性带来运动学信息误差,导致最终成像出现反射波归位不准确、绕射波收敛效果差、能量不聚焦等问题。为此,提出一种兼顾各向异性特性、直接使用包含水压分量的海底四分量地震数据进行弹性高斯束偏移成像的方法。首先,假设海底接收界面为各向同性,以弹性波波动方程和海底完整边界为基础进行波场延拓,得到四分量数据的波型分离矩阵;然后,结合各向异性射线追踪和动力学参数近似,实现了VTI介质的弹性波高斯束偏移。2D层状模型和北海Gullfaks区域模型的数值试算结果表明,所采用的海底四分量各向异性介质高斯束偏移方法抑制了不完整边界条件造成的成像假象,能够自动分离海底各向异性介质中的PP波和PS波,实现转换波的准确成像,更精确地恢复和归位地震波,提高了地震资料成像分辨率,尤其适用于复杂海底的大炮检距、宽方位地震勘探。

各向异性电介质静电场拉普拉斯方程和能量密度泛函

由各向异性电介质静电场的能量密度写出以电势为函数的能量密度泛函。拉普拉斯方程即为奥氏方程,是能量密度泛函取得极值的必要条件。拉普拉斯方程是算子方程,应用对称正定算子方程的变分原理构造与之相对应的泛函,从而由泛函的核函数引申出能量密度的概念。应用变分原理,将各向异性电介质静电场拉普拉斯方程的定解问题转换为与之相对应的变分问题。

SH波入射下正交各向异性双相介质界面附近圆孔的动应力集中

基于复变函数和格林函数的方法,探讨了SH波在具有圆孔的正交各向异性两相介质中的散射,分析了圆孔周围的动态响应规律。首先建立问题的二维解析模型,将全空间分为两个部分:均匀各向同性上半空间以及含圆柱形孔洞的正交各向异性下半空间。采用格林函数法推导出了两半空间界面处各点的格林函数表达式,并引入复变量,构造出了SH波入射下求解区域内位移和应力的表达式。考虑界面的连续性条件,将未定反平面力加载到两个半空间的水平界面上,推导出Fredholm定解积分方程组,用弱奇异积分方程的直接离散方法求解。最终通过算例分析,发现介质的正交各向异性参数、入射波波数、角度以及孔洞埋深等对下半空间圆孔周边的动应力集中系数(DSCF)影响显著。

基于各向异性高分辨地震处理的煤层顶板含水性风险评价

随着矿井水防治在煤矿开采中的重要性与日俱增,对地震精细勘探的方法也提出了更高要求,常规基于各向同性的地震勘探已无法满足对复杂条件下煤层及其顶底板的高精度勘探要求。根据煤系地层正交各向异性特征,综合其周期性薄互层各向异性和裂隙诱导型各向异性,针对具有垂直对称轴的横向各向同性(Transverse Isotropy Medium with Vertical Symmetry Axis,VTI)介质特性提出基于高阶动校正的广角成像方法拉平同相轴,提高远、近偏移动校正精度,针对方位各向异性(Trans-verse Isotropy with Horizontal Axis of Symmetry,HTI)介质特性应用炮检距向量片(Offset Vector Tile,OVT)域处理消除煤系地层构造裂隙下不同方位各向异性,在地震资料处理阶段提高成像精度及分辨率。在宽方位高保真成像基础上,岩性解释基于岩石物理特征的拟声波方法,通过对声波时差测井曲线进行重构,在速度曲线中融入地层岩性信息,通过反演迭代可分析地层岩性空间展布特征;裂隙解释基于OVT道集所包含的方位角偏移距信息椭圆拟合,得到地震波在不同方位衰减梯度,由方位衰减梯度数据拟合得到裂缝密度及方位推出地层裂缝密度分布特征,实现对影响矿井水灾两大关键参数煤层顶板含水层以及导水裂隙带的精细探查。在此基础上对煤层顶板产水危险区进行综合评估。将所提方法应用于研究区,实际资料含水风险评价与生产井情况吻合度较好,结果验证了所提出的风险评价方法的可行性及适用性,为煤层开采中矿井水灾危险区预测提供了有益参考。

各向异性电离层中沿地磁场取向有限长柱体目标的近场散射

为了研究甚低频(very low frequency,VLF)电磁波对电离层中目标的近场散射机制,提出了一种VLF电磁波在该环境中对有限长金属和介质柱体近场散射的计算方法。首先,通过定义散射系数和交叉散射系数,分析各向异性电离层中电型波和磁型波激励下的散射矩阵;然后,根据积分方程法和矩量法,计算得到各向异性电离层中有限长金属和介质柱体的近区散射场和表面电流半解析表达式;最后,通过各向异性电离层中VLF波的特征波分析,给出柱体近区散射场中寻常波(O波)和非寻常波(E波)分量空间分布情况。计算结果表明:电离层中VLF波在金属和介质目标表面激励了不同的电流,并在不同的电离层环境参数、柱体尺寸和入射角度下产生相应的近场散射和耦合散射;通过对比O波和E波表面电流分布和散射分量,进一步揭示了VLF波与暴露在均匀等离子体环境中的柱体目标的散射机理。本文的计算方法和结果可为电离层中散射通信和目标探测提供理论依据。

三维各向异性裂缝介质正演模拟的三种交错网格适应性比较及Lebedev方法的改进

研究了三维各向异性裂缝介质的正演模拟的三种不同有限差分法,即标准交错网格(SSG)、旋转交错网格(RSG)和Lebedev方法(LS),详细对比分析这三种交错网格方法在模拟复杂各向异性介质的优势与局限.提出一种新的改进方法,简化了LS有限差分法在任意各向异性介质中的正演模拟.为了模拟三维大规模复杂各向异性介质的地震响应,提出一个优化的正演模拟计算流程:将模型参数分为模型介质参数和模型构造参数.该计算流程适用于三种有限差分法中的任何一种.使用LS方法实现任意三维各向异性裂缝介质地震响应的三维全波场模拟,通过使用三种不同的有限差分模拟方法进行二维和三维模型数值模拟试验,验证了所提出方法有效.

Gabor框架下的各向异性介质扰动高斯波包模拟与成像方法

地球介质广泛存在波动各向异性,为研究地球内部结构、组分提供了新的信息.现今,考虑介质的各向异性在地震波传播、成像以及反演中的作用越来越重要.高斯波包/束类正反演方法因其具有高效、简便等特点,近年来在地震背景速度建模和成像方面取得了较大进展.因此,在拟声学近似下,本文发展了基于Gabor框架的各向异性介质扰动高斯波包模拟与成像方法.与传统的网格化参数扰动方式不同,本文用空间分布的局部化Gabor基函数特征表达地下介质的参数扰动,建立了模型域Gabor函数与数据域高斯波包的映射关系.该方法继承了各向同性高斯波包的优势和特点,例如(1)基于Gabor框架的扰动高斯波包模拟具有计算效率高、内存占用量小的特点;(2)可以处理多波至,能应用于复杂构造(盐丘、气云边界)和中深层构造的成像;(3)利用Gabor函数可以稀疏表达地下的构造,适合目标导向的灵活成像;而且,(4)相较于各向同性高斯波包成像方法,考虑介质的各向异性后,本文的模拟结果更加准确,成像剖面同向轴能量更加聚焦.通过数值实验对本文方法进行测试,实验结果证实了该方法的有效性、高效性和灵活性.

含电磁双各向异性介质衬底的FSS特性分析

运用谱域Galerkin法对含电磁双各向异性介质衬底的频率选择表面(FSS)进行了分析,概述了算法的基本实现过程,直接以Maxwell方程为基础,逐步推导出该周期结构中的谱域格林函数.文中在衬底介质参数的变动下,对一系列FSS反射系数进行了有效计算,计算结果表明了介质衬底的电磁各向异性特性对FSS频率选择特性的影响.

含各向异性介质衬底频率选择表面的直线法分析

运用直线法对一以单轴各向异性介质层为衬底的频率选择表面(FSS)进行了分析,考虑到介质层的各向异性,文中对直线法的常用方式作出了一定的修改,并详细介绍了整个方法实现过程。最后,对几套不同介电参数的FSS进行了计算,考虑了介质衬底的各向异性对FSS电磁特性的影响。

层状各向异性介质转换波克希霍夫叠前时间偏移

在克希霍夫叠前时间偏移处理中,地震波走时的计算方法是决定大偏移距地震资料成像品质的重要因素.在常规的三维转换波各向异性叠前时间偏移公式中,走时的计算是基于等效单层各向异性介质的非双曲线方法.用这种方法处理的成像道集,在偏移/深度比超过一定阈值后,成像道集中的反射同相轴将出现过偏现象,这种偏移不平的同相轴将影响偏移叠加的最佳响应,使得偏移成像波组呈低频化特征,最终降低三维转换波偏移成像质量.我们采用层状介质的走时计算方法代替常规算法,并且利用了常规方法的转换波各向异性偏移速度模型.基于层状介质的算法能够提高大偏移距转换波走时计算精度,克服中浅地层大偏移距远道成像道集中反射同相轴逐渐上翘的问题.两个地区的三维转换波资料处理结果证实,基于层状各向异性介质的转换波克希霍夫叠前时间偏移方法,明显改善了反射成像剖面的连续性和分辨率,提高成像剖面构造的可解释性.

各向异性介质中波动方程有限元法模拟及其稳定性

利用六面体单元和三线性插值函数，推导出在任意弹性各向异性介质中三维三分量波动方程所满足的有限元方程．给出用时域有限差分求解该有限元方程时，时间、空间采样率和弹性参数应满足的稳定性条件．提出避免每一时间步都求解一大型线性代数方程组的方法．在开始求波场前，先求质量矩阵的逆的因子形式，以后每时间步只需作刚度矩阵的逆的因子形式与向量的乘积运算，可大大提高有限元素法在微机上进行波动方程数值模拟的运算速度．结合两个数值模拟算例，说明该方法的可行性，并与伪谱法作了计算速度的比较，有限元法的计算速度高于伪谱法的计算速度．

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．

各向异性介质中地震波前面的偏微分方程

从含２１个弹性参数的各向异性介质中关于位移分量ｕｘ、ｕｙ与ｕｚ的偏微分波动方程组出发，通过假定平面波位移函数解，导出准Ｐ波、准ＳＶ波与准ＳＨ波的波前面偏微分控制方程，进而对各类特殊各向异性介质（横向各向同性介质、椭圆及立方体各向异性介质）中地震波前面偏微分方程进行了讨论．以上结果为研究各向异性介质中地震波传播规律以及进行正、反演研究奠定了理论基础．

地球各向异性介质中地震波动理论、检测与应用研究

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，横波发生分裂，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，它在石油地震勘探、地震预测和岩石圈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，文中讨论了地震各向异性研究在解决地球科学问题中的重要性与必要性；系统地介绍了中国在地震各向异性研究领域的各个方面，如波动传播、波场激发、数值模拟、偏移与反演成像，以及应用于油气资源探测、深部地球物理研究和地质灾害监测等方面所取得的新进展。结合笔者参加的第八届地震各向异性国际学术讨论会，及ＳＥＧ，ＩＡＳＰＥＩ，ＩＵＧＧ等有关学术会议情况，综述了国际上在该领域内的主要成果与发展动向，分析了国际上各国地震各向异性研究现状及存在问题，并对我国在该领域研究的进一步开展提供了主攻问题与相应建议。

各向异性TI介质qP反射波走时层析成像

地震走时层析成像是反演地层各向异性参数分布的有效方法,但是关于地震各向异性介质走时层析成像的研究并不多,其技术远远没有达到成熟的阶段.在野外数据采集时,地表反射波观测方式相对井间和垂直地震剖面观测方式的成本更低,利用qP反射波走时反演各向异性参数具有更加广泛的实用价值.本文实现的TI介质地震走时层析成像方法结合了TI介质反射波射线追踪算法、走时扰动方程和非线性共轭梯度算法,它可以对任意强度的TI介质模型进行反演,文中尝试利用qP反射波走时重建TI介质模型的参数图像.利用qP反射波对层状介质模型和块状异常体模型进行走时反演,由于qP波相速度对弹性模量参数和Thomsen参数的偏微分不同,所以可以分别反演弹性模量参数和Thomsen参数.数值模拟结果表明:利用qP反射波可以反演出TI介质模型的弹性模量参数与Thomsen参数,不同模型的走时迭代反演达到了较好的收敛效果,与各向同性介质走时反演结果相比较,各向异性介质走时反演结果具有较好的识别能力.

各向异性介质三维纵横波联合叠前反演方法及应用

为了提高储层预测精度,本文利用三维三分量资料及前期处理结果,以各向异性(TI)介质弹性波传播理论为基础,研究了多波精确振幅特征方程,进而推出三维各向异性介质纵横波联合叠前岩性参数反演方法。该方法利用叠前NMO道集,将5个岩性参数在同一方程联合求解,可同时获得5个反演参数。为保持反演参数的独立性,可直接反演地层纵波速度、横波速度、密度及另两个各向异性系数,进而计算出地层的弹性参数、弹性阻抗(EI)及弹性阻抗梯度(EIG)等共13个岩性、弹性参数,用于对岩性及流体的识别和描述。文中采用的纵横波联合叠前反演方法可提高反演的可靠性和精度,经实际三维多波地震数据处理证明了方法的适用性。