地震勘探原理课程对勘查技术与工程专业学生培养的贡献——以地震波传播数值仿真为例

为了强化学生对地震波传播理论知识的理解,锻炼学生的编程技能和实际动手能力,结合勘查技术与工程专业的专业特色及教学特点,从研究性教学的理念出发,设计了地震波传播数值仿真应用型综合实验项目,详细阐明了实验设计的思路、内容和方法。实验结果表明了该实验很好地将抽象的地震波传播机理形象化,有效激发学生主动学习的积极性,提升学生的创新意识和工程实践能力,为后续专业课程的学习奠定扎实的基础。

济阳坳陷下第三系岩石地震波传播速度分析

为了开展济阳坳陷地下岩石地震波传播规律的研究,了解不同复杂介质条件下的地震响应,对济阳坳陷下第三系500余块样品进行了地震波传播及岩石物理测试。通过对样品在地层条件下测试数据的分析,探讨了济阳坳陷下第三系岩石地震波传播特征,论述了各种岩性岩石地震波传播速度与孔隙度、岩石密度与纵波速度、波阻抗与孔隙度以及纵波、横波速度之间的关系,这些关系对研究济阳坳陷地下岩石地震波响应特征具有一定意义。

地震波传播理论与地震“孕育”、发生和发展的深部介质和构造环境

地震灾害是人类生存、社会与经济发展所面临的重大自然灾害之一,由于地震震源和其周边介质在力源作用下可产生微破裂并逐渐形成“破裂链”,而震源区介质的质点震动则以地震波动和辐射为“载体”,且向四周传播.为此,可通过研究地震波传播波场的运动学和动力学响应探索地震“孕育”、发生和发展中的深部介质和构造环境,地震波动的轨迹和其发生的力源机制以及强烈地震活动的深层过程和动力成因,此乃是探索防震减灾和地震预测的核心所在.因此,研究地震波在复杂介质中的传播和响应,地球内部物质与能量的交换和其深层动力过程将必制约着地震的活动和“孕育”空间.这是防震减灾和地震预测中必须深化研究的重要领域.

复杂介质对地震波传播的影响

本文基于两相介质动力学方程组,利用显式集中质量有限元结合透射人工边界,研究了水平自由场地单相土、欠饱和土和饱和土及不同模量的土层排列结构对地震波传播的影响。结果表明介质的性质对P 波传播有明显的影响;而土层结构对SV 波传播有明显影响。同时,本文还研究了横向不均匀场地地震反应,结果进一步表明,仅用一维模型研究横向不均匀场地会引起较大误差。

地震波传播的微分几何描述

本文以复杂介质中的走时函数为基础，引入走时场的微分流形，从微分几何观点看，复杂介质中的射线方程即为流形上的测地线方程，复杂介质中的标量波动方程即为流形上的协变标量场方程，从而建立起复杂介质中地震波传播的微分几何描述．文中还讨论该方法在射线追踪、波场变换等方面的应用．

复杂介质地震波传播模拟中边界元法与有限差分法的比较研究

地震波场数值模拟是理论地球物理学和勘探地球物理学的重要研究手段.在众多数值模拟方法中边界元法和有限差分法是两种典型的地震波传播模拟计算方法.边界元法是一种半解析-半数值的边界型方法,它显式地利用边界连续条件,沿着地层边界进行离散,具有降维、高精度和自动满足远场辐射条件的优点;有限差分法是一种典型的基于微分的区域型方法,它隐式地使用边界连续条件,以空间网格形式进行离散和数值逼近,具有高效、实用和容易数值实现的优点.本文以一个半圆形均匀Valley模型和两个非均匀断裂/断层模型为例,从计算精度、计算效率、频散特性以及适用性等方面对这两种方法进行了比较研究.数值计算结果表明:边界元法可以精确地几何描述有内部断点、断面的复杂构造,能够精确地模拟内部不规则界面之间波的反射/传播;有限差分法不能以足够的精度描述几何断点和内部不规则边界.边界元法在高频时计算量大于有限差分法,有限差分法则需要更小的网格间距以压制数值频散.因此,在处理内部非均质和高频计算时,有限差分法更有效;在处理内部不规则边界、断点、大尺度等问题时,边界元法比有限差分法更有优势.

细胞自动机在地震波传播研究中的应用

本文基于细胞自动机在地震波传播研究中的最近成果，阐述了其基本的研究思路与理论框架，给出了一个计算实例．在此基础上就细胞自动机方法与传统波动方程的衔接关系及复杂介质中地震波正反问题作了讨论，并对研究前景进行展望．

火成岩区地震波传播规律研究

高速层屏蔽是地震勘探中的一个难题。采用Zoeppritz方程,研究了火成岩高速层界面上地震波的反射与透射特性,采用一阶应力速度弹性波方程交错网格高阶有限差分法模拟、射线追踪法和有效反射系数法相结合的方式,研究了火成岩高速层中弹性波传播规律,发现火成岩层对地震波具有能量屏蔽和路径屏蔽2种屏蔽作用。提出了采用P波广角反射和P波高速层内局部转换广角反射波消除火成岩高速层对地震波的屏蔽作用。模型试验结果表明,该方法可以减弱高速层的屏蔽作用,提高深层目标层的反射波能量。

地震波理论研究进展——介质模型与地震波传播

介质模型及地震波传播是地震波理论的核心内容之一,本文结合作者目前研究所涉及的内容,阐述了介质模型及地震波传播的相关问题.首先是地震学背景中的地震波传播的主要问题.其次是地震波传播的动力学,其中的主体内容可以由波动方程的建立、波动方程和波动方程的延伸三部分组成.再次是地震波的传播与介质因素和界面因素,以及孔隙介质模型的认识和讨论.最后结合均匀弹性各向同性、粘弹性各向同性、双相介质和各向异性四种介质模型,阐述了地震波传播的主要特性.

砾岩储层地震波传播方程:三重孔隙结构模型

针对砾岩储层的砂、砾、泥三重孔隙结构特征,本文分析砾岩孔隙区域、砂岩孔隙区域以及泥岩孔隙区域相互之间的孔隙流体流动机制,将静态的砾岩骨架本构方程与动态的孔隙流体运动方程联立,提出了复杂砾岩储层的弹性波传播理论方程.采用实测砾岩储层参数,在算例中与双重孔隙介质理论进行对比分析,验证了本文理论方程的合理性;基于三重孔隙介质模型,分析不同储层环境下纵波的传播特征,结果显示:随流体黏滞系数增大,在衰减-频率轴坐标系中,砾与砂、砂与泥孔隙区域间局域流导致的两个衰减峰向低频端移动,而Biot全局流导致的衰减峰向高频端移动;嵌入体尺寸及背景相介质渗透率的变化,主要影响纵波速度频散曲线沿频率轴左、右平移,不影响波速低频、高频极限幅值;嵌入体含量及孔隙度的变化改变了岩石干骨架的弹性、密度参数,不仅影响速度频散曲线沿频率轴平移,而且影响其上、下限幅值;砾包砂包泥三重孔隙介质模型所预测的衰减曲线中,低频段"第一个衰减峰"主要由砾岩孔隙区域与砂岩孔隙区域之间的局域流导致,中间频段"第二个衰减峰"主要由砂岩孔隙区域与泥岩孔隙区域之间的局域流导致,超声频段"第三个衰减峰"由Biot全局流导致.对慢纵波传播特征的分析显示,砂岩骨架(局部孔隙度较大)内部的宏观孔隙流体流动造成的耗散明显强于砾岩与泥岩骨架.

模拟地震波传播的大网格快速差分算法

大网格快速差分法以最佳差分算子为理论基础，使群速度误差最小．这种方法的量大特点是空间网格可以取得很大，只要算子半长度取成４－６，每最短波长取３个空间网格点就可得到精度很高的弹性波场模拟结果．理论计算表明本方法比传统有限差分格式的计算速度至少快一个数量级，比伪谱法快３－５倍．

含裂隙双相各向异性介质中的地震波传播

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，导出了具有四阶对称轴的含裂隙双相各向异性介质的本构关系与波传播的运动方程．指出在含裂隙双相各向异性介质中可能传播６种类型的准纵横波，即快纵波ＱＰ１，慢纵波ＱＰ２，两个分裂的快横波ＱＳＶ１，ＱＳＨ１和两个分裂的慢横波ＱＳＶ２，ＱＳＨ２．

离散介质中地震波传播的本构问题

实际地球介质是相当复杂的 .基于均匀的、连续介质模型建立的弹性波动理论可能导致对地球结构地震响应的不当解释 ,有时可能是错误解释 .由于没有更接近实际地球介质模型的波动理论 ,许多有用的地震信息因得不到合理解释 ,被作为噪音处理了 .从等效介质角度来看 ,储层介质可以划分为弹性区、粘性区、空白区 (空白区是由孔隙、裂隙、结构面产生的介质性质弱化区 )组成的离散介质 .在局部平均思想的指导下 ,利用区间内聚定理建立起离散(储层 )介质的本构关系 ,为建立更接近实际地球介质模型的波动理论提供了力学基础 .

地震波传播的黎曼几何描述

黎曼流形是对弯曲空间的一种几何描述。地震波在复杂介质中传播的弯曲特性,符合黎曼流形的几何特性。以复杂介质中地震波的走时函数为基础,构造地震波在复杂介质中传播的黎曼几何描述,然后根据黎曼几何中协变的标量场波动方程建立了地震波在复杂介质中传播的标量场波动方程;最后讨论了该几何描述在射线追踪、波场模拟等方面的应用。

正交介质中地震波传播数值模拟与分析

建立了正交各向异性介质中的波动方程 ,应用高阶有限差分进行数值模拟 ,得到三分量地震波场快照 ,并在此基础上 ,分析了正交各向异性介质中地震波场特征。结果表明 :在正交各向异性介质中 ,地震波场十分复杂 ,三个分量相互藕合 ,两个水平分量波的偏振方向与裂隙走向既不平行。

连续屈服节理模型对剪切地震波传播的影响

地震波在跨越岩体中节理时的透反射特性是岩石地下工程抗震分析问题中的重要基础,目前开展的研究工作中尚未有针对连续屈服(CY)非线性节理模型透反射特性的研究报导。在前人提出的非线性节理透反射系数时域递归法解答的基础上,将这一方法拓展至CY模型。并采用3DEC离散元软件,对比了CY模型的时域递归解与数值模拟结果的差异。在此基础上以时域递归解为手段,辅以离散元数值模拟,开展了CY模型的参数影响研究。最终比较了库仑(MC)模型与CY模型在正弦脉冲激励和真实地震动激励下表现的差异。结果表明:CY模型的时域递归解与3DEC数值模拟结果显示了良好的一致性,证明了时域递归解用以进行后续参数研究的合理性。法向应力、入射波幅值、节理初始刚度、节理间距等参数对CY模型具有显著影响。相比库仑模型,连续屈服模型可以更好地反映地震波穿越节理时发生的复杂力学现象,如切向刚度退化、抗剪强度劣化、法向应力依赖性、滞回现象等。研究成果可为岩石地下工程的抗震设计与分析工作提供一定参考。

基于HHT频谱分析研究断层对爆破地震波传播的影响

为了研究断层对爆破地震波传播规律的影响,选用位于385中段450水平断层FⅢ-0附近的24线和26线布置测点。利用Matlab软件对测振仪测得的爆破振动信号分析。使用经验模态EMD先分解出高频段再过渡到低频段,直到最后一个分量。运用HHT将分量变换得到HHT三维谱、能量分布图、边际谱及瞬时能量图。通过对穿过断层前后的爆破振动信号进行对比分析得到,爆破地震波在穿过断层后能量幅值降低,但是低频部分能量增加;边际谱频带变宽、能量分散、低频作用更加明显;瞬时能量谱峰值减小10倍左右,振动持续时间增加,表明低频作用更强。

地震波传播有限差分模拟的人工边界问题

在用有限差分法模拟地震波传播中，差分网格人工边界的反射问题是至关重要的。本文简要介绍了几种消除人工边界反射的方法及其主要优缺点。联立这些不同的吸收边界条件于实际的有限差分计算可以给出好的结果。

联合测定乌鲁木齐地区的地震波传播速度和震源参数

新疆地域辽阔,地震台站稀疏,地壳内地震波速变结构资料较少,一些地区几乎是空白,因此,地震定位工作难度较大。经反复试验,选定了联合测定波速和震源参数的定位法,大量计算实例表明,该方法在一定程度上可以改善由台网布局不合理而引起的方位误差,求得的波速值较稳定,震源参数可靠。

复杂介质中地震波传播的数值模拟

提出了复杂介质中地震波传播数值模拟的有限体方法,有限体方法具有与有限元方法相同的网格剖分的灵活性,但计算工作量和存储量少得多。数值结果表明了算法的有效性。