电离层-均匀地球模型中地表水平电偶极子激发的电磁场

本文在电离层-均匀地球模型中使用Debye势方法,在电磁场一般性边界条件下导出了地表水平电偶极子源在地球介质中激发的电磁场的表达式.对球Bessel函数使用指数函数近似,并采用加速算法,计算了地表及地下的电磁场.其正确性得到理论计算和实际观测数据的多方面支持.结果表明,在收发距离大于1000 km,电磁场强度很稳定,几乎没有衰减的迹象;电磁场受电离层的影响很大,由于电离层高度升高或电导率减小引起的电磁场幅度的减少可以达到50%,但是由电场和磁场得到的视电阻率变化却很小.

弹性波在含双裂纹岩体中的传播分析

岩石和岩体是具有复杂细微观结构的非均匀介质.弹性波在岩体中传播时,与岩体细微观缺陷相互作用表现出弹性波的频散效应.为研究岩体内部细观结构对弹性波频散效应的作用,本文采用双裂纹模型:在模型内部,考虑裂纹间的相互作用对弹性波的影响,以分析弹性波在双裂纹体系间的多次散射作用;在双裂纹体系间,采用线性叠加分析法,以考虑岩体缺陷影响的局部化.对波动方程应用Green函数基本解,利用边界积分方法,将双裂纹体系作为内边界处理,得到相应的频散方程,由此对比分析了双裂纹体系在上述两种分析方法下的区别,进一步探讨了双裂纹体系参数、孔隙流体压力和卸荷对岩体频散特性的影响.

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100N,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、波速与温度和频率的关系.以此研究了饱和多孔岩石在弹性范围内的衰减、耗散角、杨氏模量和弹性波波速随温度和频率的变化规律.取得了随频率或温度增高饱和多孔岩石的衰减峰和耗散角峰的峰位向高温或高频方向移动的热激活弛豫规律.以低频共振衰减解释了随频率增高衰减强度增大;用阻尼衰减和以岩石天然孔隙裂缝随疲劳载荷时间的增长,裂缝纵横比增加,解释了随频率增高,衰减峰的峰位向高频方向移动和衰减峰的强度降低的另一实验结果.这些实验结果与低频共振的驻波实验取得了同样的热激活弛豫规律,说明热激活弛豫机制在饱和多孔岩石中具有一定的普适性.本文还获得了杨氏模量和弹性波波速随温度升高而下降,随频率增高而增大,具有频散效应,随温度升高频散效应有减弱的趋势.该研究结果对理论模型研究具有指导意义,对地震资料的解释具有实用意义.

含多种尺寸缺陷岩体中的弹性波散射

研究了含多种尺寸扁平椭圆缺陷的岩体中弹性波散射规律.细观上应用Green函数方法,考虑了入射波与基本的扁平椭圆缺陷相互作用,宏观上采用线性叠加原理,得到了缺陷岩体的频散和衰减规律.频散曲线中特征频率与裂纹尺寸负相关.含几种不连续尺寸裂纹的岩体中其频散曲线呈"阶梯跳跃"形,其衰减曲线也有不同的峰值;而含"均匀分布"与"正态分布"裂纹尺寸的岩体,与含单一尺寸缺陷的岩体相比,其频散曲线具有较宽的特征频率段.结合两个声波测试实例,讨论了这一理论模型的合理性与可行性.

可控源电磁三维频率域有限元模拟

本文采用电磁场的磁矢量位和电标量势,将Maxwell方程组化为位势的类似于Helmholtz型方程,并引入罚项及稳定化方法克服了电磁三维有限元算法中的伪解及数值不稳定性;采用人工边界把计算区域局域化,将均匀半空间中水平电偶极子源产生的位势值作为人工边界上的第一类边界条件以表示源的作用,减少了实际的计算区域.理论模型和复杂模型的计算结果均表明,可控源电磁三维有限元数值模拟给出了稳定、可靠的电磁场分布.

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5～400Hz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.

用应力—应变法研究饱和砂岩的黏弹性特征

应用Metravib热机械分析仪,选取适宜实验参数(固定静载为140N,正弦波动载荷为80N,且将总载荷控制在屈服点以下;温度为-30℃～150℃,升温速率为1.5℃/min;频率为1～1000Hz),对泵油饱和长石砂岩和彭山砂岩进行正弦波单轴循环加载,以研究饱和多孔岩石在弹性范围内的衰减、杨氏模量和弹性波波速随温度和频率的变化规律。实验结果表明,饱和多孔岩石的衰减峰峰位表现为随频率增高而向高温方向移动的热激活弛豫规律和Arrhenius关系。该实验与低频共振驻波实验取得了同样的热激活弛豫规律,说明热激活弛豫机制在饱和多孔岩石中具有一定的普适性。由分析实验数据还得知:杨氏模量和弹性波波速具有随频率增高而增大、随温度升高而下降的普遍规律;存在较强的频散效应,且频散效应具有随温度升高而减弱的趋势。

电阻率任意各向异性三维有限元快速正演

电阻率各向异性由于其可能导致观测数据解释的很大偏差,受到越来越多的关注.由于其复杂性,三维各向异性研究国内尚未开展.本文先推导了各向异性介质中直流电法满足的控制方程并建立其变分问题,然后用有限元方法将问题转化为求解二次场电位的大型线性方程组,结合系数矩阵一维压缩存储技术和解大型线性方程组的对称超松弛预条件共轭梯度(SSOR-PCG)迭代算法,大大提高了计算速度,减少了内存需求.本文提出的算法可以任意调整介质的电阻率取向,从而实现了直流电阻率三维任意各向异性的有限元快速、精确正演计算.模型计算结果表明,各向异性介质响应相对于各向同性介质有明显差异,其介质取向对于视电阻率观测有明显影响.

大地电磁测深三维正演模拟及异常特征研究

为了实现大地电磁测深三维高效快速正演算法,本文研究了大地电磁测深积分方程三维正演模拟的理论与方法.首先详细地推导了Fredholm型积分方程;然后给出积分方程的离散方法、并矢格林函数积分的求解方法以及大型矩阵方程的存储与求解方法;最后,通过理论地电模型的计算检验了方法和程序编制的正确性,并展示了几种理论地电模型的数值计算结果,分析其异常特征.算例结果表明,该正演算法在CPU主频为1.81GHz、内存为1GB的计算机上能正确地模拟多个异常体的异常特征;地表电性不均匀体会使地表视电阻率曲线产生十分严重的畸变;TE模式相对TM模式纵向分辨率比较好,而TM模式的横向分辨率较好;随着异常体埋深的增加,反映异常的分辨能力进一步降低.

滞弹性衰减特征及其损伤的累积效应

在地铁、高速铁路等基础设施的快速发展下,长期滞弹性微损伤累积效应应引起人们的关注,尤其是对动载和高频效应的关注.本文在频率0.01~1000 Hz、温度-50~200℃内研究了弹性范围内的饱和砂岩、大理岩,在强迫共振、单轴循环加载下的温度和频率的滞弹性行为的弛豫衰减峰.结果显示,弹性模量和波速随温度的升高而下降,且下降梯度比一般岩石的力学实验结果要陡;随着频率提高,弹性模量和波速显著增大,频散效应会加强.该结果反映了在应力诱导下岩石内部微缺陷等微损伤之间的运动和相互作用的微观过程,该过程会导致微结构变化,进而引起微观的位移,产生微损伤;微损伤经历一段时间或很长时间的积累过程,就可能造成疲劳损伤断裂.岩石内部微观结构的非均匀性和矿物晶粒间界等缺陷是最薄弱的部位,在循环应力作用下再次形成新的微裂纹系统,从而加速损伤的积累,引起断裂.除此之外,岩石中多种渠道的残余应力会导致疲劳损伤;振动频率的提高,也会加速岩石的损伤;结合温度升高的综合效应会引起岩石内部微裂纹增长,导致岩石微结构变化并引起微损伤,虽然这是在屈服点以下引发的滞弹性微损伤,但最终它们都将使岩石的品质劣化.

饱和砂岩的滞弹性弛豫衰减特征及微观机理的探索

应用Metravib热机械分析仪,以饱和岩石进行正弦波加载的方式,分别对三种不同孔隙度的泵油饱和彭山砂岩、泵油和甘油饱和自贡长石砂岩进行了衰减实验研究,得到衰减的热弛豫规律.据此规律求得它们的激活能和原子振动频率,其激活能和原子的振动频率比间隙原子的激活能和振动的频率低,此现象用饱和砂岩中产生的缺陷原子簇的整体振动比单个或孤立的原子的振动频率低做出了解释.在饱和岩石的晶粒间界缺陷处参与扩散的是固体原子、液体及气体原子.并得出随孔隙度和黏滞系数增大,衰减强度和激活能增大,原子的振动频率增高,弛豫时间减小的结论.在正弦波应力作用下,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、缺陷广布,产生弛豫衰减是普遍现象.砂岩中存在点缺陷、位错、晶界及孪晶界面等许多缺陷及缺陷间的相互作用都可以产生弛豫型衰减峰.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观结构紧密连在一起.饱和砂岩中的各种缺陷、相界等会导致多重弛豫,使它们的弛豫衰减峰变宽,分布参数增大.这项研究既具有理论意义,也具有实用价值.

泵油饱和砂岩黏弹行为的实验研究

通过Metravib热机械分析仪,用固定静载为100 N、正弦波动载荷为60 N的应力-应变实验方法,在温度为-50—175℃,升温速率为1℃/min,频率为1—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,研究了饱和多孔岩石在弹性范围内的衰减、耗散角、杨氏模量和弹性波波速随温度利频率的变化规律.取得了随频率增高饱和多孔岩石的衰减峰和耗散角峰的峰位向高温方向移动的热激活弛豫规律,并求得弛豫峰的激活能和跃迁频率,以饱和砂岩的特点对此作出了解释.发现岩石中矿物离子置换时的相变内耗峰,并用动态观点解释了该相变峰.还获得杨氏模量和弹性波波速随温度升高而下降、随频率增高而增大的频散效应,随温度升高频散效应有减弱的趋势.该研究结果对理论模型研究具有指导意义,对地震资料的解释具有实用价值.

饱和岩石滞弹性弛豫机理的实验研究

通过Metravib热机械分析仪,用正弦波加载方式,模拟地震波的传播。实验时固定静载为100N,正弦波动载荷恒为60N,将总载荷控制在屈服点以下。在温度为-50℃~90℃,升温速率保持在1℃/分,频率为5Hz^400Hz的条件下,对饱和泵油彭山砂岩和遂宁砂岩样品进行单轴循环加载实验,获得饱和泵油彭山砂岩和遂宁砂岩的衰减、虚模量、实模量、波速与温度和频率以及动载荷的关系。以此研究了饱和多孔岩石的衰减和虚模量、杨氏模量和弹性波波速随温度和频率的动态响应。取得了随频率增高,饱和多孔岩石的衰减峰和虚模量峰的峰位向高温方向移动的热激活弛豫机制。杨氏模量和弹性波波速随温度升高而下降,随频率增高而增大,具有频散效应;杨氏模量和弹性波波速随动载荷振幅的增大而降低。这些结果与低频共振的驻波实验取得了同样的热激活弛豫规律,说明热激活弛豫规律具有一定的普适性。

高孔隙岩石局部压缩屈服与帽盖模型

对石灰岩不同围压的三轴压缩过程进行微结构观察,发现:当平均应力与体积应变曲线偏离静水压力线时,岩样微结构产生颗粒之间胶结物破坏,颗粒挤紧,孔隙减小,导致应变硬化,达到剪切增强的压实阶段.继续加载较软的颗粒被挤碎,导致崩塌变软,岩样出现宏观软化现象;同时孔洞表面产生大量平行于最大主应力方向的裂纹,汇聚成核.在低围压(<40 MPa)时,含天然缺陷的岩石中,观测到剪切带的产生,也会在局部缺陷处发生崩塌;随着围压的增加(>150MPa),局部体积崩塌将逐步引发大面积的垮塌.对应岩石试件的屈服行为也由以剪切破坏机制为主,逐渐转变为以体积崩塌压缩机制为主,引起纵向应变迅速增加.当剪切增强压缩继续发展到C*′直到峰值应力前时产生颗粒破裂、移动或旋转,曲线出现转向,岩样发生体积膨胀,同时引起密集声发射活动.峰值应力后,微裂纹串联成裂纹簇开始剪切诱导岩样体积膨胀,导致应力降引起应变软化,同时产生剪切局部化.在没有无序性影响的压缩带发展和传播的数值模拟中,展示了压缩带由样品的上下端面向样品中部逐渐扩展的过程,与Bentheim砂岩切片图显示和AE监测结果是吻合的.通过微观与宏观实验结合的描述方法清楚地展现了剪切带、压缩带、膨胀带的产生机理以及压缩带的发展过程,这里压缩屈服过程即为帽盖模型的形成过程,它是近似椭圆的帽盖模型中的帽子部分.

用正弦波加载和超声实验研究饱和砂岩弛豫特征和衰减峰

采用Metravib分析仪在-50℃～100℃温度条件及300-400Hz的正弦波作用下进行泵油饱和砂岩应力应变实验，获得了虚模量温度峰与对应实模量的剧烈亏损规律，显示出饱和砂岩有别于由衰减峰引起的典型粘弹性行为。利用超声法对饱和大理岩与花岗岩样品进行波速和衰减特性测试，获得了大理岩的Biot衰减峰变化规律。该研究对岩石物理理论模型的发展具有重要意义，可以利用岩层的衰减和波速频散特性进行油气藏的预测，降低勘探风险。

高孔隙岩石局部变形带的简化模型

用屈服函数和势能函数的偏导数重新定义了岩石的局部化变形带的判定条件,给出了新的局部化变形条件及临界模量.通过对Rudnicki和Rice(1975)为研究剪切带发生条件而建立的本构关系加以改进并放宽限定条件,提出了用四分之一椭圆帽盖模型以及与之相切的圆来简化势能函数,获得了简化模型,并在此简化模型基础上,取得了变形带发生的判定条件以及简化后的临界模量.同时还给出了简化理论模型的结果;通过压缩带和剪切带的产生顺序以及判定条件验证了简化模型的正确性,并与Issen等(2001)的理论模型进行了对比,讨论了简化模型的优越性以及在三轴对称压缩试验中的实用性.