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利用Rayleigh波研究岩石应力变化及虚拟仪器实现

辛维  
【摘要】:利用地震波来研究地下介质应力状态随时间变化一直都是地震学家一个重要研究方向,它为地震短临预报和长期趋势预测提供了一个可能途径,同时也将很大地促进和拓展地球物理学的发展和应用领域。 岩石应力状态的改变会使接收到的波形发生变化,这构成了利用弹性波检测介质性质和应力变化的基础。在弹性波众多参数中,地震波速由于测量容易且精度高而被广泛应用,但是高精度地震波速测量对震源和接收设备要求很高。近来大量的数值模拟和合成材料实验结果显示,与波速相比Rayleigh波偏振可能对应力变化更为敏感。本文尝试将利用Rayleigh波进行应力变化监测的技术在实验室实现并应用于地球介质,开展了如下工作: 1.基于虚拟仪器技术,我们在高速通用数采上实现了普适性的监测系统,并在两次小型野外实验中对系统进行了测试,结果表明:(1)系统稳定性较好,在一年左右的连续监测中未出现软件引起的数据缺失、损坏等现象;(2)系统可以用于不同尺度的主动震源激发和多通道接收,具有一定的普适性和开放性;(3)系统充分利用了硬件高采样率的特性有效地提高了触发精度,进而提高了波速变化测量精度。 2.在实验室研究了Rayleigh波偏振对岩石应力的敏感性。在实验室内以长方体花岗岩为样本,在不同的单轴压力下重复激发超声波并用三分量的传感器接收。利用记录的全波形信息研究了不同震相的到时、Rayleigh波偏振与岩石应力状态变化的关系。实验结果表明: (1)不同震相速度对应力变化的敏感性在10-8/Pa这个数量级,且敏感性从大到小依次为:Rayleigh波S波P波。 (2)随着应力的增大,Rayleigh波偏振变强,但其敏感性随应力(与Rayleigh波传播方向平行的应力)增大而变小,这反映出了介质性质的非线性变化特性。 (3)在应力较小的情况下,Rayleigh波偏振对应力的敏感性比波速大数倍。 3.我们尝试将Rayleigh偏振应力监测方法应用于云南小哨野外小尺度主动源实验的数据中。结果表明整个实验期间Rayleigh偏振的变化比波速变化更加剧烈,同时Rayleigh波偏振也呈现出一定的日变化规律。


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