正交各向异性介质波场特性的物理模拟研究

【摘要】： 地球物理学者已认识到从地幔到地壳上部的沉积岩存在着不同程度的各向异性，且对具有垂直或水平对称轴的横向各向同性介质(TI)有很多的研究。而在沉积盆地中较普遍存在着正交各向异性的情况。研究正交各向异性介质中地震波场特征对地震预测、岩体工程、地下水利用和能源勘探开发有十分重要的意义。 本文利用地震物理模型正演技术，开展正交各向异性介质地震波场特征的研究。首先通过研制物理模型实验技术中的关键器件纵横波宽频带换能器，及对其性能和使用技巧的研究，积累实验室开展各向异性介质的测试经验，建立了一套较完整观测各向异性介质弹性波场的测试系统。在总结归纳已有的各向异性介质中的横波测试方法基础上，提出了两种新的波场观测方法，并通过实际各向异性样品测试，对比了各种方法所具体的特点。 在各向异性介质中，使用宽频带扭转振动横波换能器观测到了横波分裂现象，表明在各向异性介质中无论什么振动方式的横波中都会发生横波分裂。这个实验结果进一步表明，纯横波在各向异性介质传播时，即横波的传播方向与裂隙平行，无论横波的偏振怎样改变，只能观测到两种横波速度，快横波和慢横波。 通过多种频率和不同直径的换能器，给出了实验室测试各向异性介质相速度和群速度时换能器频率和直径与样品长度之间的相对关系。以0.5MHz频率为界，大于此频率时，只要各向异性样品的传播距离小于换能器直径的两倍，测得的速度认为是相速度。使用频率小于0.5MHz或是直径很小(小于5mm)的换能器时，则应谨慎使用所测得的速度。 对岩石样品的测试发现，在普通岩石具有速度正交各向异性特性，既有定向排列的裂缝和岩石的结晶所致，也有层理与岩性特征(定向颗粒或孔隙)构成。通过横波的各种偏振测试法，可正确地确定岩石样品中各向异性结构方向。 在实验室内，尝试了研制可控裂隙密度的正交各向异性模型材料，并在制作的小块样品的三个方向上观测到了横波分裂。为进一步研究裂隙与弹性波场的关系积累了制作正交各向异性介质模型材料的经验，也为定量研究正交各向异性特性提供了一种模型材料。 用加工不同样品形态的方法给出了正交各向异性介质的相速度和群速度特征，观测到各向异性介质群速度面上的尖点现象，并用测试得到的正交介质的弹性常数进行了数学模拟，其波场特征与测试的速度面特征相符。 采用纵发-横收垂直透射的方式观测了P-波的波场。实验表明，随着P-波入射方位角的变化，会有qP-波和qSV-波同时存在的现象。这是纵波的质点振动受各向异性结构面影响的一种波场特征。此现象与SV波出现速度面尖点现象具有类似的性质。 最后，通过对反VSP观测得到的单炮记录进行τ-p变换，得到各向同性介质和正交各向异性介质的相速度。对于纵波用τ-p变换得到的相速度误差在1％左右，SH—波约有3％，SV—波有4％。如果提高SV-波记录处理效果，用τ-p变换将是一种获取正交各向异性相速度的较好方法。