地震波在粘弹性各向异性地壳介质中的传播及其应用研究

发布时间：2017-12-09 17:18

本文关键词：地震波在粘弹性各向异性地壳介质中的传播及其应用研究

【摘要】：实际地球介质中普遍存在着多尺度、多取向、填充各种流体的孔隙,裂隙和裂缝,这种介质常常被称为双相介质或多相介质。裂隙及其填充流体的存在一方面使得介质的弹性模量(体模量和剪切模量)减小,改变流体输运性质,另一方面也导致地震波传播的各向异性,衰减和频散。介质的双相和各向异性特征是现代地球物理学的两个难点。一般各向异性弹性介质的弹性矩阵有21个独立参量,满足Christoffel方程；在高频近似条件下满足射线追踪方程。然而直接求解波动方程往往十分困难,常常不能得到解析解。考虑到实际地球介质大多是弱各向异性,因此可以利用扰动理论近似描述,将相速度,偏振矢量线性化并表示为弱各向异性参数(WA,Weakly Anisotropy)的形式。我们给出了TTI介质中qP波的相速度和偏振矢量的弱各向异性参数线性化反演公式。20世纪70年代以来,科学家们通过地震波速度的方位各向异性,横波分裂,接收函数法,面波偏振等方法研究地球介质的各向异性。其中横波分裂方法是各向异性最直观的表现,具有相对简单、横向分辨率高,对裂隙密度及纵横比较敏感等优点,是研究介质各向异性性质的一种主要方法,也是研究大构造(如岩石圈等)的重要手段。本文以EDA(Extensive Dilatancy Anisotropy),APE(Anisotropic Poro-Elasticity), Chapman多尺度模型为例介绍了双相介质中的等效介质模型。EDA,APE理论研究对象是微观尺度的单组微裂隙,其裂隙密度定义为ε=Na3/V(ε1)。张性扩容各向异性EDA被认为是地壳各向异性的主要因素,当横波通过这种介质会分裂成快慢横波,且快横波的优势偏振方向往往与区域最大水平应力相同。基于SOC(Self Organized Oriticality)理论双相介质的破裂特性,可以对由于应力作用处于临界状态下的微裂隙与流体的动态特征进行描述的APE模型表明,横波分裂对地壳介质的微裂隙的几何特征(如裂隙的纵横比)十分敏感,而微裂隙的几何特征变化对应力场的变化十分敏感。因此将横波分裂结果在地震前后的变化解释为横波对地应力场变化的响应,并提出可以利用这一特征进行应力检测。在不同地质构造时期,由于区域应力场的作用,可能导致实际地球介质中的微裂隙是多尺度的,并且有多个优选方向。本文介绍的Chapman多尺度模型将中等尺度断裂加入分析中,并考虑两种尺度的微裂隙和裂缝之间的相互作用,获得了频率相关的等效弹性矩阵。通过引入复数弹性张量可考虑各向异性粘弹性介质的波动理论。由于弹性矩阵的虚数部分的引入,且是频率相关的,因此解析解的计算比一般各向异性弹性介质更加复杂。在高频近似时,可将一般各向异性弹性介质的射线追踪方程以及扰动理论应用到弱各向异性弱衰减(WAA, Weakly Anisotropy-Attenuation)介质中,此时其固体骨架由各向同性变为各向异性介质,且弹性矩阵的扰动由实数变为复数。本文给出了P波在一般WAA介质中随方位衰减的线性化反演公式。首先,通过2个,3个,6个等方位间距的剖面组成的walkaway VSP模拟实验,使用TTI模型和一般各向异性模型对模拟数据进行了反演,验证了反演公式的正确性和可靠性。然后,对一个来自Java Sea的由三条剖面组成的walkaway VSP实际观测数据进行了反演计算,获得了钻井中不同深度检波器处的WA参数。中国地震台网中心测定,北京时间2008年5月12日14：28：04,在青藏高原东缘龙门山推覆构造带上发生了逆冲为主带有少量右旋,挤压型Ms8.0级大地震(31.01°N,103.42°E)。为提高时频分辨率,分析时频局部化信息,引入Meyer-Yamada正交小波基MYW。在粘弹性各向异性线性化理论的基础上,运用小波分析方法对以汶川地震为中心,200km为半径的范围内的地震进行了分析,获得了汶川震中区9个固定台站的P波小波波谱的平均衰减结果和方位各向异性衰减结果。该方法能够有效利用小震数据研究震源区介质各向异性随时空的变化规律,具有广阔的应用前景。
【学位授予单位】：中国地震局地球物理研究所
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：P315.31

【参考文献】

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