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          理论创新

          上世纪后20年地震学的重大进展

           

                 - 各向异性导致横波分裂

                 - 提出地壳普遍存在依水平主压应力排列的裂隙

                 - 从横波分裂快波偏振可以得到直立裂隙的取向

                 - 从快、慢波的到时差可推断横波所经介质中裂隙的平均裂隙密度

                 - 从大量地方震横波分裂观测解释得出认识,弱裂隙各向异性是上部脆性地壳的普遍特征

           

                  地方震短波长的横波分裂观测很快向长波长的SKS分裂等观测扩展,观测区包括不同岩性和断层附近等复杂地质构造区。裂隙各向异性也迅速被地震勘探界所接受,并日益紧密地与钻井、不同岩性的物理模拟实验等相结合。这当中与油气存储和优势流动方向有关的大裂缝问题,断层裂隙和依应力排列裂隙多组裂隙问题,还有像煤岩和页岩等这些本身为强各向异性又发育裂隙的问题日益突出,等等这些都对各向异性介质理论提出新的挑战。

           

                  岩体内定向排列裂隙、定向排列颗粒和叠层结构等都引起轴对称各向异性(TI)。裂隙各向异性多年来一直是地震学中介质理论发展的重要内容。

           

          两个重要表达式

                  Hudson(1981)提出裂隙的弹性张量表达式,其中的两个弹性偏离项中包括裂隙密度、裂隙纵横比、和裂隙含气或含水等描述裂隙形态的参数,为裂隙各向异性地震波传播的理论研究和观测解释做出突出贡献,但该理论有低裂隙密度的限制条件。Sayers(1995)给出的模拟裂隙的线性滑动理论(LSD)表达式,提出裂隙引起垂直裂隙面的法向柔度偏离和剪切柔度偏离,该理论原则上没有弱裂隙的限制条件,但缺乏对裂隙形态的进一步描述。刘恩儒发表了许多文章,其中论述了这两者的理论表述具有某种等价性,两者结合可以给出关于裂隙形态的更详细描述,并且克服了低裂隙密度的限制条件。

           

          面对实际问题的困惑

                  以上两种裂隙理论都涉及到作为各向同性背景拉梅常数这一问题。目前国际上通过对各向异性的弹性常数取算术平均,得到各向同性的纵、横波速度或者两个拉梅常数作为参照值,这在波传播研究上有一定的方便性。但将各向同性参照值作为背景值在介质理论上会遇到困难。例如,依据Hudson(1981)的裂隙介质理论,对于各向同性介质设定两个拉梅常数,加入裂隙后,计算出裂隙介质的五个弹性常数,如将这五个弹性常数取算术平均,无法得到原本设定的无裂隙各向同性的两个拉梅常数。如果得不到正确的各向同性拉梅常数,就无法通过弹性常数获得正确的弹性偏离,还会引起其它问题。

           

                  解释物理模拟实验结果和地震观测时,以上两种裂隙理论还存在另一个无法回避的问题。设各向同性介质中发育水平裂隙,Hudson(1981)的裂隙理论包括两个各向同性拉梅常数和两个弹性偏离共4个量,Sayers(1995)的裂隙理论包括两个各向同性柔度和两个柔度偏离也是4个量,它们都产生裂隙VTI的5个弹性常数,这意味着该5个弹性常数表平面上不同,但只有4个是独立的。面对具有5个独立弹性常数的真实介质时,基于以上两种裂隙理论来解释都会遇到困难和困惑。

           

                  我们重新考虑具有轴对称TI的各向同性背景和各向异性偏离,并建立新的完备的理论格架。

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