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          理论创新

          各向异性震源远场辐射图案

           

                  各向异性介质中震源辐射是各向异性研究中的重要课题。因为有限尺度震源可以用具有空间分布的点震源复合,故点源辐射研究成为震源研究的基础。现主要考虑位错源、力源和爆破源这三种类型,前者主要用于天然地震的研究解释,后两者则为地震勘探人工震源经常涉及的问题。

                  各向同性介质中力源和爆破源对地震波辐射的数学描述较为简单,而位错源的解析表达式稍加繁琐。

                  对于各向异性介质,这三种类型震源辐射的理论问题都变得复杂。国内外在这方面已有一些研究成果,整体上尚处于发展震源辐射理论方法和认识辐射特征的积累阶段。

                  我国在各向异性震源理论和方法有自己独立的研究,发展了相应的数值模拟软件,并在天然地震和地震勘探两方面得到应用。

                  地震学理论用介质中的位移-应力间断来定量描述点震源。力源(包括地表力源)可直接表示为纯应力间断,位错源表示为二阶矩张量,爆破源可表示为单位矩张量,利用等效体力原理可将后两者转化为相应的位移-应力间断。地震波传播为介质中的位移-应力传播。类似界面位移-应力连续引起地震波的反射和透射,位移-应力的间断引起地震波的辐射。

                  各向异性介质中传播的qP、qS1和qS2三类体波不同于各向同性介质中P、SV和SH波,相应的位移-应力及位移-应力间断也不相同,这决定了各向异性源所辐射地震波类型和辐射强度特征都不同于各向同性震源辐射。

                  对各向异性震源研究一条途径是取固定坐标系,将介质条件限定在各向异性对称面内或方位各向同性内,此时可取刚性张量常数,波的振型为qP、qSV和qSH波,再作弱各向异性平面波相传播简化,如此使震源辐射表述较为简单,并能得到相应的解析表达式。但所设的限制条件使震源辐射仅能适用特殊各向异性及特定辐射方向。

                  我们采用转动坐标系,将等效体力扩展到各向异性,并使得位移-应力间断成为各向异性表述。这要求四阶弹性张量变换和位移-应力变换,但消除了对介质各向异性类型、各向异性空间取向和震源辐射方向限制条件,使所辐射波不限于qP、qSV和qSH波,而是一般的qP、qS1和qS2三类体波,如此理论上大大扩展了震源所在介质的各向异性条件。

                  各向异性介质中地震波能量传播速度矢量不同于相传播速度矢量,这是相比各向同性传播的一个重要差别。弱各向异性中能量传播方向和相传播方向较为接近,强各向异性介质中这两者在方向上可相差几十度角,速度值也不同。

                  各向异性源的能量辐射在强度和方向上不同于相传播辐射。但强各向异性介质中震源能量辐射涉及的理论问题成为国内外许多研究多年来难以跨越的障碍。各向异性能量传输速度是动力学概念,其可表示为能量传输密度矢量和能量密度之商。现在国内外流行使用的群速度是运动学概念,其作为相速度面包络可由对相速度的微分给出。群速度计算仅适用均匀各向异性介质条件,数值微分难以避免误差,理论上很难将其扩展到多层介质传播、震源辐射和界面上反射、透射的研究。我们理论证明对任意各向异性能量传输速度和群速度等价,并基于前者研究能量辐射、能量传播和界面上的反射、透射,这就使震源辐射可包括强各向异性介质条件,也使震源辐射和层介质中的能量传播统一起来。

                  各向异性理论地震图技术综合了震源辐射、反射、透射和传播的全部效应,震源能量辐射的数值模拟等可作为相应的配套技术。

                  各向异性位错源辐射图案研究使天然地震理论地震图拟和横波分裂的观测记录成为可能。地表力源辐射地震波的理论地震图已用于指导煤田地震勘探观测解释。

                  各向异性介质中球对称的爆破点源不但辐射qP波,还辐射两个准横波,这可以解释为什么陆地三分量反射记录有时能看见来自震源的横波。地震反射振幅包括震源辐射和界面反射效应,爆破源能量辐射研究能对反射纵波和转换波振幅的解释提供相应的基础。

          以下给出叠层和裂隙复合各向异性(P07C10)介质中球对称爆破源激发三类体波的远场辐射图案计算结果。

           

           

           

                  PTL(各向异性7%)和EDA(各向异性10%)复合为P07C10斜方各向异性。在P07C10介质中的爆破源辐射S1、S2和qP三类体波,该图分别给出这三类体波相传播辐射强度和能量辐射强度的三维分布图案。能量辐射和相辐射的差别主要是振幅方向分布不同。

                  对于P07C10斜方各向异性介质中震源激发和单界面反射,用各向异性反射率法计算的三分量理论地震图表明,qP振幅随炮检距增大包括震源辐射各向异性的贡献,除界面反射转换PS波,较大炮检距还出现与震源辐射有关的反射S波。

                  所发展的各向异性介质中各类震源的能量辐射软件有助于我国在该领域开展独立的系统研究,也可以成为理论地震图技术的辅助工具。2、能量辐射和相辐射的差别主要是振幅的不同方向分布。3、爆破源P波各向异性辐射不同于各向同性辐射—AVO,但解释来自源的横波较为困难。4、纵、横波的综合解释可用于核侦察。5、用于天然地震可提取震源位错的更详细信息。

           

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