含流体孔隙介质中勒夫面波衰减特性及其表征方法研究

Attenuation characteristics of seismic waves are more sensitive than wave velocities to the changes of subsurface earth media, and can represent the dynamic features of earthe media, which is now the focus in the field of seismic detections. For the universal near surface fluid-filled hydrogeologic conditions, the aim of this research intends to research the attenuation characteristics of Love waves in patchy saturation, double porosity and multiphase saturation porous models, of the upscale Biot fluid-filled porous models which can well predict the attenuation charaterisctics of the body waves in seismic exploration frequency band, with different fluid boundary conditions, and the inherent relationships to the propagations of the shear wave. Moreover, we propose to investigate the theory, method, condition and accuracy to apply the viscoelastic effective equivalent representations for the attenuation characteristics of Love waves on the basis of the actual observations. Further more, we will preliminarily use the equivalent attenuation representations to constrain the velocity and attenuation time and frequency responses in the inversion model. The research will provide theoretical support and clues for the establishment of surface wave dynamic method considering attenuation physical mechanisms,and also promote the development of seismic detection technology.

地震波的衰减特性对地下介质的变化较波速敏感，反映了地下介质的动力学特征，是目前地震探测方法关注的热点问题。本课题拟针对近地表普遍含流体的水文地质特征，利用可较好预测体波在地震观测频带内衰减特性的提升Biot多相含流体孔隙介质模型，结合含流体的边界条件，通过理论分析、数值模拟和岩石物理实验，研究勒夫面波在斑块饱和（PS）、双孔隙（DP）和多相饱和（MS）模型中的衰减特性及其与剪切波传播的内在联系；并探讨在实际观测的条件下，用粘弹性等效描述面波衰减特性的理论、方法、条件以及相应的精度；在此基础上进一步给出定量的等效表征模型对近地表剪切波速度和衰减时间频率响应特征的约束条件。研究成果将为建立顾及衰减物理机制的面波动力学方法提供理论支撑和线索，推动地震探测技术的发展。

本课题主要分析了在含流体孔隙介质模型中面波传播的衰减机制和等效表征方法，并依此开发了孔隙介质中面波的正演算法。针对典型浅地表介质参数，利用Biot模型、提升Biot模型中面波的波形、频散分析，得到以下主要结论：1）半空间流体饱和孔隙介质受剪切震源激发时，SH波不受多种流体自由表面边界的影响，勒夫波不受流体跨界面行为扰动；而PSV平面内的地震波，特别是R1波受其影响明显。自由表面不渗透时甚至会激发R2波沿表面传播。2）震源触发时的速度明显影响面波的时频响应。指向接收点的径向速度，会产生Doppler效应发生频移。横向速度类似剪切触发，造成面波波形的扭曲和拖尾。总体上，这种效应在低频段更明显。3）在含有多种流体的提升Biot模型中，地震频带内P波的传播受中观流机制的影响，但是S波在非各向异性孔隙时受此机制的影响较小。说明勒夫面波受此机制的影响较小，但是R1波则受其控制，特别是低频的P波衰减控制，反演时需要注意。4）低于孔隙介质的特征频率时，通过单一Zener单元的拟合孔隙介质中快体波，等效粘弹性模型可以较好地表征含流体孔隙介质中的勒夫波和R1波的传播特征，特别是时域的波形特征。提升Biot模型中，慢波的效应更多体现在衰减上，这种等效表征模型亦有效。但这种等效模型还不能精确表征流体压力的响应。5）建立针对孔隙流体自由边界的应力镜像和广义声学弹性边界，网格内体波保持稳定，自由界面上面波波长包含10个网格，应用有限差分法可以稳定精确的模拟孔隙介质中的面波的波形和频散。针对粘弹性表征模型，开发谱元法正演算法，并匹配相应的完全匹配层（PML）。数值实验表明，在高Poisson比时，C-PML可以满足长时间模拟的要求，而强各向异性时，需要使用M-PML。