斑块饱和介质中Rayleigh面波传播频散.pdfVIP

·1454 · 中国地球科学联合学术年会 2014 斑块饱和介质中 Rayleigh面波的传播与频散 *1,2 3,4,5 3,5 3 1,2 张 煜 徐义贤 夏江海 平 萍 张双喜 1.武汉大学测绘学院，武汉 2.地球空间环境与大地测量教育部重点实验室 武汉 3.中国地质大学（武汉）地球物理空 间信息学院 武汉 4.地质过程与矿产资源国家重点实验室，中国地质大学（武汉） 武汉 5.地下探测与成像实验室， 中国地质大学（武汉） 武汉 浅地表介质的物理性质受到地下水、工程和环境科学的重视。利用面波在地下介质中的传播与频散 特征，我们可以获得地下介质的体波（主要是剪切波）速度分布。基于弹性理论的面波方法已得到广泛 应用。然而，这种理论基础忽略了介质中波动衰减的物理机制的讨论，特别是针对浅地表含流体地层， 弹性理论已不能满足实际应用的需要。对于通常浅地表地下未固结沉积地层，孔隙流体的存在可以显著 地影响孔隙介质中波动的性质。由于在孔隙空间的流体的分布，衰减效应出现，使得介质的弹性模量变 为与波动频率相关。通常我们特别关注气 - 液混合充填孔隙介质的情况，这会出现特别有趣的现象。 在这种情况下，仅考虑宏观流体衰减机制的 Biot 理论不能完美地解释实际感测到的衰减特征，必须考 虑孔隙空间多种流体分布的衰减效应。最近的研究（Pride, et al., 2004）已经表明，在低频带内（地 震频带内），中观尺度上的多相流体斑块饱和效应是孔隙介质中波动传播的主要衰减机制。这种中观尺 度介乎于波长相当的宏观尺度和孔隙尺寸相当的微观尺度之间，一般在描述数十厘米的空间分布上的特 征。这一衰减机制的频率响应特征与数值模拟和实际观测的数据相当的吻合，克服了 Biot 理论在解释 实际含流体孔隙介质中衰减时的内在缺陷。描述这一尺度上介质中波动受流体分布的影响，可以建立一 种分离的气体饱和球状斑块分布于液体饱和的孔隙介质背景中的模型，由 White（1975）最先提出。在 波动传播的过程中激发孔隙中流体在斑块和背景骨架间流动，从而造成压力的变化，并导致分离的气体 饱和球状中扩散效应的形成，引起波动传播的固有衰减。 沿自由表面界面表面波传播一直被视为面波应用中的物理基础。而对于通常情况下孔隙介质中存在 的固体和流体的相互作用使面波在自由表面处具有复杂的特性。这种特性需要更为准确的模型来描述。 因此，研究在低频带（地震频带）内孔隙介质中的面波的传播与频散特性是在改善面向更真实世界的水 文地质条件的面波应用精度关键问题。 本研究着重讨论了沿斑块饱和多孔介质自由界面传播的 Rayleigh 面波在低频率范围（ 0.1Hz – 1000Hz）与频率相关的速度和衰减频散以及与时间相关的动力学响应特征。并对顾及多孔介质中的多相 流体和固相的相互作用中观衰减机制不同的斑块饱和模型进行了分析。这些斑块饱和模型之前已在纵波 传播的数值和物理实验中得到验证，本文将这些模型扩展到描述沿自由界面传播的面波的传播特性，并 着重对面波与频率相关的速度和衰减与气体的饱和度的依赖关系进行了研究。结果表明，面波的速度和 衰减对气体的饱和度有明显的依赖关系，并且发现 Rayleigh 面波频散在低频端与快纵波有更明显的相 关性，而相对的与剪切波的相关性反而不明显。特别是在在 1-200Hz 的频率范围内可观测到明显的强衰 减，与快纵波类似。并且发现的面波的衰减系数 1 / Q 的极大值对应频率与气体的饱和度有明显的联系。 这些频率域显示的特征也在时间域的面波的动态响应中得以显现。这些结果也为面波方法进一步发展以 探测浅地表流体的分布提供了理论参考。 资金资助：本文得到国家重点基础研究发展计划（2013CB733303），自然科学基金，博 士后基金（2013M531744）资助 参考文献 [1] Pride, S. R., Berryman, J. G. and Harris, J. M., 2004, Seismic attenuation due to wave-induced flow, J.