10 各向异性介质技术

10 各向异性介质技术

利用地震资料研究裂隙裂缝发育的方向和密度意义重大。对于油气勘探而言，碳酸盐岩是一个有利的高产油气层，世界上约有60％左右的油气来自碳酸盐岩储层，而碳酸盐岩储层与裂隙裂缝的关系极为密切。对于煤矿开采而言，研究裂隙裂缝的作用更为重要，主要表现在煤层底板突水和瓦斯突出两个方面。华北大部分矿区的煤系地层基底为奥陶系灰岩，区内张裂性、张剪性断裂及陷落柱非常发育，奥灰水往往借助于小断层或岩溶陷落柱等导水通道突破煤层底板涌入工作面，造成矿井涌水量的增加甚至淹井的煤矿灾害，简称“水害”。瓦斯突出是指煤矿生产过程中，从煤层、岩层及采空区放出的各种有害气体在工作面上富集并涌出，从而引起瓦斯爆炸的煤矿灾害，简称“火灾”。无论是“水害”还是“火灾”，其罪魁祸首是岩层中的裂隙裂缝。由于裂隙裂缝是水及瓦斯富集、存储、运移的场所，因此查明采区内断层、裂隙裂缝的分布有利于预防煤层底板突水和瓦斯突出，直接涉及到煤矿的安全生产。

大量的研究工作和观测数据表明，含裂隙裂缝介质的性质可以用各向异性介质理论进行解释，而传统的地震理论仅研究各向同性介质。本章讨论各向异性介质中弹性波传播理论的意义也在于此。

10.1 各向异性介质

各向异性现象在地球介质中是普遍存在的。广义上讲，当介质的特性在同一点处随方向发生变化时，则认为介质是各向异性介质。

10.1.1 地震各向异性

在地震勘探中，各向异性是指在地震波长的尺度下介质弹性特征随方向发生变化。图10—1给出各向同性介质与各向异性介质的地震波速度变化。

(a)各向同性介质 (b)各向异性介质

图10—1 各向同性介质与各向异性介质的地震波速度变化一般地说，引起地震各向异性的主要因素为：

(1) 结构各向异性(如薄的层状结构，见图10—2)；

(2) 地层中方向应力导致的各向异性；

(3) 岩性各向异性(如颗粒的定向排列)；

(4) 地层中岩石晶体定向排列导致的各向异性；

(5) 岩石定向裂隙裂缝导致的各向异性，见图10—3。

图10—2 薄层状结构引起的各向异性

图10—3 岩石定向裂隙裂缝导致的各向异性

10.1.2 各向异性介质的类型

各向异性介质按其弹性性质变化的程度进行分类。

(1) 极端各向异性介质

如果介质中任一点处沿任意方向的弹性性质都是不同的，则这种介质称为极端各向异性介质，具有21个独立弹性参数。

(2) 正交各向异性介质

如果介质中存在一个平面，在平面对称的方向上弹性性质是相同的，则该平面称为弹性对称面，垂直弹性对称面的方向称为弹性主方向。

如果介质中有三个相互正交的弹性对称面，且它们的弹性主方向上的弹性性质互不相同，则这种介质称为正交各向异性介质，具有9个独立弹性参数。

(3) 横向各向同性介质

如果介质中存在一个弹性对称面，在平面内沿所有方向的弹性性质都是相同的，而垂直平面各点的轴向都是平行的，则称该平面为各向同性面，垂直各向同性面的轴为对称轴。

具有各向同性面的介质称为横向各向同性介质，简称TI(Transverse Isotropy)介质。

当TI介质的对称轴垂直时，称其为VTI(Transverse Isotropy with a Vertical axis of symmetry)介质，即具有垂直对称轴的横向各向同性介质。它近似地表示水平层

状介质周期性沉积的薄互层各向异性介质，因此VTI介质也称为PTL(Periodic Thin-Layer)各向异性介质。图10—4为PTL介质示意图。

当TI介质的对称轴水平时，称其为HTI(Transverse Isotropy with a Horizontal axis of symmetry)介质，即具有水平对称轴的横向各向同性介质。HTI介质近似地表示空间排列垂直裂隙而引起的各向异性，也称为扩容各向异性介质，简记EDA (Extensive Dilatancy Anisotropy)介质。EDA介质是典型的方位各向异性介质，图10—5为EDA介质示意图。

图10—4 PTL介质示意图图10—5 EDA介质示意图根据各向异性介质的对称特性，各向异性介质可分为8类(Crampin,1981)。

(1) 三斜对称各向异性介质

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(2) 单斜对称各向异性介质

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