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地壳介质是孔隙介质,其本构关系十分复杂,离散介质理论建立的本构方程能够描述这种关系。本文基于离散介质理论采用几何方法导出离散介质本构关系,阐明了孔隙特征长度(孔隙弹性介质的空白区特征长度称为孔隙特征长度)的物理意义。引入了离散介质的损伤力学模型,孔隙特征长度与损伤因子的对比分析表明两者是等价的。
为深入分析孔隙特征长度的含义,文中讨论了损伤力学模型与体波速度各向异性的关系。对损伤力学模型的分析表明,损伤因子取值较小情况下基于应变等效原理和能量等效原理导出的三种损伤刚度矩阵近似相等,因此可选用一种模型讨论孔隙特征长度与波速各向异性的关系。平面波分析和正演模拟结果均表明,三个孔隙特征长度分量与三个坐标轴一一对应:某个坐标轴方向对应的特征长度分量增大,此坐标轴方向上的体波速度降低,但传播和振动方向均垂直于此坐标轴方向的体波速度不变化。鉴于孔隙特征长度取值的这种特性,文中给出了损伤各向异性在井间地震记录波场分析方面的应用。对交错网格伪谱法正演模拟合成井间地震记录结果的分析表明,目标层的差异使井间地震记录的波场特征产生明显变化;各向异性目标层情况下井间地震记录中的某些体波的走时和振幅特性与各向同性的情况存在相似之处。因此恰当地把握这些相似和差异之处有助于目标层的各向异性类型的识别。
在围压作用下孔隙介质中的裂隙将闭合,因此通过研究损伤因子与压力的关系分析孔隙特征长度与孔隙张开度的关系。对各向同性围压.波速关系的分析表明,损伤因子与压力呈倒数关系,且此关系受体波类型(纵波或者横波)的影响较小,这说明孔隙特征长度与裂隙的张开度有关,孔隙特征长度增加表明裂隙张开度增加。在低围压情况下,离散介质的损伤力学模型对压力导致各向异性的解释与实验数据符合较好,这表明孔隙特征长度与裂隙张开度的方向性分布有对应关系。
裂隙的张开度不仅对体波速度有明显的影响,其对体波的频散和衰减等动力学性质的影响也十分显著。弱化因子体现了各向同性孔隙弹性介质中孔隙对介质弹性性质的弱化,也具有裂隙张开度的意义。对引入弱化因子的Biot的双相介质波动方程的分析表明,三种体波的频散和衰减在高频和低频范围有差异,而且不同体波类型间也存在较大差异。