地球物理学

考虑关断时间的回线源激发TEM三维时域有限差分正演

孙怀凤，李貅，李术才，等

摘要：目的：瞬变电磁三维正演对研究复杂地电模型的响应规律、野外勘探设计以及数据反演都非常重要。目前使用时域有限差分进行的正演研究基本采用均匀半空间模型的电磁场分布作为初始场加入Maxwell迭代方程中，然后开始在关断后的某一特定时刻开始计算二次电磁场。然而，这样的做法无法考虑模型浅层的电性不均匀特性、地形影响以及关断时间的影响。通过对Maxwell方程加入积分源电流项，实现了考虑关断时间的瞬变电磁三维时域有限差分正演。方法：从麦克斯韦旋度方程出发可以直接导出瞬变电磁场扩散方程，然而扩散方程不含电场对时间的一阶导数，不能构成矩形显式的时域有限差分方程，借鉴du Fort-Frankel有限差分离散方法引入虚拟位移电流项构建显式时域有限差分方程。对Wang和Hohmann的经典时域算法进行了两点改进：第一，通过将回线源电流密度加入麦克斯韦方程组的安培环路定理方程，实现回线源瞬变电磁激发源加入；第二，在计算中考虑关断时间。第一点改进使时域有限差分方程考虑了一次场的计算，并且源的计算不再依赖均匀半空间模型响应作为初始条件，使算法能够适应表层电阻率不均匀时的三维复杂模型。由于实际观测中不可能出现阶跃电流的关断形式，第二点改进可以方便设置发射电流下降沿，从而实现考虑关断时间的瞬变电磁三维正演。结果：首先采用改进的三维时域有限差分正演算法对均匀半空间模型、四类三层模型、均匀半空间中含有低阻块体模型进行了计算并分别与解析解、线性数字滤波解、积分方程解和Wang的三维时域有限差分解进行了对比验证，结果表明在晚期时间与其他方法计算结果吻合很好，早期存在一定的差异是因为改进的方法考虑了关断时间造成的。其次，以H模型为例研究关断时间的影响，采用建立的三维时域有限差分正演算法计算了不同关断时间的斜阶跃脉冲回线源瞬变电磁中心点感应电动势衰减曲线，结果表明关断时间越短，计算结果越接近阶跃响应结果，当关断时间较长时，模拟的响应曲线与阶跃响应结果差异较大。最后，以实际地质资料为基础，构建包含两层采空区的三维复杂模型，以1 μs的极短关断时间进行了复杂模型定回线源瞬变电磁响应计算，并计算了该复杂模型的视电阻率曲线，视电阻率断面能够发现设计的两层低阻采空区。结论：关断时间对瞬变电磁早期响应曲线的幅值影响明显，通过考虑关断时间的瞬变电磁三维正演方法能够对不同的关断时间进行模型，获得不同情况下的瞬变电磁响应规律，该方法还同时解决了浅层电性不均匀和考虑地形情况下的瞬变电磁三维正演激发源问题。对于大深度的瞬变电磁勘探，关断时间的影响不大，但对于浅层的瞬变电磁勘探，必须考虑其关断时间。

来源出版物：地球物理学报, 2013, 56(3): 1049-1064

入选年份：2016

页岩气地震勘探中页岩各向异性的地震模拟研究

孙伟家，符力耘，管西竹，等

摘要：目的：页岩气是一种重要的非常规天然气，其勘探开发已在北美洲（尤其是美国）获得了成功。富集页岩气的页岩呈现很强的各向异性特征。页岩的强各向异性特征挑战波传播数值模拟方法的精度极限，特别是对易引起频散的高频波（＞100 Hz）传播的数值模拟。本文发展了一种声波各向异性的地震波传播模拟方法，探索地震波在页岩介质中传播特征，为页岩气地震勘探提供基础的理论支撑。方法：有限差分法由于数值实施简单灵活而得到快速发展和广泛应用，特别是基于波动方程的交错网格有限差分数值实施被广泛用于研究裂缝介质的各向异性特征。鉴于目前我国页岩气地震勘探主要以常规地震声波资料为主，发展了一种VTI介质声波方程的任意偶数阶有限差分数值模拟方法，给出了任意偶数阶有限差分的常系数，并讨论其稳定性条件和吸收边界条件。为实现声波VTI地震传播模拟，设定两个各向异性参数相等，有效消除了剪切波现剪切波的数值噪音。结果：利用发展的VTI介质声波方程页岩地震波传播模拟方法，建立多个符合地质概念的地震速度模型，研究了地震波在页岩VTI介质中的传播特征。由于页岩表现出强的各向异性，与各向同性介质的地震波振幅和相位特征比较，在水平地震剖面和垂直地震剖上均可以清晰的发现页岩各向异性对地震波的相位和振幅的影响十分明显。由于页岩埋深较浅，且与砂岩交互形式存在。进一步建立了一个多层页岩—砂岩交互模型，将煤层高频地震勘探引入页岩气地震勘探中，研究了主频高达100 Hz的地震波在页岩和砂岩交互层中的传播特征，以贴合实际地质情况。较常规页岩地震勘探，由于提高了地震主频，来自各个砂岩—页岩薄层界面的反射以及界面之间的多次反射可以清晰的观察到。较为明显的现象是，由于薄层的存在，地震波“陷入”在薄层内形成“导波”。结论：发展了任意偶数2M阶有限差分求解VTI介质声波方程的离散格式，其计算稳定，几乎无频散现象发生。讨论了稳定性条件和吸收边界条件，其数值实施简单有效。针对多层页岩模型，比较了声波方程和VTI介质声波方程的地面地震记录和垂直地震剖面。结果发现，由于页岩表现出较强的各向异性，而导致地震波的走时和振幅较声波方程计算的有明显差异。这说明在处理有关页岩气的地震资料时，必须充分考虑各向异性的影响，否则将得不到准确的偏移结果。由于含气页岩层顶底界面的准确位置对于后期的水平井压裂和开发十分重要，且页岩气通常埋深较浅，提高勘探主频可以明显提高地震资料的分辨率，有助于提高岩性反演和储层反演的精度。因此，提高地震勘探主频对于页岩气勘探是十分必要的。

来源出版物：地球物理学报, 2013, 56(3): 961-970

入选年份：2016

行星会合指数变化与太阳绕太阳系质心运转的周期

刘复刚，王建

摘要：目的：太阳系行星系统会合程度的标定，两个行星可以计算出准确的会合周期（二者日心经度相同）和相分离的最大程度（二者日心经度相差180°）。 3颗以上行星的会合与分离程度的标定一直没有很好解决。本文试图通过公开的行星系统相关物理参数力争解决这个难题。以往学者们认为太阳质心绕太阳系质心周期性运动与太阳活动具有一定的同步性，其实，太阳轨道运动的准20年周期与太阳黑子的准22年磁周期并不同步，二者相差2年多的相位差问题始终没有解决。本文试图求算太阳轨道运动真实的准方向周期，以探索二者真正的相位对应关系。方法：因为各行星轨道运动平面与垂直于太阳系各天体角动量的矢量和的平面（视为“不动平面”）的倾角都非常小，尤其是木星、土星、天王星和海王星的倾角几乎不超过1°，在太阳质心坐标系下，将太阳和8大行星的轨道运动视为在同一平面内运行，并在有效规避多体问题的复杂性前提下创建了行星会合指数K方程。根据理论力学质点组定义，会合指数K就是8颗行星质量权重半径的矢量和的模。太阳和行星系质心是同步绕太阳系质心运动，所以通过K指数不但可以标定行星系统会合与分离程度，而且还可以指代太阳绕太阳质心的运动规律，但必须首先知道行星系质心绕太阳系质心的运动规律。太阳系质心是不可见的，而且行星系统的物理参数又是在太阳系坐标系下获得的，所以关键的问题是如何将太阳坐标系的规律有效地转换到太阳系质心坐标系下。从两个方面解决这个问题：（1）以每颗行星质量为权重求出行星系质心的会合平均方向周期（23.7799年），并认为这种状态下行星系统也是沿直线排列在太阳一侧；（2）通过行星会合指数K图像获得的行星系统会合指数极大值周期为19.8585年，虽然行星会合指数K没有达到理论最大值（Kmax＝7.51（AU）），但它的指代意义和（1）情形一样，只不过程度较弱而已，为此选用二者的平均值作为行星系统会合质心的平均方向周期（（23.7799＋19.8585）/2＝21.8192年）。这样就可以通过调整太阳坐标系下的K指数的极大值周期19.8585年为21.8192年。具体的方法和技术指标就是通过改正系数（21.8192/19.8585＝1.0987），将太阳质心坐标系时间单位放大1.0987倍即可。结果：行星会合指数K解决了标定行星系统会合与分离程度的量化标准。其中K≥0，当Kmax＝7.51（AU）时八大行星在太阳一侧排成直列，实际上是不可能的；当K＝0时，是可能存在的，它指代行星系统相分离的极大程度，即木星在一侧，其他行星在太阳的另一侧且近似呈直列状态；特殊情形，即K＝3.471（AU），它指代太阳系质心处于太阳本体的边缘，有两种情况，其一是相对太阳本体，太阳系质心是旋进时期；其二是太阳系质心处于旋出时期。由K＝3.471（AU）特征值发现，太阳系质心处在太阳本体的时间要小于处在太阳本体外面的时间。行星系质心绕太阳质心绕转的K指数图像具有不同时间尺度的周期，由小到大依此是19.86年、179～180年和2300～2400年周期。这些周期具有嵌套关系，大周期是由小尺度周期K值振幅的差异性构成。因为行星系质心和太阳系质心是同步绕太阳系质心运动的，因此可以通过改正系数（1.0987）使时间坐标轴的单位时间长度是原来的1.0987倍，这样获得的K指数图像相位就相当是在太阳系质心坐标系下获得的逼近真实的太阳轨道运动的角相位。采用调整后的K指数图像与1600 AD至2000 AD年太阳黑子数时间分布序列图比较发现，K指数极值与太阳黑子数周期一一对应，其中太阳黑子活动偶数周期与K极小值对应，太阳黑子活动奇数周与K极大值对应。结论：在纷繁复杂的行星系统中通过行星会合指数K发现了行星系统的有序性，即标定了行星系质心的运动规律。基于整个太阳系的动态平衡澄清了一种认识，既然行星系质心是绕太阳系质心运动的，那么理论上所有行星是绕太阳系质心运动的，而不是绕太阳运动的。K指数不但标定了太阳轨道运动周期，也揭示了太阳系质心处在太阳本体和外部的时间不等，这可能是造成太阳对整个星际空间的影响具有20～22年不等的周期性的一种原因。相邻的太阳黑子活动周，其磁场极性是相反的。从偶数周到奇数周这种磁极性反向对应关系正与K指数指代的太阳系质心处在太阳内部与外部的时期一致对应，这之间是由怎样的机制引发的值得进一步探究。太阳轨道运动的上述三种不同时间尺度周期与气候变化周期一致，这可能是全球气候变化响应太阳轨道运动调控太阳活动的结果。

来源出版物：地球物理学报, 2013, 56(5): 1457-1466

入选年份：2016

2013年四川芦山Ms7.0地震前的重力变化

祝意青，闻学泽，孙和平，等

摘要：目的：2013年芦山地震前，中国地震局系统在四川开展过多期流动重力观测，并基于流动重力观测的分析作出了中期预测，地震发生在预测危险区内。系统分析川西地区重力观测资料，进而对2013年四川芦山MS7.0地震前重力场的时空动态演化特征与规律、地震孕育发生过程中的前兆表现有一个较为客观的认识，这无论是从地震预报角度来看，还是从地球动力学的角度来看，都是有实际意义的。方法：利用川西地区2010—2012年期间不同时空尺度的流动重力观测资料，系统分析区域重力场变化及其与2013年4月20日四川芦山Ms7.0地震发生的关系，结合地质构造动力环境和区域强震活动事件，进一步研究区域重力场变化的时空分布特征及其机理。结果：研究区域重力场变化及其与2013年4月20日四川芦山7.0级地震发生的关系，获得的主要认识有：（1）区域重力场异常变化与北东向龙门山断裂带南段和北北西向马尔康断裂带在空间上关系密切，反映沿该两断裂带（段）在2010—2012年期间发生了引起地表重力变化效应的构造活动或变形。（2）芦山7.0级地震前，测区内出现了较大空间范围的区域性重力异常，而震源区附近产生了局部重力异常，沿龙门山断裂带南段形成了重力变化高梯度带，其中，宝兴、天全、康定、泸定、石棉一带重力差异变化达100×10－8ms－2以上；这些可能反映芦山地震前，区域及震源区附近均产生与该地震孕育、发生有关的构造运动或应力增强作用。（3）重力场差分动态演化图像和重力场累积变化动态图像均反映芦山7.0级地震孕育过程的最后2～3年出现较显著的流动重力异常变化，可视为该地震的中期前兆信息。（4）芦山震中位于正、负重力异常区伴生的与龙门山断裂带走向基本一致的重力变化高梯度带上、重力变化等值线拐弯的地区，较好地反映了强震中期危险地点与区域重力场的局部异常、高梯度带及其拐弯、交汇部位有关。结论：川西重力网的流动重力观测资料显示2013年芦山7.0级地震前出现较好的中期前兆性变化图像，即区域重力场变化既呈现大尺度空间范围的有序性又有相对小尺度的局部集中性，芦山地震发生在雅安重力变化正异常区（反映能量的积累）及沿龙门山断裂南段出现的重力变化高梯度带（反映有利于地震破裂的部位）上。流动重力资料对2013年芦山7.0级强烈地震震中地点的判定，进一步实区域重力场观测对未来强震震中位置的判定具有独到的优势。强震易发生在重力变化正、负异常区过渡的高梯度带上。芦山7.0级地震发生在龙门山断裂带南段重力变化高梯度带发生拐弯的部位。

来源出版物：地球物理学报, 2013, 56(6): 1887-1894

入选年份：2016

地面电磁探测系统（SEP）研究

底青云，方广有，张一鸣

摘要：目的：我国大型电磁法探测装备几乎全部依赖于进口，相关设备的研发和生产处于国外少数公司掌控之中。同时这些进口设备存在着发射功率不够大，接收设备笨重及野外操作不便等问题。为了满足市场对国产深部电性结构和资源探测装备的需求，打破高端电磁探测装备的国际垄断，发展更有效的地球深部电性结构和资源探测方法，提高电性结构探测分辨率，在国家公益性行业专项支持下，研发了地面电磁探测SEP（surface electromagnetic prospecting）系统。对SEP总体设计、发射系统、磁传感器、数据采集、3D软件及系统集成与野外测试等方面对SEP系统的研究进行了介绍。方法：在充分调研与分析国内外主流发射机的基础上，确定了双交直电能变换的发射主回路拓扑结构。基于仿真模型完成了发射机硬件平台的搭建和3层结构组装，研发了高性能的50 kW发射机，其发射电流可达50 A；重点攻关了仪器的核心部件——感应式磁场传感器，攻克了微弱信号放大电路和磁芯材料及线圈绕制等关键问题，研制出了高灵敏度低噪声的CSAMT及MT磁场传感器；采集站包括人机接口板、电源板、数据存储板、时钟板、采集板、采集信号前置处理板、Wi-Fi无线通信板及通信背板，分布式的工作模式可方便利用手持终端对各采集站进行配置、监督及管理；利用3D积分方程法开展了正反演软件的研制，针对典型油气及矿体模型进行了数值模拟计算。结果：首先进行了SEP系统中各个分系统的研发，并在实验室内了完成分系统指标参数测试，检测各设备单元达到设计要求。在此基础上，开展了各分系统的野外测试，并与相应国际高端仪器部件进行对比。其中发射机与国际主流发射设备进行了相同条件的发射对比，结果表明主要性能指标与国际产品相当；感应式磁传感器的研制获得了很大的突破，多项室内外的对比测试结果表明，自主研制的MT和CSAMT磁传感器已经在噪声压制、频率范围、测量精度、数据质量方面与国际同类产品性能相当；采集站经过了实验室和野外测试的检验，表明采集系统已基本达到设计指标，与国际高端产品的野外采集结果对比表明采集站性能和国际高端产品结果相当；典型模型的数值模拟结果表明自行研发软件得到的模拟结果可靠。在完成了发射系统，磁场传感器、分布式采集站及正反演软件等分系统的实验室及野外测试之后，开展了SEP系统整体集成及野外测试工作，对各分系统进行了有机集成，并将整套SEP系统与整套国际商业仪器在野外进行了对比。在辽宁兴城地区利用整套SEP系统完成了4条剖面的测量工作，SEP系统的最终反演断面结果与国际高端系统的反演结果一致。结论：（1）SEP系统的发射设备的性能已和国际高端系统的发射设备性能相当；（2）感应式磁传感器的性能已和国际高端系统感应式磁传感器性能相当；（3）SEP单采集站的性能已和国际高端系统采集站系统的性能相当；（4）研制的3D积分方程正演模拟系统能够模拟含油气、含矿等复杂结构的CSAMT电磁响应；（5）通过实验室和野外测试考核，自主研制的SEP系统已达到设计的预期目标。

来源出版物：地球物理学报, 2013, 56(11): 3629-3639

入选年份：2016

高煤级煤储层渗透性与应力耦合模型及控制机理

孟召平，侯泉林

摘要：目的：煤储层孔渗性的分布直接影响煤层气开采效果，是煤层气开采评价的重要参数，对于我国高煤级区多数煤层在成煤后经历了多个期次、多个方向的应力场改造，与常规油气储层相比，煤储层具有明显的弹塑性变形特征和应力敏感性，是影响煤层气井产能的重要地质因素。方法：以鄂尔多斯盆地东南缘高煤级煤储层为对象，采用增加煤样的净围压模拟应力的变化，并测量渗透率随净围压变化的情况，来分析煤储层渗透性与应力之间的关系。通过煤样的应力敏感性实验和现场测试，建立了高煤级煤储层渗透性与应力之间的相关关系和模型；探讨了渗透性变化的控制机理。结果：煤储层渗透率随应力的增加按负指数函数规律降低。在应力小于5 MPa时，煤储层渗透率随应力增加快速下降，应力敏感性最强；应力在5～10 MPa时，渗透率随应力增加而较快下降，应力敏感性较强；而当应力大于10 MPa后，渗透率随应力的增加下降速度减缓，应力敏感性减弱。与沁水盆地南部高煤级煤样实验结果对比认为，鄂尔多斯盆地东南缘山西组2煤层应力敏感性要小于沁水盆地南部山西组3煤层的应力敏感性。煤储层渗透性是在应力作用下煤储层中裂隙产生压缩（压密）变形，裂隙开度急剧减小的结果。因此在煤层气开发过程中控制排采速度，尤其是排采早期降液速度，对于防止煤储层应力敏感性，提高采收率具有实际意义。结论：（1）随着应力的增加煤样渗透率逐渐减少，当应力降低以后，煤储层渗透率有所恢复，但是全都不能恢复到原始水平，表现出明显的应力敏感性；且煤储层渗透率随着应力的增加按负指数函数规律降低。（2）与沁水盆地南部山西组3煤层实验结果对比认为，沁水盆地南部山西组3煤层应力敏感性要大于鄂尔多斯盆地东南缘山西组2煤层应力敏感性。（3）煤储层渗透性除与应力密切相关外，还受煤中裂隙反映程度和煤岩显微组分含量的影响。含裂隙煤样初始渗透率较高，在应力作用下渗透率急剧降低，且渗透率恢复程度差；在相同应力条件下，随着镜质组含量的增加煤储层渗透性按指数函数规律增高。（4）当裂隙面法向力为压应力时，随着应力的增加裂隙产生法向压缩（压密）变形，开始先为点或线接触，经过挤压，局部破碎或劈裂，接触面增加，裂隙面压缩量呈指数曲线特征，煤储层渗透率急剧下降。在煤层气开发过程中，随着水、气介质的排出，煤储层压力逐渐下降，导致煤储层有效地应力（地应力—煤储层压力）增加，煤储层微孔隙和裂隙被压缩和闭合，煤体发生显著的弹塑性形变，从而使煤储层渗透率明显下降。（5）煤储层应力敏感性极大地影响煤层气井产能，对生产过程中地应力和储层压力变化过程的研究，将有助于煤层气的合理开采，减少煤储层伤害，提高最终采收率。

来源出版物：地球物理学报, 2013, 56(2): 667-675

入选年份：2016