地震正演模拟.

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1、2007-04-05,1,地震正演模拟,孙建国 中国石化石油勘探开发研究院,2007-04-05,2,地震正演模拟,地震正演模拟-物理模拟 国内外现状 物理模拟基本概念 模拟结果 地震正演模拟-数学模拟,2007-04-05,3,地震正演模拟-物理模拟,国内外现状 物理模拟基本概念 模拟结果,2007-04-05,4,大专院校,休斯顿大学、加拿大卡尔加里大学、荷兰德尔福理工大学、 英国石油公司、 法国石油研究所、Sercel公司、挪威大陆架和 石油技术研究所及俄罗斯、 日本等国都建立了模型实验室和试验场。,勘探难度增加 推动 方法和技术进步,石油公司,建立了自己的模型实验室和试验场,研究单位,

2、国内外现状,2007-04-05,5,休斯顿大学（Allied Geophysical Lab）,水槽约1.6m2m1.2m,固体约1.6m1.2m,2007-04-05,6,荷兰Delft 大学成像与科学实验室,水槽约1.75m1.75m1.3m,水中,固体,地震物理模型,建模,2007-04-05,7,荷兰Delft 大学成像与科学实验室,超声微型换能器,激光测试系统,2007-04-05,8,澳大利亚Curtin工业大学,高温高压1.2m0.8m1m,2007-04-05,9,埃克森石油公司,模型比例 6600：1,10123英尺的地质模型,测试范围约4m4m,3.483.660.91m

3、模型,模型重量约12 吨 模型材料费约 55 万元,2007-04-05,10,国内地震物理模型实验室概况,50年代未到60年代个别单位自制或引进仪器开展声波速度测试等初步研究。 78年北京大学地球物理系重建地震物理模型实验室，至90年代初以赵鸿儒为代表，结合教学开展了一系列的基础模型实验。 研究范围：天然地震、工程勘探、煤炭石油勘探交通和国防等。 研究内容：二维模型中不均匀介质中地震波的传播、各种介质的速度和衰减测试、工程质量检测等。,2007-04-05,11,80年代是国内地震物理模型实验室以展的顶峰时期，有近十家单位建有规模不等的实验室： 1)石油物探研究所（原地矿部） 2)煤炭部地球

4、物理勘探研究院(涿州) 3)长春地质学院物理系 4)同济大学地质海洋系 5)石油大学(北京) 6)南京大学声学所 7)武汉地质学院物理系 还有成都地质学院、江汉石油学院等,2007-04-05,12,中石化石油物探研究所（原地矿部，南京）1980建立小型水箱和观测系统，1983建成大型水漕和高精度自动定位装置，2002完成自动定位装置的改进。 同济大学在1985年前后设计建立了大型水槽自动定位地震物理模型观测系统，2001实验室撒销。 长春地质学院物理系在1985年前后设计建立了大型水槽自动定位地震物理模型观测系统，近几年正在逐步完善观测系统。,2007-04-05,13,中石化石油勘探开发研

5、究院南京石油物探研究所,有效测量范围2m1.5m0.7m,定位装置,控制系统,模型,2007-04-05,14,石油大学地震物理模型实验室,地震固体物理模型实验系统,控制系统,定位装置,2007-04-05,15,物理模拟 物理模拟相似三定理 物理模拟的相似准则与相似条件 地震物理模拟 地震物理模拟的相似准则 地震物理模拟的相似原理 运动学理论几何相似原理 动力学理论动力学相似原理,物理模拟基本概念相似比原理,地震正演模拟-物理模拟,2007-04-05,16,物理模拟,物理模拟是通过物理实验过程对某一科学技术领域中某个过程或现象进行模拟的一种方法 模型实验方法，是以相似理论为根据建立模型，通

6、过模型实验得到某些量之间的关系和规律，然后再把它推广到实际对象上。,2007-04-05,17,物理模拟相似三定理,相似第一定理：凡彼此相似的现象，必定具有数值相同的相似准则 相似第二定理：当一现象由n个物理量的函数关系来表示，且这些物理量中含有k个独立的物理量，即有k种基本量纲，就能得到（n-k）个相似准则,描述这一现象的函数关系式，可表示成（n-k）个相似准则间的函数关系式 相似第三定理：凡具有同一特性的现象，当单值条件彼此相似，且由单值条件的物理量所组成的相似准则在数值上相等，则这些现象必定相似,2007-04-05,18,物理模拟相似第一定理,在相似理论中，将两个物理现象相似定义为：如

7、果在几何相似的物系中，现象进行的是具有同一物理性质的变化过程，而且两个物理现象中各对应的同名物理量之间有固定的比例常数，则称两物理量现象相似。 以两质点系的动力学相似为例，说明两物理现象相似的性质。,设有两个初始位置几何相似的质点系,各质点上有作用方向对应平行的力,在对应的时间t,t内各质点移动了距离,2007-04-05,19,物理模拟相似第一定理,如果两质点系中对应的同名物理量有固定的比例常数,则根据定义，我们说这两个质点系是相似的，其中 、 、 和 称为相似常数，由牛顿第二定律我们得出这些相似常数的相互关系,2007-04-05,20,物理模拟相似第一定理,对第一类质点系有,（i=1,2

8、, n）,对第二类质点系有,（i=1,2, n）,可得,即,由上可得到,上式表明，相似现象中相似常数不都是可以任意选取的，它们之间存在一定的关系，这是物理现象中各物理量之间有一定的函数关系的原故。,称为相似指标,，其中,2007-04-05,21,物理模拟相似第一定理,可得,记一般形式为,则有,我们把量群 称为相似判据，则相似第一定理可表述为：相似现象的相似指标等于1；或者说相似现象的相似判据相等。,可以看出，相似判据是把两相似现象中对应的物理量联系起来是相似模型设计的依据。因此寻求所研究的物理现象有几个相似判据以及每个相似判据的具体形式，是我们研究相似的主要目的之一。如果已知物理现象的物理方

9、程，可以通过分析物理方程方法求得相似判据；如果对物理现象求不出它的物理方程，则可通过量纲分析求得相似判据。,2007-04-05,22,其中 为该物理现象的k个基本物理量，故可选取k个基本单位,物理模拟相似第二定理,在相似当所研究的物理现象求不出它的物理方程时，可以利用量纲分析方法求得该物理现象的相似判据。相似第二定理，证明了描述一个具体的物理现象有几个独立的相似判据。,设物理现象的物理方程为,k个基本量纲表示为,，其余n-k个导出物理量的量纲可表示为,根据基本单位可以任意选取的性质，我们这样地变换基本单位的大小：使变换后j1的单位增大到j1倍，j2的单位增大到j2倍， jk的单位增大到jk倍

10、。则采用变换后的单位各物理量的数值为,2007-04-05,23,物理模拟相似第二定理,根据量纲公式，各量群 都是无量纲的，记为 ，则有,2007-04-05,24,物理模拟相似第二定理,按照量纲的齐次性，采用变换后的单位系统，物理方程仍可写成,为方便起见，改写为,这就证明了相似第二定理。,把由个物理量构成的物理方程无量纲化为个无量纲群的关系式，使物理方程的变数减少了，这就大大地简化了问题地理论研究工作。,2007-04-05,25,物理模拟相似第三定理,在两现象相似，它们必须是发生在几何相似物系中同一类物理现象。因此系统的几何相似和物理方程文字结构相同是两物理现象相似的一个必要条件。物理方程

11、可以转换成判据方程，相似现象的判据方程完全相同。要使两现象的判据方程完全相同，只要使它们的决定判据（单值量判据）相等即可。因此决定判据相等是两现象相似的另一个必要条件。但是两个必要条件还不足以判别现象相似，因为同一物理方程，或者说同一判据方程可以描述一系列同类的物理现象，要描述某以特定的物理现象还需要有把该物理现象与同类物理现象区别出来的单值条件。因此单值条件相似则是两现象的充分条件。,2007-04-05,26,物理模拟相似第三定理,一般固体力学问题单值条件相似包括： 1边界条件相似，包括支承（或约束）条件相似，即支承地形式，支承的相对位置相似；荷载的形式和作用相对位置相似等。 2物理参数相

12、似，即对应的同类已知物理量的比例常数相同，例如弹性体内各点的弹性常数,等等,对于动力学问题单值条件还应包括： 3时间相似 4初始条件相似，即初始几何位置，初始速度相似等。 总之相似第三定理可归纳未：发生在几何相似物系中的物理现象，服从同一物理方程、单值条件、单值量对应成常数比例、单值量判据相等，则现象相似。 相似第三定理给出使现象相似的必要和充分条件。这是设计相似模型的依据。,2007-04-05,27,物理模拟相似准则的导出,以量纲分析方法讨论动力学相似为例，描述动力相似现象的物理量的函数为,式中： 为应力、 为挠度、 为集中力、t为时间、Z为摩擦系数、 为密度、L为任一线性长度（包括长、宽

13、、高）、E为弹性模量,项的指数式为,列出量纲矩阵，写出指数的联立方程组求解，可得到动力学相似问题的相似准则，即,上式即为动力学相似问题的最基本的相似准则，由此可以导出一系列相似准则来,2007-04-05,28,物理模拟的相似条件,物理模拟的几何相似、时间相似、运动相似、动力相似和材料相似等相似准则导出如下：由相似准则中 ，代入相应的相似倍数得,上式表明，在动力相似模型实验中，模型材料、几何相似倍数、力相似倍数以及时间相似倍数四个量，只有两个量可以任意选取，另两个则随之而定。由上式，也可得到其它物理量的相似倍数：,式中： 为力相似倍数、 为密度相似倍数、 为弹性模量相似倍数、 为时间相似倍数、

14、 为几何相似倍数,频率相似倍数,速度相似倍数,加速度相似倍数,边界摩擦系数的相似倍数,2007-04-05,29,地震物理模拟,地震物理模拟是在实验室内将野外的地质构造和地质体按照一定的模拟相似比制作成物理模型，并用超声波或激光超声波等方法对野外地震勘探方法进行模拟的一种地震模拟方法,2007-04-05,30,地震物理模拟的相似准则,进行地震物理模型是以无量纲波动方程的不变性为基础，以几何参数、物理参数的相似性为准则的。一般正确模拟地震波传播的物理过程和现象应考虑下述原则： 二者物理过程服从同一自然规律，可以用相同的物理方程描述； 描述模型与原型的物理量应相似； 模型与原型的空间条件和时间条

15、件应相似。,2007-04-05,31,地震物理模拟的基本控制方程,模型和原型在均匀各向同性介质中波的传播，都遵循弹性波动方程等基本控制方程：,用带下标m的字母代表模型介质的参数，在模型介质中的波动方程为：,2007-04-05,32,地震物理模拟的相似准则,定义某一个量 原型的值与模型值 之间的相似常数 为两者比值或比例尺时，则模型介质与实际介质各参数的相似比有相应的单值：,考虑几何相似性，有 ，将上面的常数关系式代入基本控制方程，得,2007-04-05,33,地震物理模拟的相似准则,按照相似原则，原型与模型的基本控制方程中的同名物理量应当相似，即它们之间存在一定的相似比，设,ML 、Mt

16、、MV 和 分别为空间（L为几何尺度，x，y，z为空间坐标）、时间、波速和波动位移势函数的相似比，代入基本控制方程,可以导出ML,2007-04-05,34,地震物理模拟的相似准则,欲使上式与基本控制方程一等价，必须有,上式中,分别为模型和原型中波长,为波长相似比。于是有,以上两式就是地震模型实验在模拟均匀、各向同性介质中的地震波传播时所要考虑的相似准则。前者明确提出了在波动方程成立的前提下的时间、空间和介质物性三方面的要求，并表明在介质物性方面只要考虑波速相似即可；后者则指明了模型尺度相似比与波长相似之间的关系，为模型设计提供了依据。,2007-04-05,35,地震物理模拟的相似原理,从几何参数、物理参数两个方面相似性考虑，也就是波在模型和实际介质中传播的运动学特征和动力学特征都应当具备相似性 几何相似原理几何尺寸、波长、频率、传播时间成比例 动力学相似原理弹性参数、密度、吸收衰减系数等相等或相似,2007-04-05,36,地震物理模拟运动学理论几何相似原理,当波在模型介质和实际介质中传播速度