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利用Rayleigh波研究岩石应力变化及虚拟仪器实现

作　者: 辛维
导　师: 王宝善
学　校: 中国地震局地球物理研究所
专　业: 固体地球物理学
关键词: 岩石波速变化应力变化 Rayleigh波偏振虚拟仪器实验研究
分类号: P631.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 7次
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内容摘要

利用地震波来研究地下介质应力状态随时间变化一直都是地震学家一个重要研究方向,它为地震短临预报和长期趋势预测提供了一个可能途径,同时也将很大地促进和拓展地球物理学的发展和应用领域。岩石应力状态的改变会使接收到的波形发生变化,这构成了利用弹性波检测介质性质和应力变化的基础。在弹性波众多参数中,地震波速由于测量容易且精度高而被广泛应用,但是高精度地震波速测量对震源和接收设备要求很高。近来大量的数值模拟和合成材料实验结果显示,与波速相比Rayleigh波偏振可能对应力变化更为敏感。本文尝试将利用Rayleigh波进行应力变化监测的技术在实验室实现并应用于地球介质,开展了如下工作：1.基于虚拟仪器技术,我们在高速通用数采上实现了普适性的监测系统,并在两次小型野外实验中对系统进行了测试,结果表明：(1)系统稳定性较好,在一年左右的连续监测中未出现软件引起的数据缺失、损坏等现象；(2)系统可以用于不同尺度的主动震源激发和多通道接收,具有一定的普适性和开放性；(3)系统充分利用了硬件高采样率的特性有效地提高了触发精度,进而提高了波速变化测量精度。2.在实验室研究了Rayleigh波偏振对岩石应力的敏感性。在实验室内以长方体花岗岩为样本,在不同的单轴压力下重复激发超声波并用三分量的传感器接收。利用记录的全波形信息研究了不同震相的到时、Rayleigh波偏振与岩石应力状态变化的关系。实验结果表明：(1)不同震相速度对应力变化的敏感性在10-8/Pa这个数量级,且敏感性从大到小依次为：Rayleigh波>S波>P波。(2)随着应力的增大,Rayleigh波偏振变强,但其敏感性随应力(与Rayleigh波传播方向平行的应力)增大而变小,这反映出了介质性质的非线性变化特性。(3)在应力较小的情况下,Rayleigh波偏振对应力的敏感性比波速大数倍。3.我们尝试将Rayleigh偏振应力监测方法应用于云南小哨野外小尺度主动源实验的数据中。结果表明整个实验期间Rayleigh偏振的变化比波速变化更加剧烈,同时Rayleigh波偏振也呈现出一定的日变化规律。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-11
第一章引言  11-19
  1.1 研究背景及意义  11
  1.2 岩石应力变化监测的研究现状——体波的利用  11-14
  1.3 应力变化测量的关键问题  14
  1.4 新思路——利用Rayleigh波监测应力变化  14-17
  1.5 本文主要研究内容  17-19
第二章利用通用高速数采进行岩石应力变化测量  19-45
  2.1 虚拟仪器技术与LabVIEW  19-23
    2.1.1 虚拟仪器技术的组成  20-23
    2.1.2 虚拟仪器技术的优势  23
  2.2 波速变化测量原理及平台构建  23-38
    2.2.1 互相关检验原理  24-29
      2.2.1.1 相关检测简介  24-26
      2.2.1.2 互相关时延测量、误差估计  26-28
      2.2.1.3 互相关检测中时延误差下限  28-29
    2.2.2 测量原理及系统误差来源分析  29-32
      2.2.2.1 波速的测量  29-31
      2.2.2.2 系统误差来源误差分析  31-32
    2.2.3 基于虚拟仪器技术的测量平台  32-38
      2.2.3.1 系统硬件架构  32-33
      2.2.3.2 系统的软件实现  33-38
  2.3 平台的实际应用及初步结果  38-42
    2.3.1 延庆山洞观测实验  38-40
    2.3.2 井间观测实验  40-41
    2.3.3 实验初步结果  41-42
  2.4 本章小结  42-45
第三章各震相波速及Rayleigh波偏振在应力变化测量中的应用  45-59
  3.1 实验理论基础及原理  45-49
    3.1.1 固体中的波传播  45-46
    3.1.2 各相同性介质中的面波  46
    3.1.3 Helmholtz分解算法  46
    3.1.4 Rayleigh波及其偏振因子  46-49
  3.2 实验室实验  49-51
  3.3 实验数据处理与结果分析  51-55
    3.3.1 不同震相的识别  51-52
    3.3.2 波速随压力的变化  52-54
    3.3.3 Rayleigh波偏振随应力的变化  54-55
  3.4 实验分析与讨论  55-57
  3.5 本章小结  57-59
第四章 Rayleigh波偏振的实际应用  59-69
  4.1 云南实验概述  59-61
  4.2 实验数据分析  61-64
  4.3 实验结果  64-66
  4.4 讨论与小结  66-69
第五章结论、讨论和建议  69-71
  5.1 全文总结  69
  5.2 讨论及建议  69-71
参考文献  71-77
附录  77-79
作者简历  79-81
致谢  81

利用Rayleigh波研究岩石应力变化及虚拟仪器实现

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