武汉岩土所提出页岩波速各向异性参数精确评估的新方法

　　页岩具有明显的各向异性特征，包括强度、弹性模量、渗透率及波速等。其中，波速各向异性能有效反演岩石沉积演化特征，对于深部岩石物理特征分析和地球物理资料解译具有重要意义。一直以来，基于页岩为横观各向同性（TI）材料的假设上，国内外学者利用Thomsen各向异性模型来表征岩石的各向异性特征，进而为动校正（NMO）、倾角矫正（DMO）及振幅随偏移距变化（AVO）等地层建模和解释方法提供合理的参数选取依据。然而，目前的研究在反演δ参数（P波非椭圆率）时存在明显的误差，并且未考虑对称轴方向的变化。 

　　基于以上问题，中国科学院武汉岩土力学研究所提出了一种精确评估Thomsen各向异性参数的新方法，并且可同时反演对称轴方向（图1）。该方法在单一岩石标本上粘贴16个声波探头，测量若干个沿不同方向传播的P波速度，通过最小二乘方法拟合出各个参数以及对称轴方向。该方法能有效避免因有限个波速测量误差而导致δ参数的不准确性。为了研究页岩波速各向异性特征分别在各向同性及各向异性应力场条件下的演化机制，他们对两个不同层理方向（平行/垂直）的四川盆地龙马溪页岩样本进行了三轴压缩条件下的波速测量实验。 

　　实验结果显示：在无应力状态下，龙马溪页岩的各向异性参数较小（ε参数[P波各向异性]约为0.05，δ参数约为0.15），展现出弱各项异性特征。各向同性应力场对页岩的波速各向异性影响较小（图2）。然而，各向异性应力场对波速各向异性大小及方向均具有明显的修正作用（图3）。当偏应力与层理面平行时，岩石波速各项异性增强，对称轴始终垂直于层理面。但当偏应力与层理面垂直时，岩石波速各向异性发生反转，对称轴方向接近于层理面。实验结果揭示层理面对波速及其各向异性特征在各向异性应力场条件下的演化规律具有控制作用。 

　　本研究相关成果发表于《Rock Mechanics and Rock Engineering》，第一作者为武汉岩土所李霞颖博士，通讯作者为李琦研究员。 

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　　图1 （a）横向各向同性（TI）岩石材料示意图，其对称轴垂直于层理面；（b）用于计算TI材料刚度矩阵的五个弹性常数所需的沿不同方向传播的P波、SH波和SV波示意图；（c）当x3轴被假定为对称轴时，沿任意方向传播的三个波速在极坐标图中的数值表达在x1-x3平面中的示意图；（d）通过拟合方程得到的P波速度在极坐标图中的投影。 

　　图2不同层理方向页岩（a，c）沿对称轴方向传播的P波速度α以及对称轴方向ψ；（b，d）Thomsen各向异性参数ε和δ随围压的变化结果。

　　图3 不同层理方向页岩（a，c）沿对称轴方向传播的P波速度α以及对称轴方向ψ；（b，d）Thomsen各向异性参数ε和δ随偏应力的变化结果。