基于微裂纹闭合机制建模的三向应力诱导各向异性介质中的非线性地震反演

《Geophysical Journal International》：Nonlinear seismic inversion in triaxial stress-induced anisotropic media modelled by microcrack closure mechanism

　　

摘要

地下岩体处于真三轴应力场中，该应力场可优先闭合内部微裂纹，从而诱发弹性各向异性。然而，目前对真三轴应力下的地震响应认识尚不充分。本文针对由微裂纹闭合机制建模的三轴应力诱导各向异性介质，提出了用于地震反演的解析PP波反射系数。考虑一种微裂纹由应力相关的柔度表征的微力学模型，首先将应力大小和方向纳入其中，以描述三轴应力诱导微裂纹闭合所产生的弹性各向异性。模型预测结果与现有实验室测量数据吻合良好。基于弱各向异性假设，我们随后推导了三轴应力诱导各向异性介质的有效刚度张量。引入三组与应力相关的各向异性指标，以量化三轴应力引起的微裂纹闭合效应和各向异性强度。此外，利用散射理论推导了均匀应力三轴加载各向同性介质的线性化PP波反射系数方程。数值结果验证了所提公式的可行性和准确性，并揭示了真三轴应力对PP波振幅随角度和方位角变化特征的影响。最后，由于三轴应力诱导各向异性介质中存在高度病态的振幅方位角反演问题，我们基于卷积神经网络提出了一种模型与数据驱动的反演方法。基于方位地震振幅差反演策略，逐步估计各向同性弹性参数和各向异性指标。合成数据和实际地震数据的测试表明，该非线性振幅方位角反演框架在稳定性和精度方面均优于传统方法。本研究有助于构建三轴应力诱导各向异性介质的弹性属性，并为从地震数据中确定现场应力提供了新的见解。

反演理论，地震各向异性，波传播