非线性弹性地震学研究进展与展望_柏韩.pdf

2023 年第 38 卷 第2期2023，38(2):0513-0531地球物理学进展Progress in Geophysicshttp:/wwwprogeophyscnISSN 1004-2903CN 11-2982/P柏韩，冯晅，刘乾，等 2023 非线性弹性地震学研究进展与展望 地球物理学进展，38(2):0513-0531，doi:106038/pg2023GG0273BAI Han，FENG Xuan，LIU Qian，et al2023 esearch progress and prospect of nonlinear elastic seismology Progress in Geophysics(in Chinese)，38(2):0513-0531，doi:106038/pg2023GG0273非线性弹性地震学研究进展与展望esearch progress and prospect of nonlinear elastic seismology柏韩1，冯晅1，2，3*，刘乾1，侯贺晟4，安娅菲1BAI Han1，FENG Xuan1，2，3*，LIU Qian1，HOU HeSheng4，AN YaFei1收稿日期2022-08-24;修回日期2022-11-17投稿网址http:/www progeophys cn基金项目国 家 自 然 科 学 基 金 项 目(41974129)、中 国 地 质 调 查 局 地 质 调 查 项 目(DD20190010)和 国 家 重 点 研 发 计 划 项 目(2021YFC1523400)联合资助第一作者简介柏韩，男，1999 年生，硕士研究生，主要从事非线性弹性地震学研究 E-mail:baihan21 mails jlu edu cn*通讯作者冯晅，男，1973 年生，博士，教授，主要从事勘探地震学原理研究 E-mail:fengxuan jlu edu cn1 吉林大学地球探测科学与技术学院，长春1300262 自然资源部应用地球物理重点实验室，长春1300263 地球信息探测仪器教育部重点实验室，长春1300264 中国地质科学院，北京1000371 College of Geoexploration Science and Technology，Jilin University，Changchun 130026，China2 Key Laboratory of Applied Geophysics，Ministry of Natural esources，Changchun 130026，China3 Key Laboratory of Geophysical Exploration Equipment，Ministry of Education，Changchun 130026，China4 Institute of Geology，Chinese Academy of Geological Sciences，Beijing 100037，China摘要非线性弹性地震学是基于岩石非线性弹性关系的地震波传播理论，也是当前地球物理学一个前沿的研究领域 该研究不依赖于线性胡克定律，而是通过实验探究和理论推导的方式来构建非线性弹性本构关系，并以此为基础建立非线性波动方程，进一步探究岩石非线性弹性的成因以及非线性弹性参数的本质机制 与传统理论相比，非线性弹性地震学所依赖的本构关系具有更高的精确性，更符合岩石实际的应力-应变响应，在微小结构探测方面也具有更高的精度 近年来，随着该研究的不断深入，静态、准静态、动态共振、以及共传播超声波实验方法都得到了迅速发展，本构关系和波动方程的推导也取得了进展，同时此方法在野外地震观测和地球大范围尺度非线性弹性的研究中也开始了应用尝试 总之，在过去几十年非线性弹性地震学得到了快速的发展，取得了丰富的成果，然而各研究方向成果分散，缺乏系统性认识 因此为了便于将来更好的开展研究，我们系统总结了实验观测方法、非线性本构关系建立、波动方程推导、实际地震资料应用等AbstractNonlinear elastic seismology is a theory ofseismic wave propagation based on the nonlinear elasticrelationship of rocks It is also a frontier research field ofgeophysics This study does not rely on linear Hookeslaw，but constructs nonlinear elastic constitutive relationsthroughexperimentalexplorationandtheoreticalderivation，and establishes nonlinear wave equations onthis basis to further explore the cause of rock nonlinearelasticity and the essential mechanism of nonlinear elasticparameters Compared with the traditional linear elastictheory，the nonlinear elastic constitutive relationship reliedon by nonlinear elastic seismology has higher accuracy andis more in line with the actual stress-strain response ofrock It also shows advantages in the detection accuracy ofmicro structures that the traditional theory does not haveIn recent years，with the deepening of this research，static，quasi-static，dynamic resonance and co-propagatingultrasonic experimental methods have developed rapidly，and the derivation of constitutive relations and waveequations has also made progress At the same time，thismethod has also begun to be applied in field seismicobservation and the study of large-scale nonlinear elasticityof the earthIn short，in the past，nonlinear elasticseismology hasdevelopedrapidlyandachievedrichresults However，the results of various research directionsare scatteredandlackofsystematicunderstandingTherefore，in order to facilitate better research in thefuture，we systematically summarized the research progress地球物理学进展www progeophys cn2023，38(2)方面的研究进展，并结合当前的研究现状预期了未来可行的发展方向关键词非线性弹性;本构关系;波动方程;实验方法分类;野外观测中图分类号P315文献标识码Adoi:10 6038/pg2023GG0273in experimental observation methods，establishment ofnonlinearconstitutiverelations，derivationofwaveequations，applicationofactualseismicdata，andpredicted the feasible development direction in the futurein combination with the current research status It can beexpected that with the further research，nonlinear elasticseismology willplayanimportantroleinpracticalapplication as well as the traditional theoryKeywordsNonlinear elasticity;Constitutiverelation;Wave equation;Classification of experimental methods;Field observation0引言地震学是研究地球内部介质物理性质、地下结构、地球深部结构的重要技术手段(张明辉等，2020;张文文等，2022)，地震勘探是通过观测研究地震波响应，推断地下介质空间形态或者物理特性的勘探方法(李鹏等，2021)在地震学研究中，岩石的弹性用胡克定律表述，其具有三个特点:(1)是唯一的、与应力和应变相关的单值函数，没有滞后、记忆等;(2)应力和应变之间为瞬时响应;(3)应力和应变之间为线性关系(Zener，1948)实际应用中我们假设地层为完全弹性，但实际上岩石是非均匀的、非线性弹性的(Zener，1948;Liu et al，1976;Kanamoriand Anderson，1977;GuyerandJohnson，1999，2009)以往的实验观测表明，由于岩石中存在节理、裂缝、流体等(Gist，1994)，导致应力和应变(或模量和应力)之间存在很强的非线性依赖关系(Holcomb，1981)因此为了更好的接近地下介质实际情况，研究者开始了非线性弹性地震学的研究 非线性弹性地震学是基于岩石非线性弹性关系的地震波传播理论 与传统方法相比，其从根本上开始创新，所依据的非线性弹性本构关系比线性形式具有更高的精确性，因此更能反映岩石的实际应力-应变响应，推导的非线性波动方程做正演模拟能够更加接近地下介质实际情况，也能为地震反演提供全新的理论支持 此外，非线性弹性地震学在微小结构探测精度方面也展现出传统的线性弹性地震理论所不具备的优势对于非线性弹性的研究最早可追溯到非线性声学领域 早在 20 世纪 50 年代，诸多学者就对非线性声波传播展开了研究，分别对气体、液体、和未破裂固体中因非线性产生的谐波增长进行了实验和观察(Zarembo and KrasilNikov，1959;Pestorius，1975;Nazarov and Sutin，1997;陈小佳等，2007)进一步研究发现，地球材料中存在着明显的非线性波特征，在地震波传播过程中，非线性弹性引起的波畸变效应很大，显著影响地震信号与震源的关系(Meegan etal，1993)此外，各国学者通过实验室方法对于岩石非线性弹性的表现、成因也做了大量研究，探讨了岩石非线性弹性的机制(Hilbert et al，1994;Johnsonet al，1996;Winkler and McGowan，2004;Vakhnenkoet al，2007;enaud et al，2012;Feng et al，2018)寻求建立非线性本构关系一直是非线性弹性地震学研究的重点内容，研究者试图从线性胡克定律出发，通过幂级数展开的方式将