广义上讲，当介质的特性在同一点处随方向发生变化时，则认为介质是各向异性介质。利用地震资料研究裂隙裂缝发育的方向和密度意义重大。对于油气勘探而言，碳酸盐岩是一个有利的高产油气层，世界上约有60%的油气来自碳酸盐岩储层，而碳酸盐岩储层与裂隙裂缝的关系极为密切。对于煤矿开采而言，研究裂隙裂缝的作用更为重要，主要表现在煤层底板突水和瓦斯突出两个方面。华北大部分矿区的煤系地层基底为奥陶系灰岩，区内张裂性、张剪性断裂及陷落柱非常发育，奥灰水往往借助于小断层或岩溶陷落柱等导水通道突破煤层底板涌入工作面，造成矿井涌水量的增加甚至淹井的煤矿灾害，简称“水害”。瓦斯突出是指煤矿生产过程中，从煤层、岩层及采空区放出的各种有害气体在工作面上富集并涌出，从而引起瓦斯爆炸的煤矿灾害，简称“火灾”。无论是“水害”还是“火灾”，其罪魁祸首都是岩层中的裂隙裂缝。由于裂隙裂缝是水及瓦斯富集、存储、运移的场所，因此查明采区内断层、裂隙裂缝的分布有利于预防煤层底板突水和瓦斯突出，直接涉及煤矿的安全生产。
大量的研究工作和观测数据表明，含裂隙裂缝介质的性质可以用各向异性介质理论进行解释，而传统的地震理论仅研究各向同性介质。本章讨论各向异性介质中弹性波传播理论的意义也在于此。
1.地震各向异性
在地震勘探中，各向异性是指在地震波长的尺度下介质弹性特征随方向发生变化。图3—38给出各向同性介质与各向异性介质的地震波速度变化。
一般来说，引起地震各向异性的主要因素为：
（1）结构各向异性；
（2）地层中方向应力导致的各向异性；
（3）岩性各向异性；
（5）岩石定向裂隙裂缝导致的各向异性。
图3—38 各向同性介质与各向异性介质的地震波速度变化
2.各向异性介质的类型
各向异性介质按其弹性性质变化的程度可进行以下分类。
1）极端各向异性介质
如果介质中任一点处沿任意方向的弹性性质都是不同的，则这种介质称为极端各向异性介质，具有21个独立弹性参数。
2）正交各向异性介质
如果介质中存在一个平面，在平面对称的方向上弹性性质是相同的，则该平面称为弹性对称面，垂直弹性对称面的方向称为弹性主方向。
如果介质中有三个相互正交的弹性对称面，且它们的弹性主方向上的弹性性质互不相同，则这种介质称为正交各向异性介质，具有9个独立弹性参数。
3）横向各向同性介质
如果介质中存在一个弹性对称面，在平面内沿所有方向的弹性性质都是相同的，而垂直平面各点的轴向都是平行的，则称该平面为各向同性面，垂直各向同性面的轴为对称轴。
具有各向同性面的介质称为横向各向同性介质，简称TI（Transverse Isotropy）介质。
当TI介质的对称轴垂直时，称其为VTI（Transverse Isotropy with a Vertical axis of symmetry）介质，即具有垂直对称轴的横向各向同性介质。它近似地表示水平层状介质周期性沉积的薄互层各向异性介质，因此VTI介质也称为PTL（Periodic Thin-Layer）各向异性介质。图3—39为PTL介质示意图。
图3—39 PTL（VTI）介质示意图
当TI介质的对称轴水平时，称其为HTI（Transverse Isotropy with a Horizontal axis of symmetry）介质，即具有水平对称轴的横向各向同性介质。HTI介质近似地表示空间排列垂直裂隙而引起的各向异性，也称为扩容各向异性介质，简记EDA（Extensive Dilatancy Anisotropy）介质。EDA介质是典型的方位各向异性介质，图3—40为EDA介质示意图。
图3—40 EDA（HTI）介质示意图
根据各向异性介质的对称特性，Crampin于1981年将各向异性介质分为8类，其矩阵形式如下。
（1）三斜对称各向异性介质
（2）单斜对称各向异性介质
（3）正交对称各向异性介质
（4）四方对称各向异性介质
（5）三角对称各向异性介质(www.xing528.com)
（6）六方对称各向异性介质
（7）立方对称各向异性介质
（8）各向同性介质
3.各向异性介质中的弹性理论
弹性波在各向异性介质中与在各向同性介质中遵循不同的传播规律，满足不同的波动方程，具有不同的波型、极化、相速度、群速度等波动特征。对于各向异性介质，通常利用广义胡克定律来描述应力与应变之间的关系，即介质的本构方程：
式中，σij为应力张量；cijkl为弹性劲度常数，简称弹性系数，也称刚度张量或刚度矩阵；εkl为应变张量。因为式（3—63）中包含9个方程（下标ij所有可能的组合），每个方程中有9个应变变量，故有81个弹性系数。当应力满足对称（σij＝σji）时，可以增加条件：
这样81个弹性系数减少到36个，广义胡克定律有如下形式：
式中，cij（i，j＝1，2，3，4，5，6）为弹性系数。
由于弹性系数是应变的单值函数，即cij＝cji。因此，描述一个复杂的弹性介质需要21个弹性系数。
4.全方位基本概念
全方位采集是在墨西哥湾对基性岩进行勘探的基本工具。在那里，它多次呈现出高保真度的地震成像，这是传统的海洋三维窄方位地震图像（NAZ）技术无可比拟的。在墨西哥海湾，迄今为止，大部分利用全方位采集技术的勘探已使用多个震源船和多次记录船来采集直线航行线路集的数据。Moldoveanu 于2008年引入了环形激发技术，它可以在航线是曲线甚至是圆的情况下采集全方位（FAZ）三维地震数据（如图3—41所示）。该技术只使用一只采集船就可以工作，这就使得在某些不能同时调用数只地震船的地区，使用FAZ数据采集技术在方法上有效而且在经济上可行。此外，和直线航行比较，地震船环形激发可以获得更好的方位采样。
图3—41 环形激发采集的原理
自2006年以来的试验和2008年的首次商业运用表明，环形激发技术是一种高效可行的方法。它可以在测区通过炮点变化采集360°全方位的数据（图3—42，Ross，2008）。从墨西哥和世界其他地区的项目结果表明，全方位采集技术可以对某些复杂地质环境进行成像，比NAZ更具有优势。它潜在的好处包括它可以更好地进行噪声压制，多重衰减，研究水平层的连续性和断层成像。除了已证明对盐岩周围及其下面成像有用外，该技术有望改善玄武岩下沉积物和碳酸盐层的成像。这将是一个挑战，尤其在深水中或潜在的油气盆地中（如图3—43所示）。多方位的数据分析也可用于描述各向异性，以提供断裂位置、超压层和储层的应力方向。
图3—42 方位上偏移距对采集的相对贡献（从紫到红代表道数增多）
图3—43 全方位地震采集对各地的盐岩玄武岩和碳酸盐探测
采用全方位地震采集数据的最重要的好处是可以提高如盐岩及其四周沉积物等复杂地质的信息强度。尤其是在某个方向明显占优势的情况下，地震射线路径可能会漏掉一部分地表附近的记录。在这种情况下，全方位地震数据采集比NAZ勘探更具优势。如果没有足够的强度，复杂地质体产生的声学扭曲在成像过程中就得不到校正。因此，即使有足够保真度的地表附近成像也不能准确确定与勘探有重要关系的构造要素，以致油藏描述出错。为了达到最大强度，数据集密度要大，覆盖次数要多，要通过炮点变化获得尽可能宽的角度范围。这样就可以在超覆层和目标构造之间进行有效的成像。该数据集也应该在频谱的高、低两端有尽可能宽的带宽，以得到高分辨率、深穿透的和更准确的地震反演。
采用全方位采集，运用先进的处理流程，可以在成像质量和了解各向异性方面获得进一步的突破。除此之外，采用全方位测量与其他地震的和非地震的测量手段相结合，可以建立更多约束条件的模型，然后用双因子波动方程方法进行更精确地偏移。全方位技术具有以下几种优势。
1）真方位角的获取
多次反射波产生于具有高的声阻抗差的界面之间，如海面和海底，或海面和盐岩顶界。它的抑制非常难，主要是因为它们往往具有复杂的三维射线路径。采用模拟多次反射，然后采用三维相关表面多次波压制技术（3D—SRME）和波形预测技术可以减弱多次反射（如图3—44所示）。环状发射技术所具有的高密度和FAZ覆盖技术为真正的3D—SRME技术的应用提供了理想的数据类型。
图3—44 （a）处理前的多次波和（b）处理后的原始反射波能量图
简单地讲，3D—SRME衰减算法建立了一个自由表面的模型。它包含了大量的携带一次反射波信息的道来准确反映自由表面。一个三维相关表面多次波，理论上可以来自震源和检波器中点附近任何有裂隙的地方。在实践中，裂隙内的每个三维网格节点被认为是一个可能的下行波反射点（DRP）。要使三维相关表面多次波衰减技术最有效，震源和检波器最好放在所有可能的下行波反射点上，以精确地建立多次波模型。
2）精确成像
利用FAZ方法采集的数据，结合其他地震和非地震测量手段，可以构建出更高限制条件的和更准确的并且适合准确成像算法的模型。Western Geco于2009年使用该方法建立模型来研究基性岩地区的各向异性参数 ε 和 δ。这两个参数结合井的信息可以获得由叠加速度校正为垂直速度的不同校正量。VTI或TTI泥—盐岩模型能够满足需要，也是因为使用潜水波和反射地震层析成像技术，采用全方位采集的结果。通过改变垂向纵波速度p或同时改变垂向纵波速度 p、ε 、δ 和井参数的组合，可进行多次地震层析成像。井雾和垂直地震技术（VSP）旅行时间测量可用作基本参数，扫描可以调整 ε 和 δ。
3）更好的速度模型
在复杂地质区，现有的建立速度模型的方法在提供精确成像模型上存在缺陷。用更多的测井的、VSP的、重力和大地电磁测量的地质力学模型以及盆地模拟研究，对建立的模型方法进一步进行数据限制，可提高基性岩成像模型的准确性和达到其他复合目的。如果数据不能限制模型的话，整体迁移可能是有用的。此外，多方位网格成像可以确定地震各向异性模型中的不确定性，从而避免进入构造成像的误区。
4）新的机遇
从早期反射地震成像技术开始，新的采集技术就往往先于相应的处理方法发挥出其巨大的潜力。事实上，多年来，由于无法进行充分的数据处理，一些采集技术不得不被弃用。如今，全方位采集既给我们发出了挑战，同时也提供了机遇。好消息是，现有的处理技术已经可以显著地改善成像质量。更令人兴奋的是，合适的计算机性能和先进的处理方法正在迅速发展。如此一来，我们将可以从不同频率、不同方位、不同偏移距的数据信息中获得更多益处。
免责声明：以上内容源自网络，版权归原作者所有，如有侵犯您的原创版权请告知，我们将尽快删除相关内容。
