上地壳低频地震波频散现象的物理学机制被揭示 _地震

上地壳岩石低频地震波的频散现象及其成因一直是学术界关注的热点，最近科学家采用双重孔隙结构逼近地壳岩石，对比理论预测与实验观测，为上地壳孔隙岩石中低频地震波强频散现象提出了合理的物理学解释。
这项题为“双重孔隙介质波传播理论与地震响应实验分析”的研究成果于2010年11月发表在《中国科学: 物理学力学天文学》第11期(http://www.scichina.com:8083/sciG/CN/volumn/current.shtml)上。中国石油勘探开发研究院巴晶博士进行了该项研究。
【上地壳低频地震波频散现象的物理学机制被揭示】含流体岩石中地震波的传播速度随波频率增加有上升趋势，这种频散现象上世纪早期已被人们认知，但直到上世纪70年代，科学家才认识到低频（102 Hz）地震波在上地壳也会发生显著的速度频散。
常规声学实验仅能观测超声波速度（>105 Hz），早期能进行低频测量的设备有误差大、频段窄的缺点， 2006年美国科学家采用高灵敏应力-应变装置测量了几类岩石的低频地震波速度，结果显示部分含流体岩石波传播速度在101~106 Hz间有30%以上增幅。如此强烈的频散超出了科学家对相关问题的认知，相关结果受到置疑。岩石中是否真的存在如此强烈的频散？1979年前人讨论过高频带地震波频散问题，那么低频带地震波频散又从何而来？造成这种频散的物理机制是什么？
干燥岩石观测到的频散很弱，因此普遍认为频散由岩石内部的流体引起。波激励下流体的局部流动被认为是造成频散的主因，但由于前人理论仅作用于高频，而无法描述岩石低频频散部分，因此前人理论低估了波速在宽频范围内的频散比例。
巴晶设计了双重孔隙模型，以描述上地壳岩石普遍存在的中观尺度（大于岩石颗粒，远小于地震波长）非均匀孔隙结构，考虑孔隙流体的局域流动，由基础力学原理推导了非均匀岩石的波传播方程。对中国西部某砂岩进行了地震波速度实验观测，基于各独立估算的岩石参数，分别采用双孔方程及多种前人理论对地震波速度进行了预测。对比显示，双孔方程与砂岩低频频散数据吻合良好，其他理论则无法预测这一频散趋势。这一结果首次直接证实了由非均匀孔隙结构诱发的流体中观局域流动是引起岩石地震波低频频散现象的根本原因。
巴晶提出的双孔介质波传播理论不仅可预测地震波低频频散趋势，也兼容了前人理论的所有特点，可完成前人理论在其他频段所能进行的预测工作，因此具有更好普适性。
该项研究另一个重要意义在于佐证了地震波在上地壳可能出现的宽频带强频散现象，这一观点在此前研究中一直处于争议状态。鉴于当前地震探测法日趋广泛的应用趋势，本项成果对于未来地球探测与矿产勘测具有重要指导意义与潜在应用价值。
这项研究由国家重点基础研究发展计划和中国博士后科学基金联合资助，研究成果核实了人们对上地壳岩石地震波低频频散现象的认识，是近年来岩石物理学与孔隙介质声学研究的一个新突破，但研究人员表示，这项研究仅能证实部分中等孔隙度砂岩存在如此强烈的频散，孔隙单一的砂岩并不具备，其他更复杂的岩石结构则有待进一步探索。本项研究属于基础性工作，希望能为未来岩石波传播问题与多尺度地震勘测问题的研究建立一个新的科学平台。

EurekAlert!