基于声发射矩张量反演揭示砂岩断裂带各向异性特征及其对裂缝表征的影响

　　本刊推荐：为解决岩石断裂带各向异性难以精确表征的问题，研究人员通过声发射（AE）矩张量（MT）反演方法，系统分析了砂岩半圆弯曲试验中产生的539个高精度矩张量数据，成功反演出正交各向异性弹性参数及对称轴取向。研究结果表明，忽略各向异性将导致裂缝取向和张性度（slope angle）出现显著偏差（约10°），该成果为复杂裂隙介质表征提供了新范式，对地震成像和地质力学监测具有重要意义。

　　

在地壳深处，岩石并非均匀的“铁板一块”，而是充满了各种方向的裂隙、层理和矿物定向排列形成的各向异性结构。这种各向异性会显著影响地震波的传播速度与路径，就像透过扭曲的玻璃看世界，看到的图像难免失真。特别是在裂隙发育的断裂带中，定向排列的微裂隙就像无数个微小的“软肋”，使得岩石在不同方向上表现出截然不同的力学特性。传统的地震监测手段往往假设介质是均匀 isotropic（各向同性）的，这可能导致对震源机制（如裂缝取向、破裂类型）的错误解读。

为了解决这一难题，捷克科学院地球物理研究所的Václav Vavry?uk团队在《Ultrasonics》发表了一项创新研究。他们利用实验室声发射（Acoustic Emissions, AE）技术，结合矩张量（Moment Tensor, MT）反演方法，成功揭示了砂岩试样在断裂过程中形成的各向异性特征，并量化了各向异性对裂缝参数估计的影响。

本研究主要采用了几项关键技术：首先通过半圆弯曲试验（semi-circular bend test）诱导Tesin砂岩产生拉伸断裂，同时采用22个高频传感器（240–520 kHz）记录声发射信号；利用基于Akaike信息准则的自动拾算法精确识别P波到时，并通过网格搜索算法实现AE事件的高精度定位（精度约2 mm）；进而通过振幅反演计算539个高精度矩张量（MT），并基于Vavry?uk提出的各向异性反演理论，联合反演得到断裂带的正交各向异性弹性参数及对称轴取向。

4.1. Input moment tensors

研究人员从982个AE事件中筛选出539个高精度矩张量数据，其P/T轴显示T轴（张性轴）高度集中于x轴方向，与断裂带最大张应力方向一致，而P轴（压性轴）主要分布于y-z平面。这为后续各向异性反演提供了可靠的数据基础。

4.2. Inversion procedure for elastic anisotropy

研究采用网格搜索法（步长5°）结合非线性优化算法，以正交各向异性模型为约束，反演了8个弹性参数（A₁₁, A₂₂, A₄₄, A₅₅, A₆₆, A₁₂, A₁₃, A₂₃）及三个对称轴取向。其中A₃₃固定为11.2 km2/s2（对应v_PZ=3.34 km/s），以确保反演稳定性。

4.3. Retrieved anisotropic parameters

反演结果显示，断裂带表现出明显的正交各向异性，其对称轴分别与x、y、z轴对齐。P波、S1波和S2波的各向异性强度分别为18%、14%和21%。这种各向异性源于砂岩本身的横向各向同性（对称轴为z轴）与断裂带内定向裂隙（法向沿x轴）的叠加效应。

4.4. Impact of anisotropy on source parameters of AEs

通过将矩张量（MT）转换为源张量（Source Tensor, ST），研究人员消除了各向异性带来的偏差。结果显示：ST计算得到的P/T轴聚集度显著高于MT；ISO（各向同性）组分平均提高约10%；表征裂缝张性度的slope angle系统性增大10°。这表明忽略各向异性会显著低估裂缝的张性特征。

研究结论表明，基于声发射矩张量的各向异性反演方法能够有效刻画断裂带的复杂弹性特征，即使是在低对称性（如正交各向异性）情况下仍具有良好鲁棒性。该技术不仅为实验室尺度裂隙介质表征提供了新手段，对野外地震监测中的震源机制解析和裂隙参数反演也具有重要借鉴意义。特别是在地热开发、油气储层改造等领域，准确识别裂隙取向和张闭状态直接影响资源开发效率。这项研究从方法论到实践应用均体现了多学科交叉的创新价值，为破解“各向异性盲区”提供了关键技术支持。