各向异性裂缝岩石在长期的有限应力作用下会发生裂缝闭合和应力积累，诱导非线性弹性变形和超弹性变形，引起地震波传播的非线性行为。如何利用地震波来识别两种变形的拐点、解耦裂缝和应力分别诱导的地震各向异性并分析其应力依赖的演化、反演应力依赖的裂缝密度及纵横比变化、预测岩石中的应力分布和应力集中等问题对超深层油气探测和深部高压地震裂缝带裂缝演化分析具有重要的实际意义。近日，符力耘教授团队提出将应力积累声弹性效应和裂缝闭合模型（DPM）引入传统Hudson与Padé–Hudson各向异性裂缝模型中，建立了统一的非线性弹性和超弹性耦合的弹性波动力学理论模型AHCM（Acoustoelastic Padé–Hudson 双孔隙模型），首次实现了利用地震波来解析高压裂缝岩石中常常发生的裂缝闭合和应力积累这一非线性岩石力学行为，有效区分高压裂缝带中裂缝诱导与应力诱导的地震各向异性。
该研究采取裂缝岩石超声岩石物理实验、非线性弹性波动力学理论建模与有限差分地震数值仿真相结合的研究方案，首先利用非线性岩石力学方法划分岩石加载过程中的裂缝闭合（非线性弹性变形）、应力积累（超弹性变形）和裂缝增生（非弹性变形）等三个应力-应变分区（图1），在无缝连接的裂缝闭合与应力积累过程中，弹性波的传播渐进耦合岩石的非线性弹性与超弹性变形行为，建立了在非线性声弹性理论框架下的弹性波动力学理论模型，解决了传统地震波理论：（1）难以准确描述裂缝闭合和应力积累并存的非线性岩石力学问题和（2）难以准确解耦高压裂缝带中裂缝与应力分别诱导的地震各向异性。
图1.一组人工砂岩在单轴压缩测试中获得的渐进变形应力-应变图
通过理论建模与实验测量数据验证（图2），本研究实现了：（1）应力-裂缝耦合统一建模：将声弹性理论与Padé–Hudson裂缝模型融合，结合裂缝闭合机制，统一描述应力诱导与裂缝诱导的地震各向异性演化过程；（2）三阶弹性常数、地震裂缝密度、Thomsen因子等关键参数：揭示了应力依赖的非线性弹性演化与地震各向异性的协同调控作用，解析了裂缝密度、应力方向与裂缝走向的相对关系对弹性波传播的主控机制；（3）相互验证：综合围压/轴压/剪切加载岩石物理实验、平面波分析、等效弹性模量计算、Thomsen参数估计与波场快照仿照等手段，建立了一套高压裂缝岩石非线性和超弹性变形过程的弹性波监测技术序列。
图2. 有效Thomsen参数ε（左图）与δ（右图）在不同静水压力条件下各种逼近模型结果对比，包括实验测量结果、应力诱导的背景各向异性、Sarkar弱各向异性模型、Padé AHM等效各向异性模型以及AHCM等效各向异性模型，图中标注了各模型对应的均方根误差（RMSE）
该成果为超深层油气地震勘探、高压页岩气地震勘探、深部高压地震断裂带裂缝演化分析，提供了全新的理论工具。研究成果发表在地球物理领域国际权威期刊JGR：Solid Earth，该期刊为自然指数（Nature Index）收录期刊。论文通讯、第一作者为太阳成集团tyc151cc符力耘教授，合作者包括博士研究生杨海迪、太阳成集团tyc151ccTobias Müller教授和北京工业大学付博烨副教授。
Fu, L. Y., Yang, H., Fu, B. Y., & Müller, T. M. (2025). Stress‐dependent wave propagation in fractured rocks with nonlinear elastic and hyperelastic deformations. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 130(6), e2024JB030889. https://doi.org/10.1029/2024JB030889
