二维复杂黏弹性各向异性介质中的地震射线追踪

实际地层中传播的地震波普遍存在速度各向异性和能量衰减现象,因此基于弹性介质假设条件下的地震射线正反演算法具有一定的局限性,而研究黏弹性各向异性介质中的地震波传播规律可为揭示地下结构提供更加可靠的理论依据.射线追踪技术是揭示高频地震波传播特性的有效手段之一,然而绝大多数研究仅限于弹性介质.针对黏弹性各向异性介质,本文首先给出了一种射线速度和振幅衰减的计算方法,然后结合改进型最短路径算法,在实空间内实现了计算复杂介质模型中地震波(qP,qSV,qSH)的射线路径和传播走时以及能量衰减(虚走时).该算法适用于复杂黏弹性各向异性介质.误差分析结果显示,实走时的最大相对误差小于0.13％,虚走时的最大相对误差小于0.55％,表明该算法具有较高的计算精度.     

基于分数阶时间导数的黏弹性衰减VTI介质中平面波传播

目前在地震勘探频带范围内通常假设品质因子Q与频率无关,且呈衰减各向同性.事实上,相比较速度各向异性,介质的衰减各向异性同样不可忽视.本文将衰减各向异性和速度各向异性二者与常Q模型相结合,建立了黏弹性衰减VTI介质模型,并基于分数阶时间导数理论,给出了对应的本构关系和波动方程.利用均匀平面波分析和Poynting定理,推导出准压缩波qP、准剪切波qSV和纯剪切波SH的复速度、相速度、能量速度以及品质因子的解析表达式.对模型的正确性进行了数值验证,并分析了qP,qSV和SH波在介质中的传播特性.数值试验结果表明:本模型能够实现理想的恒定Q行为,表现了品质因子和速度的各向异性特征,显示出黏弹性增强将导致能量速度和相速度的频散曲线变化剧烈;速度和衰减各向异性参数与传播角度之间的耦合效应对qP,qSV和SH波的速度和能量影响明显;qP,qSV和SH波的频散曲线和波前面随着衰减各向异性强度的改变发生显著变化,其中耦合在一起的qP和qSV波变化趋势相同,而SH波与它们呈现相反的变化规律.本研究为从常Q模型角度分析地震波在衰减各向异性黏弹性介质中的传播特征奠定了理论基础.     

Kelvin-Voigt均匀黏弹性介质中传播的地震波

研究了在小扰动的情况下, 地震波在Kelvin-Voigt均匀黏弹性介质中传播时的瞬态响应以及对应的三阶偏微分方程的解析解. 获得了在脉冲震源条件下Kelvin-Voigt均匀黏弹性三阶波动方程的平面波解. 运用脉冲叠加原理, 获得了在任意震源条件下Kelvin-Voigt均匀黏弹性三阶波动方程的平面波解. 讨论了地震波在Kelvin-Voigt均匀黏弹性介质中的传播速度和衰减, 推导出了地震波的衰减系数和传播速度与介质的密度、弹性模量和黏滞系数之间的精确关系. 这些结果能够用于地震勘探中黏弹性岩性参数的反演.     

弱各向异性介质中qP波的一阶射线追踪

本文基于扰动理论来推导qP波一阶射线追踪方程,并使用此方程计算光滑弱各向异性介质中qP波传播的路径和走时,从方程中可以看到对于弱各向异性介质中传播的qP渡,其一阶射线追踪方程只依赖于15个弱各向异性参数,方程的形式比准确的射线追踪方程简单得多,当各向异性强度为零时,此方程变为标准的各向同性射线追踪方程,并通过模型实算来测试本方法的精度,对于各向异性强度为10%的VTI均匀介质和各向异性为8%的VTI非均匀介质,射线的出射角在0～40°之间时,其相对误差不超过0.05%,而对于各向异性强度为20%的VTI均匀介质,当射线的出射角在0～50°之间时,其相对误差不超过0.46%,实算结果表明本方法具有很强的适应性,在出射角不太大的范围内具有很高的精度,该研究结果对海相油气勘探有重要意义.     

三维TTI介质相速度和群速度

相速度和群速度是研究地震波传播规律和描述介质特性的重要参数,是弹性波传播理论中的核心内容,在理论研究和实际应用中有重要作用.本文根据VTI介质的刚度矩阵,利用Bond变换建立了TTI介质刚度矩阵.再利用TTI介质刚度矩阵,结合弹性动力学的本构方程、牛顿运动微分方程和几何方程,得到了三维TTI介质弹性波波动方程和Christoffel方程.通过本征值方法求解Christoffel方程,推导了三维TTI介质弹性波相速度的解析表达式.利用Berryman和Crampin推导各向异性介质群速度公式,根据三维TTI介质的相速度解析式推导了三维TTI介质群速度解析表达式.数值试例表明,随着各向异性介质参数改变,TI介质弹性波相速度变化较为平缓,群速度变化较为剧烈,qP波和SH波速度变化较为平缓,qSV波速度变化较为剧烈.     

黏弹VTI介质井间地震高斯束波场正演数值模拟

为了研究黏弹VTI介质井间地震波的波场特征,理论分析地震波在黏弹VTI介质中传播特性的基础上,编程实现高斯射线束方法对黏弹VTI介质井间地震波场的正演模拟.为将黏弹VTI介质和完全弹性各向同性介质正演记录进行对比,将黏弹VTI介质的黏弹性参数和各向异性参数设定为零,得到完全弹性各向同性介质下的正演结果.两种介质正演结果对比显示的差异与地震波理论完全一致,证明了所研究的黏弹VTI介质井间地震高斯束正演数值模拟的正确性,为井间地震复杂介质地震波场研究提供了借鉴.     

黏弹性EDA介质中地震波的传播特征

地球介质基本为黏弹性各向异性介质,研究黏弹性各向异性介质中地震波的传播特征对提高地震勘探精度及准确性有着重要意义.相速度与群速度是认识黏弹性各向异性地震波传播规律的主要参数,对地震数据解释具有重要意义.本文基于特殊分量法,通过求解christoffel方程,推导出黏弹性EDA介质中均匀、非均匀波的精确相速度、慢度和群速度公式,并通过模型计算研究了SH波的相速度特征及其随相角和不均匀参数D的变化规律.结果表明D影响了地震波的相速度大小,但对其方位特性无影响,在EDA介质中相速度随方位角变化的规律仍然可指示介质的对称轴方向和裂隙的走向.     

任意空间取向TI介质中长排列非双曲动校正公式优化(英文)

常规长排列非双曲动校正公式是在VTI介质中得到的,它不能满足任意空间取向TI(ATI)条件下的扩展.本文以VTI介质中非双曲动校正公式为基础,基于我们推导得出的ATI介质中精确四次时差系数解析解和NMO速度解析解,给出ATI介质中长排列优化的非双曲动校正公式.通过与各向异性射线追踪方法计算所得出的"精确走时"结果对比,研究表明优化后的非双曲动校正公式能精确地描述任意强弱、ATI介质中随测线方位变化的走时曲线,可以用来替代耗时、多偏移距、多方位的射线追踪方法正演拟合ATI介质中长偏移距反射走时,为利用非双曲时距的各向异性参数反演提供理论基础性认识。     

三维TTI介质高效射线追踪方法

TTI介质是石油地震勘探领域最常用的各向异性介质,快速计算TTI介质射线路径和走时信息有重要的研究意义.TTI介质传统运动学射线追踪方法一般基于任意弹性介质射线方程,利用Bond变换或者四阶张量变换来处理复杂的21个弹性参数,因而非常耗时.实际野外对称轴统一的TTI介质模型,一般可以看成VTI介质模型旋转一定角度获得.为此,本文推导了三维VTI介质射线追踪方程,提出先在本构坐标系中进行VTI介质射线追踪,再通过坐标旋转将射线路径旋转至观测坐标系中,获得TTI介质射线路径.数值模型计算表明该方法高效和精确,较传统方法效率提高了近4倍.在强各向异性等特殊情况下,体波波前面都与理论群速度面一致.     

各向异性介质弹性多波高斯束正演模拟

射线类正演方法以其高效性和灵活性的特点,被广泛应用于地震勘探中.然而,普通射线类正演方法存在焦散区、阴影区和多值走时等问题,计算精度不够理想.为此,本文在传统的各向同性介质声波高斯束正演的基础上,推导了各向异性介质运动学和动力学射线追踪方程,发展了各向异性介质弹性多波射线追踪算法;并将该算法应用到高斯束正演模拟中,实现了一种各向异性介质弹性多波高斯束正演模拟方法.各向异性VTI介质断块和VTI介质复杂构造模型试算的结果表明:本文研究的方法能够对各向异性介质构造进行正演模拟,在保证计算精度的前提下,具有较高的计算效率,模型试算的结果说明了方法的有效性和正确性.     

黏弹性EDA介质中地震波的衰减特性研究

本文首先由Christoffel方程推导出黏弹性EDA介质中均匀、 非均匀P波、 SV波和SH波的相速度表达式, 然后参照极端各向异性介质的相关计算方法, 推导出EDA介质中均匀、 非均匀地震波相衰减系数和群衰减系数的表达式, 并通过数值计算分析了相速度、 相衰减系数、 群衰减系数与裂隙方位的关系. 结果表明: 均匀介质中SH波的相速度和相衰减系数均可指示裂隙的走向; 非均匀介质中SH波相衰减系数随非均匀角的增大而增大, 且其对称轴与介质对称轴的夹角也相应增加; 由于地震波振幅的衰减随岩石物理性质的变化比地震波速度的变化更为灵敏, 而且携带了更多的岩石物理性质信息, 因此可用来探明裂隙走向、 密度及含水特性, 进而应用于预测、 预防地下工程地质灾害事故.      

流体饱和周期性层状孔隙介质模型平行层面传播的纵波频散和衰减研究

孔隙介质中的地震波传播一直是油气地震勘探领域的研究热点和难点问题.该科学难题源自不同尺度的裂隙、孔隙、溶洞与岩石骨架之间的耦合作用,导致地震波场特征复杂.目前相关的研究主要集中于探索孔隙介质中地震波的传播机制及地震响应的特征与变化规律,包括对地震波在复杂孔隙介质中传播,进行比较精确的数学物理描述以及数值实现.地球物理学家们集中于研究垂直于地层层面方向入射的地震波频散和衰减,而忽略了实际地球介质中的地震波是以任意角度(方向)入射并进行传播的普遍性情况.在前人的研究基础上,本文的创新之处在于将纵波的入射方向扩展到平行于流体饱和的周期性层状孔隙介质模型层面方向.针对流体饱和的周期性层状孔隙介质模型,提出了介观波致流(Wave-induced Fluid Flow, WIFF)对流体饱和孔隙层状介质中平行于层面方向入射的纵波频散、衰减及频变各向异性的新模型.利用准静态Biot孔弹性方程推导出了模型的孔隙压力、流体流动速度、平均应力和平均应变等物理量的解析表达式,进而得到流体饱和的周期性层状孔隙介质复纵波模量的精确解析解．然后,利用复纵波模量讨论了纵波速度频散、衰减和频变各向异性特征,讨论了背景...     

黏弹各向异性介质中波的反射与透射问题分析

黏弹各向异性介质中传播不均匀波，其反射、透射模式不仅与介质分界面两侧速度对比有关，还与品质因子Q的对比有关. 用伪谱技术模拟黏弹各向异性介质分界面上波的反射、透射，并与弹性各向异性介质、黏弹各向同性介质和弹性各向同性介质的模拟结果做比较. 计算平面波的反射、透射系数，分析介质的黏弹性和各向异性对反射、透射系数的影响. 数值模拟了一个三层介质模型中的波场，分析两个分界面上产生的反射波的特征. 黏弹各向异性介质中，qS波比qP波衰减程度大.     

横向各向同性介质中地震波走时模拟

横向各向同性介质是地球内部广泛分布的一种各向异性介质.针对这种介质,我们对各向同性介质的最小走时树走时模拟方法进行了推广,推广后的方法可适用于非均匀、对称轴任意倾斜的横向各向同性介质模型.为保证计算效率,最小走时树的构建采用了一种子波传播区域随地震波传播动态变化的改进算法.对于弱各向异性介质,我们使用了一种新的地震波群速度近似表示方法,该方法基于用射线角近似表示相角的思想,对3种地震波（qP, qSV和qSH）均有较好的精度.应用本文地震波走时模拟方法对均匀介质、横向非均匀介质模型进行了计算,并将后者结果与弹性波方程有限元方法的模拟结果进行了对比,结果表明两者符合得很好.本文方法可用于横向各向同性介质的深度偏移及地震层析成像的深入研究.     

常Q衰减介质分数阶波动方程优化有限差分模拟

本文基于Kjartansson常Q模型理论,推导了常Q衰减介质中黏声波和黏弹性波的速度-应力方程,并采用基于二项式窗函数的优化交错网格有限差分方法进行了数值模拟,同时引入不分裂的复频移卷积完全匹配层(CPML)吸收边界条件,以消除边界反射.使用基于自适应时间步长记忆方法的中心差分近似时间分数阶导数,与常用的短时记忆方法相比,提高了波动方程的离散化精度和计算效率.通过对比均匀模型下声波的数值解与解析解,验证了算法的精确性,并进一步分析了不同品质因子下地震波的频散及衰减特征.对BP盐丘模型的数值模拟结果可以较好地反映本文数值方法对复杂介质的适应性及频散压制效果.      

求解二次方程的二维VTI介质qSV波和qSH波走时快速扫描算法

地震波走时计算在观测系统设计、偏移成像、速度模型走时反演和地震定位等方面起到重要作用.各向异性广泛存在于地球介质中,影响地震波传播的振幅和走时,忽略各向异性的影响将对成像、反演以及地震定位等造成一定的误差.因此对于高分辨率成像和反演,走时计算中考虑各向异性十分重要.快速扫描法不需要存储和追踪波前面信息,在各向异性初至波...     

基于高阶广义标准线性体模型的三维黏弹性介质弹性波正演模拟

吸收衰减是地震波在实际地球介质中传播的固有特征.在实际应用中,通常假设表征吸收衰减特征的品质因子Q在地震频带范围内不随频率变化.高阶广义流变模型能够在时间域内精确的表征品质因子Q不随频率变化的特征,为黏弹性介质波动方程精细模拟奠定了基础.基于广义标准线性体模型理论,采用最小二乘拟合方法对Q值不随频率变化特征进行拟合,分析了不同阶次广义标准线性体模型对黏弹性介质Q值特征的拟合程度,在权衡计算精度和三维计算量的基础上,确定了五阶广义标准线性体模型并建立了相应的三维黏弹性波的速度-应力方程,结合CFS-PML边界条件开展了高精度三维黏弹性波正演模拟.通过均匀介质正演模拟,验证算法的正确性,明确了地震波的传播时的吸收衰减特征,对三维盐丘模型进行数值模拟,表明了五阶广义标准线性体可以精确的模拟黏弹性介质地震波吸收衰减特征.     

TTI介质弹性波相速度与偏振特征分析

相速度和偏振方向是研究地震波传播规律和描述介质特性的重要参数,在理论研究和实际应用中有重要作用.本文假定倾斜横向各向同性(TTI)介质对称轴位于观测坐标系XOZ面内,在此观测坐标系下直接推导了TTI介质弹性波相速度和偏振方向的解析表达式,再进一步利用Thomsen弱各向异性理论,推导了弱各向异性近似条件下弹性波相速度以及qP波和qSV波偏振方向表达式.理论分析和数值试例表明,在相速度方面,随着各向异性介质参数改变,qP波和qSH波速度变化较为平缓,qSV波速度变化较为剧烈.弹性波相速度近似式误差均较小,能较好地近似精确相速度.在偏振方向方面,SH波偏振方向只是传播方向和对称轴倾角的函数,而与各向异性参数无关,SH波偏振方向既垂直于传播方向,又垂直于TTI介质对称轴方向.除特定方向外,qP波和qSV波的偏振方向与传播方向均成一定角度,并且随TTI介质对称轴倾角的改变而改变;在精确和近似情况下,qP波和qSV波的偏振方向始终垂直;在精度允许范围内,偏振方向的弱各向异性近似式与理论解析式吻合较好.     

含泥质低孔渗各向异性黏弹性介质中的波频散和衰减研究

本文定义了各向异性黏弹性参数修正因子,并将其引入到黏弹性模型中以体现泥质含量对黏弹性机制的影响,同时将波传播过程中孔隙介质骨架黏弹性力学机制与两种孔隙流体流动力学机制（Biot流动和喷射流动机制）有机地统一起来处理,从而给出了描述含泥质低孔渗孔隙各向异性介质中波传播规律的黏弹性Biot/squirt (BISQ)模型.数值计算结果表明,入射波的方位角、各向异性渗透率以及泥质含量等对含流体复杂孔隙介质中波频散和衰减的影响具有显著的方位各向异性特征,在低频范围内（地震波勘探频率）黏弹性力学机制对波传播能量的衰减起主导作用.     

基于牛顿迭代法求解群速度的地震波射线追踪模拟

地下介质中普遍存在着各向异性,当前基于各向异性的地震波射线追踪多是在弱各向异性介质中进行且采用群速度近似表示方法,这些近似方法在强各项异性介质中会导致很大误差而无法真正模拟地震波的传播规律。根据地下普遍存在各向异性的事实和地震波基本传播规律,提出利用牛顿迭代法高效求解群速度,基于Paraview平台自动化构建三维地质模型,采用最短路径法进行地震波射线追踪模拟及可视化,实现对复杂三维地质的速度不均匀性和各向异性的表达,为三维地质模型的构建和地震波射线追踪模拟及可视化提供一种新思路,并以华北克拉通山西断陷带北部局部区域为例进行研究。结果表明,该方法能够减少由各向异性对地震波传播模拟造成的影响,清晰表达了研究区地质结构和各向异性特点,在对复杂三维地质结构的解读中能够较好应用。