二维时间空间域和频率空间域声波全波形速度反演方法的对比研究

本文将二维时间空间域和频率空间域声波全波形速度反演方法分别应用到Marmousi模型,进行数值试验.两种方法均采用相同的观测系统和其他的参数,理论模型的数值试验结果证实了:使用较多的计算集群的CPU进行二维频率空间域直接法声波全波形反演时,其加速有限(正演数值模拟的计算量主要用于稀疏矩阵的LU分解,炮点计算波场时为线性关系).二维时间空间域声波全波形反演计算时更灵活,多炮同时计算时,可以多倍提高其计算效率;二维声波全波形速度反演时,直接法求解频率空间域的计算速度远快于时间空间域,所需要的计算机内存也比时间空间域少.二维声波全波形速度反演时,相比较于时间空间域的方法,频率空间域直接法声波全波形反演具有计算速度快和节省计算机内存需求的优势.     

快速高精度的频率空间域声波数值模拟方法研究

频率空间域地震波正演优势明显:无累计误差;多炮反演时,只需几个频率就能得到比拟时间域全带宽反演的结果;容易实现时间域难以精确实现的吸收衰减数值模拟.频率域波动方程被离散化而形成稀疏、非对称、不定、复系数、大规模的系数矩阵,需要求解大规模的线性方程组,最大计算瓶颈是需要海量的计算机内存、导致计算量庞大.采用嵌套剖分法存储...     

二维频率空间域25点优化系数差分格式弹性波数值模拟(英文)

频率空间域地震波数值模拟具有独特的优势:可以同时模拟多源的波传播、每个频率之间独立并行地计算、计算频带选择灵活、不存在累计误差、容易模拟粘弹性介质中地震波传播.但是该方法的最大瓶颈是对于计算机内存的巨大需求.我们使用压缩存储系数矩阵的方法,极大地减少了计算机内存的需求量.同时为了减少短筹分算子的数值频散,引用了频率空间域25点弹性波波动方程的差分格式,并使用了最小二乘意义下求出的优化差分系数.为了克服边界反射,采用了最佳匹配层吸收边界条件.数值模拟试验证明:用压缩存储系数矩阵及优化差分系数的频率空间域25点差分格式进行弹性波正演模拟,可以减少数值频散,提高计算精度.使用较大的网格间距,降低计算机内存需求,并保持较高的计算效率.该正演方法为后续弹性波偏移和弹性参数反演提供较好的基础.     

二维时间空间域弹性波全波形反演-理论模型数值试验

本文使用炮并行和区域分解(物理上分割模型,使用基于MPI的分布式存储架构的计算集群,节约单个CPU内核的内存使用量,快速进行正演数值模拟)两种并行算法.该方法的每一步迭代都能确保近似海森矩阵的正定,因此,算法稳健.将时间正向传播的炮波场和反向逆时间传播的残差波场(伴随波场)进行零延迟互相关计算,得到误差泛函的梯度,然后对梯度乘以一个预条件算子,从而加快反演的收敛速度.通过抛物线搜索方法而估计步长,使用L-BFGS算法(限定内存的BFGS算法)求解模型的更新量,进行二维时间空间域弹性波全波形反演.将该反演方法应用到Marmousi2弹性波理论模型,分别反演Marmousi2理论模型的纵波速度、横波速度以及密度等三个参数.我们分别使用截止频率为2 Hz、5 Hz、10 Hz和20 Hz四个阶段的低通巴特沃斯滤波器,采用多尺度的策略,从理论模型数据的低频分量开始反演,将低频分量的反演结果作为高频分量反演时的初始模型,然后依次反演数据的高频分量.理论模型数值试验反演所得到的结果证实:二维时间空间域弹性波全波形反演计算灵活,适用于各种观测系统,能够方便地对地震数据进行加时窗;二维时间空间域弹性波全波形反演所得纵波速度模型的分辨率最高,横波速度模型的分辨率次之,密度模型的分辨率稍微差些.     

二维时间-空间域声波全波形速度反演方法研究

我们采用区域分解(物理上分割模型,使用基于MPI的分布式存储架构的计算集群,从而节约单个CPU内核的内存使用量,加快正演数值模拟的计算速度)和炮并行(能够加快计算速度)的双并行算法,进行L-BFGS算法的二维时间-空间域声波全波形速度反演.我们采用多尺度的策略,只需要使用三个离散频率(5 Hz,8 Hz,12 Hz),从数据的低频成分开始反演,将低频的反演结果作为高频反演时的初始速度模型,依次反演数据的高频成分,进行Marmousi理论模型的全波形反演数值试验.数值试验反演所恢复得到的速度证实了:二维时间-空间域声波全波形速度反演方法计算灵活,可以适用于任何的采集观测系统,对地震数据可以方便地加时窗;使用多个计算节点同时计算多炮时,能够多倍提高数值计算效率.二维时间-空间域声波全波形速度反演所恢复得到的速度模型的分辨率较高.     

二维弹性波频率域15点差分格式及正演模拟

为优化二维各向同性介质中弹性波频率域正演时阻抗矩阵的结构,减小正演所需内存,提高正演效率,在25点差分格式的基础上进行适当的简化,得到了二维弹性波频率域15点差分格式.利用该格式重新计算了弹性波方程中偏微分项和加速项的差分算子,减少了计算过程中的网格节点需求,构造了优化阻抗矩阵后的频率域正演矩阵方程;推导了纵波和横波相速度的频散公式,给出了不同泊松比条件下的频散曲线,得到了相速度误差控制范围±1%时每一横波波长内网格数需求.通过对比频散曲线和简单模型数值模拟时得到的波场快照、检波点处速度分量及单炮记录,验证了15点差分格式与25点差分格式相比,具有稍严格的网格间距需求、相当的计算精度、更少的计算时间和更小的阻抗矩阵带宽等特点.最后,利用复杂模型数值模拟对本方法的适应性进行了验证.     

声波方程频率域有限元参数反演

推导出频率域有限元声波正演方程,为了消除边界反射,将Clayton-Engquist旁轴波动方程吸收边界条件引入频率域,并对有限元刚度矩阵和质量矩阵进行压缩存储,利用广义共轭梯度法求解有限元方程获得正演解.在此基础上,推导出在某一频率下波场数据残差δU与单元物性参数修改量δλ之间关系的Jacobi矩阵,反演方法允许利用地面二维炮集全波场资料与给出初始模型参数的正演值的差值δU,迭代求得δλ.由于计算机内存的限制,方法计算不允许有过多数目的未知数个数,因此还提出了对同一介质物性单元的Jacobi矩阵元素进行压缩组装的措施,从而使反演的未知量个数减少,结合采用共轭梯度迭代法,使得只需利用有效波频段的少数一些频率即可进行迭代反演.正演和反演理论模型的数值模拟结果表明方法是有效的.     

基于多网格的频率域全波形反演(英文)

频率域全波形反演虽然克服了时间方向上的局部极小值问题,但是地下介质的复杂性使其在空间域仍然存在局部极小值缺陷。在优化梯度法基础上,本文采用预条件双共轭梯度稳定算法和多重网格方法计算反演中的波场传播和目标函数的梯度,在保证计算速度的同时,减小计算机内存的消耗。频率域波形反演和多重网格的多尺度性质有效改善问题极小值缺陷,加快反演的收敛速度。以局部非均匀的三孔模型和Marmousi模型的数值模拟结果验证了该算法的有效性。     

基于全区视电阻率的线源FCSEM二维正演模拟

频率域可控源电磁是在大地电磁测深的基础上发展起来的一种人工源电磁测深法,其二维电磁响应的计算须采用数值模拟方法.本文以Matlab为程序编译工具,采用双二次插值的有限单元法,推导出相应的计算公式.为了模拟无穷远边界及满足计算机的内存需求,在保证计算精度的情况下设计了非均匀网格剖分.在程序编制中,只存储有限元系数矩阵的非零元素,大大减少了正演计算的时间.针对频率域可控源电磁法中卡尼亚电阻率在过渡区和近区畸变的问题,给出了全区视电阻率的迭代公式,并对典型的一维层状模型以及简单二维模型进行了计算.过渡区和近区数据经过校正后,可以正确反映出模型的地电特征,证明了线源下近区勘探的可能性.     

二维频率空间域粘声波正演模拟研究

地球介质本身的非弹性导致大地吸收效应,黏滞性影响波场的所有频率成分且对高频成分的影响更大,从而降低了地震记录和地震成像的垂向分辨率.通常使用经验公式描述吸收衰减.在时间域模拟吸收衰减需大量的计算机内存、计算效率较低,模拟Q值非常困难;而频率空间域可以通过引入复速度和Q值,使用任意的经验公式而进行粘滞介质的数值模拟.本文...     

基于静主元消元法的频率域波动方程正演(英文)

频率域波动方程正演是求解一个大型线性稀疏方程组问题,其受到计算效率和内存存储问题的限制。常规的高斯消元法不能满足大型数据的并行计算,本文提出基于静主元消元法(GESP)进行稀疏矩阵LU分解和多炮有限差分正演,该方法不仅提高了稳定性,更有利于单频点内LU分解的分布式并行计算。通过Marmousi模型模拟试验,单频波场和转化到时间域地震剖面的试验表明模拟精度和计算效率得到提高,节约并充分利用内存,为波形反演奠定基础。     

Two‐dimensional waveform inversion of multi‐component data in acoustic‐elastic coupled media

In order to account for the effects of elastic wave propagation in marine seismic data, we develop a waveform inversion algorithm for acoustic‐elastic media based on a frequency‐domain finite‐element modelling technique. In our algorithm we minimize residuals using the conjugate gradient method, which back‐propagates the errors using reverse time migration without directly computing the partial derivative wavefields. Unlike a purely acoustic or purely elastic inversion algorithm, the Green's function matrix for our acoustic‐elastic algorithm is asymmetric. We are nonetheless able to achieve computational efficiency using modern numerical methods. Numerical examples show that our coupled inversion algorithm produces better velocity models than a purely acoustic inversion algorithm in a wide variety of cases, including both single‐ and multi‐component data and low‐cut filtered data. We also show that our algorithm performs at least equally well on real field data gathered in the Korean continental shelf.     

Analytical layer-element solution to axisymmetric dynamic response of transversely isotropic multilayered half-space

Starting with the governing equations of motion and the constitutive equations of transversely isotropic elastic body, and based on the corresponding algebraic operations and the Hankel transform, the analytical layer-elements of a finite layer and a half-space are obtained in the transformed domain. According to the continuity conditions between adjacent layers, the global stiffness matrix equation is obtained by assembling the analytical layer-element of each single layer. The solutions in the transformed domain are acquired by introducing the boundary conditions into the global stiffness matrix equation, and thus, the corresponding solutions in frequency domain are achieved by taking the inversion of Hankel transform. Finally, some numerical examples are given to illustrate the accuracy of the proposed method, and to study the influence of properties and the frequency of excitation on the dynamic response of the medium.     

弹性波边界元法正演模拟

弹性波边界元地震模型方法（ＢＥＥＳＭ），实现了二维和三维问题的纵、横波及转换波的同时模拟，并且能模拟任意复杂构造的地震声波正演模型．根据地震模型的特点，本文发展了数值积分计算与矩阵消元同步进行的块状高斯消元法；用解析法处理奇异积分；用无限元法处理边界吸收问题；采用单元长度随介质速度和计算频率变化的变单元算法，及自动剖分单元等技术，提高了计算精度，节省了内存，缩短了计算时间．     

高精度频率域弹性波方程有限差分方法及波场模拟

有限差分方法是波场数值模拟的一个重要方法,但常规的有限差分法本身存在着数值频散问题,会降低波场模拟的精度与分辨率,为了克服常规差分算子的数值频散,本文采用25点优化差分算子,再根据最优化理论求取的优化系数,建立了频率空间域中弹性波波动方程的差分格式;为了消除边界反射,引入最佳匹配层,构造了各向同性介质中弹性波方程在不同边界和角点处的边界条件. 最后由弹性波波动方程和边界条件,通过频率域有限差分法,分别利用不同震源对弹性波在均匀各向同性介质、层状介质及凹陷模型中的传播过程进行了数值正演模拟,得到了单频波波场、时间切片和共炮点道集,为下一步的研究工作（如成像、反演）提供了研究基础.     

波场模拟中的数值频散分析与校正策略

波动方程有限差分法正演模拟,对认识地震波传播规律、进行地震属性研究、地震资料地质解释、储层评价等,均具有重要的理论和实际意义.但有限差分法本身固有存在着数值频散问题,数值频散在正演模拟中是一种严重的干扰,会降低波场模拟的精度与分辨率.针对TI介质波场模拟的交错网格有限差分方法,本文从空间网格离散、时间网格离散和算子近似等三个方面对其产生的数值频散进行了分析,并结合其他学者的研究成果给出了TI介质波场模拟中压制数值频散的方法与策略：在已知介质频散关系时,对差分算子可实施算子校正;通过提高差分方程的阶数来提高波场模拟精度;采用流体力学中守恒式方程的通量校正传输方法来压制波场模拟中的数值频散;在实际正演模拟时,采用交错网格高阶有限差分方程,不仅在空间上采用高阶差分,而且在时间上也要采用高阶差分,否则只在单一方向上（空间或时间）提高方程的阶数对压制数值频散也不会取得理想的效果.     

VTI介质qP波方程高精度有限差分算子

波动方程有限差分法是一种使用广泛的地震波数值模拟方法.但是有限差分法本身固有存在着数值频散问题，会降低地震波场模拟的精度与分辨率.为了克服常规有限差分算子的数值频散，本文针对VTI介质地震波数值模拟问题，构造了频率-空间域qP波波动方程高精度有限差分优化算子，根据最优化理论中高斯-牛顿法确定了高精度有限差分算子的优化系数.利用常规差分算子和高精度优化差分算子对归一化相速度的频散关系精度进行了对比分析，并对均匀各向同性介质和均匀VTI介质中的qP波地震波场进行了有限差分数值模拟，通过频散关系精度分析和波场数值模拟结果表明：有限差分优化算子具有较高的波场数值模拟精度，有效压制了传统有限差分算子数值模拟中的数值频散现象，提高了有限差分算子精度，为VTI介质频率-空间域qP波正演模拟奠定了基础.     

地层衰减对地震波速度逆散射反演的影响研究

在利用地震波数据进行地球物理反演时,地层对地震波的吸收衰减效应会对地层物性参数的准确反演产生较大的影响,因此利用黏弹性声波方程进行反演更符合实际情形.本文在考虑地层衰减效应进行频率空间域正演模拟的基础上,提出基于黏弹性声波方程的频率域逆散射反演算法并对地震波传播速度进行反演重建,在反演过程中分别用地震波传播复速度和实速度来表征是否考虑地层吸收衰减效应.基于反演参数总变差的正则化处理使反演更加稳定,在反演中将低频反演速度模型作为高频反演的背景模型进行逐频反演,由于单频反演过程中背景模型保持不变,故该方法不需要在每次迭代中重新构造正演算子,具有较高的反演效率;此外本文在反演过程中采用了基于MPI的并行计算策略,进一步提高了反演计算的效率.在二维算例中分别对是否考虑地层吸收衰减效应进行了地震波速度反演,反演结果表明考虑衰减效应可以得到与真实模型更加接近的速度分布结果,相反则无法得到正确的地震波速度重建结果.本文算法对复杂地质模型中浅层可以反演得到分辨率较高的速度模型,为其他地震数据处理提供比较准确的速度信息,在地层深部由于地震波能量衰减导致反演分辨率不太理想.     

A semi-analytical artificial boundary for time-dependent elastic wave propagation in two-dimensional homogeneous half space

This paper presents a time-dependent semi-analytical artificial boundary for numerically simulating elastic wave propagation problems in a two-dimensional homogeneous half space. A polygonal boundary is considered in the half space to truncate the semi-infinite domain, with an appropriate boundary condition imposed. Using the concept of the scaled boundary finite element method, the wave equation of the truncated semi-infinite domain is represented by the partial differential equation of non-constant coefficients. The resulting partial differential equation has only one spatial coordinate variable and time variable. Through introducing a few auxiliary functions at the truncated boundary, the resulting partial differential equations are further transformed into linear time-dependent equations. This allows an artificial boundary to be derived from the time-dependent equations. The proposed artificial boundary is local in time, global at the truncated boundary and semi-analytical in the finite element sense. Compared with the scaled boundary finite element method, the main advantage in using the proposed artificial boundary is that the requirement for solving a matrix form of Lyapunov equation to obtain the unit-impulse response matrix is avoided, so that computer efforts are significantly reduced. The related numerical results from some typical examples have demonstrated that the proposed artificial boundary is of high accuracy in dealing with time-dependent elastic wave propagation in two-dimensional homogeneous semi-infinite domains.     

The One-Way Wave Equation: A Full-Waveform Tool for Modeling Seismic Body Wave Phenomena

The study of seismic body waves is an integral aspect in global, exploration and engineering scale seismology, where the forward modeling of waves is an essential component in seismic interpretation. Forward modeling represents the kernel of both migration and inversion algorithms as the Green’s function for wavefield propagation and is also an important diagnostic tool that provides insight into the physics of wave propagation and a means of testing hypotheses inferred from observational data. This paper introduces the one-way wave equation method for modeling seismic wave phenomena and specifically focuses on the so-called operator-root one-way wave equations. To provide some motivation for this approach, this review first summarizes the various approaches in deriving one-way approximations and subsequently discusses several alternative matrix narrow-angle and wide-angle formulations. To demonstrate the key strengths of the one-way approach, results from waveform simulation for global scale shear-wave splitting modeling, reservoir-scale frequency-dependent shear-wave splitting modeling and acoustic waveform modeling in random heterogeneous media are shown. These results highlight the main feature of the one-way wave equation approach in terms of its ability to model gradual vector (for the elastic case) and scalar (for the acoustic case) waveform evolution along the underlying wavefront. Although not strictly an exact solution, the one-way wave equation shows significant advantages (e.g., computational efficiency) for a range of transmitted wave three-dimensional global, exploration and engineering scale applications.