频率域声-弹耦合地震波波动方程有限差分方法

本文针对声-弹耦合介质,为尽可能的减少频率域正演模拟的计算内存,提高计算效率,在一阶非均质位移-应力波动方程的基础上,借助等效交错网格思想并充分考虑密度参数空间变化对地震波传播的影响,推导了声-弹耦合地震波波动方程.在流相介质和固相介质中分别采用非均质情况频率域二阶声压标量波、二阶纯位移控制方程,为保证流、固相介质间地震波能量的稳定传输和有效交换,提出了声-弹耦合界面转换过渡层方法,并详细阐述了过渡层与上下介质空间差分具体耦合方法.在与非均质纯位移波动方程正演结果对比分析的基础上,首先采用各向同性单层流相介质模型进行正演模拟验证了声-弹耦合方程数值模拟中过渡层策略的有效性和准确性,随后又数值模拟了地震波在声-弹耦合介质简单模型和复杂Marmousi2模型中的传播,验证了本文方法稳定性和准确性,同时该方法可以简单的推广到三维情况.     

非均匀流-固边界耦合介质多参数全波形反演方法

海洋勘探环境可以抽象为下伏固体与上覆流体相互耦合的介质,本文针对流-固边界耦合介质提出了一种高效、稳定的多参数（速度和密度）全波形反演方法.本文采用弹性波一阶位移-应力方程作为过渡层耦合声波压力方程与弹性波位移方程来模拟耦合环境,相比于传统的交错网格建模方法或者构建连续性条件,本文提出的方法在正演精度和稳定性上凸显出很大优势,极大降低了计算内存.反演策略对多参数全波形反演至关重要,由于不同参数之间的相互耦合使得密度在多参数全波形反演中较难获得,因此本文将非均匀流-固边界耦合介质多参数全波形反演分为两个步骤完成：第一步利用变密度声波方程结合推导出的密度梯度算子进行纵波速度和密度的双参数反演;第二步根据链式法则求取横波速度的梯度,结合第一步的反演结果使用流-固边界耦合方程反演横波速度.最后通过与声波动方程数值模拟结果对比证明正演算法的准确性;上覆流体的Marmousi-2模型的数值试验测试说明反演方法的有效性和适应性.     

双相介质地震波场数值模拟的迭积微分算子及其PML边界条件

将基于计算数学中Forsyte 广义正交多项式的迭积微分算子引入到地震波动方程的一阶速度--应力方程的空间微分运算中去,并采用时间错格有限差分算子替代传统的差分算子以匹配高精度的空间迭积微分算子,从而发展一种全新的地震波场正演模拟方法,来解决复杂非均匀介质模型中的波场传播问题.为了大幅衰减人工边界引起的反射,本文将完全匹配层(Perfectly Matched Layer,PML)吸收边界条件引入到所构建的方法中,以解决迭积微分算子法的边界问题.以二维波动方程为例,用迭积微分算子法实现了双相介质的地震波场正演模拟,模拟结果表明,双相介质模型较好地解释了含流体孔隙特性.同时也表明迭积微分算子法是一种非常实用、有效的数值模拟方法.     

各向异性双相介质弹性波场褶积算法数值模拟

从各向同性介质中波场数值模拟的褶积微分算子法出发,推导出了各向异性双相介质中波场传播数值计算的褶积新算法.将常见的二阶微分Biot波动方程用等效的一阶速度—应力双曲方程表示,其中未知的波场向量包括固相和流体的速度分量和应力分量,由此对方程的时间项使用交错网格差分方法计算,而对空间项则采用褶积微分算法进行求解.对各向异性双相介质在单层介质模型和双层介质模型中的波场特征进行了研究.研究的结果显示,在两层介质分界面上当地震波产生反射时能观测到两类纵波和横波,并且在衰减系数大的介质里慢纵波很难见到.     

VTI介质纯P波混合法正演模拟及稳定性分析

各向异性介质纯P波方程完全不受横波的干扰,在一定程度上可以减缓由于介质各向异性引起的数值不稳定,本文推导了具有垂直对称轴的横向各向同性(VTI)介质纯P波一阶速度-应力方程.由于纯P波方程存在一个分数形式的伪微分算子,无法直接采用有限差分法求解.针对该问题,本文采用伪谱法和高阶有限差分法联合求解波动方程,重点分析了混合法求解纯P波一阶速度-应力方程的稳定性问题,并给出了混合法求解纯P波方程的稳定性条件.数值模拟结果表明纯P波方程伪谱法和高阶有限差分混合法能够进行复杂介质的正演模拟,在强变速度、变密度的地球介质中仍然具有较好的稳定性.     

非均匀TI介质P-SV波传播交错网格高阶有限差分数值模拟

给出了在非均匀横向各向同性(TI)介质情况下,四阶时间精度、高阶空间精度的一阶速度-应力P-SV波的波动方程交错网格有限差分解法.首先根据一阶速度(应力)波动方程把速度(应力)对时间的一阶和三阶导数转换为应力(速度)对空间的导数,从而在使用四阶时间精度有限差分格式计算某一时刻的波场时只需要前面两个时间步的波场值;然后在空间上采用高阶有限差分格式以提高数值模拟的精度.数值模拟结果和实测垂直地震剖面(VSP)记录符合得很好,说明该方法是可行的.     

复杂固-液介质的速度应力方程三角形单元间断伽辽金地震波模拟算法

间断伽辽金法可用于存在复杂边界条件的模型,同时具有高阶精度和易于并行计算的优点,因此近年来在地震波传播模拟研究中得到了快速发展.数值通量是间断伽辽金法的关键组成部分之一.相比于其他通量,基于Rankine-Hugoniot跳跃条件的通量(RH-condition通量)在固体和液体介质边界具有更宽的稳定性,可以使用更大的时间步长,尤其是液体和固体之间的波阻抗差异较大时.它已被用于基于四边形网格和速度-应变方程的间断伽辽金地震波固液介质模拟.本文为了模拟陆地自然水体等存在复杂固-液界面形状的地震波传播,并在未来与其他数值方法耦合,发展了基于三角形网格的RH-condition通量间断伽辽金方法,使用一阶速度-压力声波和一阶速度-应力弹性波方程模拟复杂固-液介质中地震波的传播.通过水平层状和sin型起伏固-液模型,验证了该方法模拟结果的准确性.通过数值模拟展示了所提出的间断伽辽金法在不同网格大小和阶数下的准确性和效率.最后通过一个复杂模型的例子表明存在复杂固-液界面时该方法可以准确施加固-液边界条件.     

交错网格高阶差分法三维弹性波数值模拟

本文应用交错网格高阶有限差分方法模拟弹性波在三维各向同性介质中的传播。采用时间上二阶、空间上高阶近似的交错网格高阶差分公式求解三维弹性波位移-应力方程,并在计算边界处应用基于傍轴近似法得到的三维弹性波方程吸收边界条件。在此基础上进行了三维盐丘地质模型的地震波传播数值模拟试算。试算结果表明该方法模拟精度高,在很大程度上减小了数值频散,绕射波更加丰富,而且适用于介质速度具有纵向变化和横向变化的情况。     

改进的高精度拟谱微分方法及其在三维非均匀介质地震传播研究中的应用

改进了用于模拟地震波场的傅里叶拟谱微分方法,改进后的方法精度是常规拟谱方法的4倍,称为改进的傅里叶拟谱方法.在较高数值精度的一阶应力-速度弹性波动方程的基础上,采用该方法和常规拟谱方法对Marmousi模型进行数值求解,结果表明,该方法的数值频散效应明显比常规拟谱方法弱.将该方法与有限元方法在各向异性介质中进行模拟比较,发现该方法的精度接近有限元方法,数值频散效应比有限元方法明显减小,而且可在较大空间网格间距下进行计算,从而提高计算效率.在3-D非均匀介质中的地震波传播数值模拟结果表明,该方法是一种研究复杂非均匀介质中地震波传播问题的高效方法.     

粘弹性介质地震波传播的褶积微分算子法数值模拟研究

早期的褶积微分算子法都是基于正反傅立叶变换而实现的,其精度比四阶有限差分稍高。本文将计算数学中的Forsyte广义正交多项式微分算子与褶积算子相结合,构建了一个新的快速、高精度褶积微分算子,其计算结果非常接近实验函数微分的精确值,精度与l6阶有限差分相当。粘弹性波动方程更真实地描述了实际地下介质中弹性波的传播规律及其波场特征。本文以二维粘弹性波动方程为例,推导了粘弹性介质波动方程的离散格式,用迭积微分算子法实现了粘弹性介质的地震波场正演模拟,并对其波传播特征进行了分析。计算结果表明该算法能正确模拟粘弹性介质中的地震波,正确地反映粘弹性介质中波场的传播规律。     

A discontinuous Galerkin method for seismic wave propagation in coupled elastic and poroelastic media

Numerical simulation in coupled elastic and poroelastic media is important in oil and gas exploration. However, the interface between elastic and poroelastic media is a challenge to handle. In order to deal with the coupled model, the first-order velocity–stress wave equations are used to unify the elastic and poroelastic wave equations. In addition, an arbitrary high-order discontinuous Galerkin method is used to simulate the wave propagation in coupled elastic–poroelastic media, which achieves same order accuracy in time and space domain simultaneously. The interfaces between the two media are explicitly tackled by the Godunov numerical flux. The proposed forms of numerical flux can be used efficiently and conveniently to simulate the wave propagation at the interfaces of the coupled model and handle the absorbing boundary conditions properly. Numerical results on coupled elastic–poroelastic media with straight and curved interfaces are compared with those from a software that is based on finite element method and the interfaces are handled by boundary conditions, demonstrating the feasibility of the proposed scheme in dealing with coupled elastic–poroelastic media. In addition, the proposed method is used to simulate a more complex coupled model. The numerical results show that the proposed method is feasible to simulate the wave propagation in such a media and is easy to implement.     

A nearly analytic exponential time difference method for solving 2D seismic wave equations

In this paper, we propose a nearly analytic exponential time difference (NETD) method for solving the 2D acoustic and elastic wave equations. In this method, we use the nearly analytic discrete operator to approximate the high-order spatial differential operators and transform the seismic wave equations into semi-discrete ordinary differential equations (ODEs). Then, the converted ODE system is solved by the exponential time difference (ETD) method. We investigate the properties of NETD in detail, including the stability condition for 1-D and 2-D cases, the theoretical and relative errors, the numerical dispersion relation for the 2-D acoustic case, and the computational efficiency. In order to further validate the method, we apply it to simulating acoustic/elastic wave propagation in multilayer models which have strong contrasts and complex heterogeneous media, e.g., the SEG model and the Marmousi model. From our theoretical analyses and numerical results, the NETD can suppress numerical dispersion effectively by using the displacement and gradient to approximate the high-order spatial derivatives. In addition, because NETD is based on the structure of the Lie group method which preserves the quantitative properties of differential equations, it can achieve more accurate results than the classical methods.     

Pure acoustic wave propagation in transversely isotropic media by the pseudospectral method

Seismic wave propagation in transversely isotropic (TI) media is commonly described by a set of coupled partial differential equations, derived from the acoustic approximation. These equations produce pure P‐wave responses in elliptically anisotropic media but generate undesired shear‐wave components for more general TI anisotropy. Furthermore, these equations suffer from instabilities when the anisotropy parameter ε is less than δ. One solution to both problems is to use pure acoustic anisotropic wave equations, which can produce pure P‐waves without any shear‐wave contaminations in both elliptical and anelliptical TI media. In this paper, we propose a new pure acoustic transversely isotropic wave equation, which can be conveniently solved using the pseudospectral method. Like most other pure acoustic anisotropic wave equations, our equation involves complicated pseudo‐differential operators in space which are difficult to handle using the finite difference method. The advantage of our equation is that all of its model parameters are separable from the spatial differential and pseudo‐differential operators; therefore, the pseudospectral method can be directly applied. We use phase velocity analysis to show that our equation, expressed in a summation form, can be properly truncated to achieve the desired accuracy according to anisotropy strength. This flexibility allows us to save computational time by choosing the right number of summation terms for a given model. We use numerical examples to demonstrate that this new pure acoustic wave equation can produce highly accurate results, completely free from shear‐wave artefacts. This equation can be straightforwardly generalized to tilted TI media.     

黏滞声波地震波场模拟的SG-ONADM混合方法

交错网格方法（SG）和最优近似解析离散化方法（ONADM）是两类典型的地震波场数值模拟方法.两类方法各有其优势,相对于ONADM方法,SG方法在单个时间层内的计算更为简单;相对于SG方法,ONADM方法可以在较大空间步长条件下有效压制数值频散.结合两种方法的优势,本文提出了一种新的地震波场模拟方法（SG-ONADM）.该方法对控制方程中的一阶偏导数采用SG方法给出的一阶偏导数近似公式,高阶偏导数采用ONADM方法给出的高阶偏导数逼近公式.理论分析及数值算例表明,SG-ONADM方法保留了两种方法的优势,不仅能在较大空间步长条件下有效压制数值频散,同时具有较低的内存需求量;在对同一计算区域进行波场模拟时,SG-ONADM方法的计算效率要高于SG方法和ONADM方法.最后,我们使用SG-ONADM方法进行黏滞声波波场模拟,研究了黏滞声波在复杂介质中的传播.     

三维介质中速度结构和界面的联合成像

根据波逆行原理推导了三维介质中地震波射线走时对界面偏导数的完整基本关系式,并对基本关系式进行简化,得到其在二维和一维介质中的关系式. 给出了任意多个复杂界面情况下,反演时所需的走时对界面偏导数系数矩阵. 为了检验三维介质中速度和界面联合成像理论的有效性,进行了数值模拟计算,很好地对三维速度结构和界面进行了重建.     

求解二阶解耦弹性波方程的低秩分解法和低秩有限差分法

时间域的波场延拓方法在本质上都可以归结为对一个空间-波数域算子的近似.本文基于一阶波数-空间混合域象征,提出一种新的方法求解解耦的二阶位移弹性波方程.该方法采用交错网格,连续使用两次一阶前向和后向拟微分算子,推导得到了解耦的二阶位移弹性波方程的波场延拓算子.由于该混合域象征在伪谱算子的基础上增加了一个依赖于速度模型的补偿项,可以补偿由于采用二阶中心差分计算时间微分项带来的误差,有效地减少模拟结果的数值频散,提高模拟精度.然而,在非均匀介质中,直接计算该二阶的波场延拓算子,每一个时间步上需要做N次快速傅里叶逆变换,其中N是总的网格点数.为了减少计算量,提出了交错网格低秩分解方法;针对常规有限差分数值频散问题,本文将交错网格低秩方法与有限差分法结合,提出了交错网格低秩有限差分法.数值结果表明,交错网格低秩方法和交错网格低秩有限差分法具有较高的精度,对于复杂介质的地震波数值模拟和偏移成像具有重要的价值.     

双相介质中地震波的频率-空间域数值模拟

本文利用优化的25点频率-空间域有限差分算法对基于BISQ模型双相各向同性介质中的地震波进行了数值模拟.通过与经典的Biot模型理论模拟结果进行对比,分析了Biot流动（宏观流体流动）和Squirt流动（微观流体流动）耦合作用对地震波在孔隙介质中传播特性的影响.数值模拟在地震频段进行,结果显示：在理想相界和黏滞相界情况下,Squirt流动机制都比Biot流动机制产生了更大的速度频散和能量衰减.其中,在Biot流动和Squirt流动耦合作用下的快P波的速度和振幅小于仅考虑Biot流动影响下快P波速度和振幅,而且慢P波的衰减也更加强烈.本文还研究了地震波在双层双相各向同性介质分界面处的反射和透射特征,双相介质中波的反射与透射现象类似于单相介质的情况.模拟结果表明,利用优化25点频率-空间域有限差分法模拟双相孔隙介质中的地震波场是可行的,这为开展双相孔隙介质全波形反演问题的研究提供了可能.     

带正则化校正的TTI介质qP波方程及其逆时偏移方法和应用

各向异性研究对地下介质精确成像有着重要的意义,在当前计算机硬件迅速发展及宽方位地震数据采集日益普遍的情况下,成像必须考虑介质的各向异性.逆时偏移是基于双程波动方程的较为精确的数值解的成像方法,所以相对于其他地震成像方法,它具有很大的优势,譬如不受反射界面的倾角限制、偏移速度结构合适时能够使回转波及多次波正确成像.在各向同性介质中,可使用标量波方程来模拟波场.而在各向异性介质中,P波和SV波是相互耦合的,即不存在单纯的标量波传播,通常利用能代表耦合波场中P波分量运动学特征的拟声波(qP波)进行偏移成像.本文中,我们推导出了TTI介质下qP波控制方程.该方程可采用显式有限差分格式进行求解.通过声学近似,若沿对称轴方向的剪切波速度为零,对于对称轴方向不变且ε≥δ的模型来说,可得到稳定的数值解.但对于TTI介质来说,由于沿对称轴方向各向异性参数是变化的,声学近似会引起波场传播及数值计算的不稳定.因此,我们提出了正则化有限横波的方法,很好地解决了这一问题.最后,给出了Foothill模型的测试结果及某探区实际资料试算结果,展示了采用这个方程进行复杂TTI模型正演和高质量逆时偏移成像结果,证实了该方法的正确性和实际资料应用中的有效性.     

Finite-difference modeling of surface waves in poroelastic media and stress mirror conditions

During seismic wave propagation on a free surface, a strong material contrast boundary develops in response to interference by P- and S- waves to create a surfacewave phenomenon. To accurately determine the effects of this interface on surface-wave propagation, the boundary conditions must be accurately modeled. In this paper, we present a numerical approach based on the dynamic poroelasticity for a space–time-domain staggeredgrid finite-difference simulation in porous media that contain a free-surface boundary. We propose a generalized stess mirror formulation of the free-surface boundary for solids and fluids in porous media for the grid mesh on which lays the free-surface plane. Its analog is that used for elastic media, which is suitable for precise and stable Rayleigh-type surface-wave modeling. The results of our analysis of first kind of Rayleigh (R1) waves obtained by this model demonstrate that the discretization of the mesh in a similar way to that for elastic media can realize stable numerical solutions with acceptable precision. We present numerical examples demonstrating the efficiency and accuracy of our proposed method.