旋转交错网格TTI介质波场模拟与波场分解

为了得到TTI介质中传播的纯纵波和纯横波波场,采用旋转交错网格高阶有限差分法对TTI介质中传播的地震波场进行了数值模拟,并利用q P波、q SV波、SH波的极化方向相互垂直的特性,来实现q P波、q SV波、SH波的分解。通过对均匀介质模型和复杂层状介质模型分解前后波场快照和地震记录的对比,验证了本文方法的正确性。     

粘弹性介质中跨孔波场的交错网格有限差分法正演模拟

井间地震正演模拟技术是研究地震波在井间传播规律的重要手段之一,可以帮助认识井间地震的复杂波场.从二维井间地震波传播波动方程出发,结合初始、边界条件,推导出了交错网格任意偶阶精度差分格式,阐述了非均匀差分网格的实现方法.在此基础上,编制了跨孔波场交错网格有限差分正演程序,并应用该程序对半空间粘弹性跨孔模型进行了正演计算,得到了震源在不同位置时的波场快照及地震记录图.这对于跨孔模型波传播规律的研究,具有重要意义.     

旋转交错网格VTI介质波场模拟与波场分解

通过旋转交错网格高阶有限差分法对一阶速度应力弹性波动方程进行了波场模拟,将耦合的纵、横波场分别投影到纵波、横波的极化向量上纵、横波的分离,然后将分离之后的纵波、横波场按照矢量极化向量的比例再分配,达到了将纵、横波场分解,分解之后矢量波场的和与分离分解之前的矢量波场的和相等。由于分离分解是在旋转交错网格下进行的,因此不需要对波场进行近似或插值处理,提高了波场分解的精度。通过对均匀介质模型和复杂层状介质模型分解前、后波场快照与地震记录的对比,验证了该方法的正确性。波场分离分解技术能够加强对地震波传播规律的认识,具有重要的理论意义。     

高阶交错网格有限差分弹性波场模拟的精度分析

交错网格波场数值模拟是目前地震正演中广泛使用的方法,为对比分析不同阶数的差分格式下产生的计算效率和精度差异,重新推导了弹性波方程的4种时间4阶、空间2N阶的差分公式及系数,并计算了他们的稳定性条件。利用这4种差分格式进行弹性波场数值模拟,对比分析了波场快照、合成地震记录及CPU时间。结果表明:时间4阶、空间6+6阶精度的交错网格有限差分方法在进行地震波场数值模拟时具有较高的计算精度和计算效率。      

三维方位各向异性介质数值模拟及波场分析

采用交错网格技术将速度-应力方程中的速度对时间的导数转化为应力对空间的导数, 将弹性波动方程表示为与二阶双曲方程等价的一阶应力-速度公式, 以实现三维三分量地震波场模拟。对获得的波场快照、VSP记录图像和地面记录图像进行波场分析, 发现在波场图像中存在明显的拟P波、拟快横波和慢横波, 还出现了横波分裂、横波分裂盲区及波面三分叉等地震波在方位各向异性介质传播时产生的特殊现象。研究结果表明, 用交错网格三维模拟方法研究方位各向异性介质对方位各向异性介质中地震波传播反演能起到很强的辅助作用。     

传统和旋转交错网格有限差分在双相介质中的模拟对比

以Biot双相介质模型为背景,笔者推导了双相各向同性介质二维三分量一阶速度——应力弹性波方程方程,建立了各向同性双相介质波动方程的二维三分量有限差分格式。分别采用传统交错网格有限差分技术和旋转交错网格有限差分技术对均匀和非均匀双相各向同性介质进行了波场模拟。结果表明,旋转交错网格有限差分技术能够有效模拟双相各向同性介质中弹性波的传播情况;通过传统和旋转交错网格有限差分技术的对比,说明了旋转交错网格有限差分算法的稳定性更强,避免了插值带来的误差,是一种有效的地震波场模拟方法。     

基于卷积完全匹配层的旋转交错网格高阶差分法模拟弹性波传播

从一阶速度—应力弹性波方程出发,基于旋转交错网格,推导了时间二阶精度空间2M阶精度的有限差分离散格式。阐述了递归卷积复频移完全匹配层(CPML)边界条件的原理,建立了一阶速度—应力弹性波高阶差分CPML边界条件的递推公式。开展了CPML边界中关键参数m、κ和α的选取实验,通过分析反射误差分布图,选取了CPML边界条件中最优参数。全局反射误差与波场快照都说明,CPML较PML对隐失波具有更优的吸收性能。基于Matlab平台,编写了基于CPML边界的旋转交错网格弹性波正演模拟程序,应用该程序对各向异性介质及随机介质进行了模拟,得到了弹性波正演剖面记录及波场快照,通过对正演剖面记录及波场快照的分析,可以更清楚地了解弹性波在各向异性介质及随机介质的传播特性,指导非均匀介质中地震勘探资料解释。     

基于PML边界下的弹性及黏弹性TTI介质波场模拟

基于一阶速度-应力波动方程,采用高阶交错网格有限差分数值模拟方法,对弹性及黏弹性TTI介质进行正演数值模拟。模拟时采用完全匹配层吸收边界条件(PML)消除边界反射。同时设计了层状介质模型、断层模型,通过模型的正演计算,得到了不同时刻的地震波波场快照及合成地震记录,分析其波场运动学及动力学特征。模拟结果表明,交错网格有限差分法可以很好地完成对复杂介质的波场模拟,具有较高的精度和可靠性。     

基于改进型TSP观测装置的地震波场数值模拟

随着隧道技术的快速发展,工程上对地质超前预报的可行性和准确性也提出了更高的要求。首先分析了现有以及改进后的定向探测系统的优缺点;然后利用一阶速度—应力弹性波动方程和高阶交错网格法,导出用于改进后的TSP地震波场数值模拟的差分计算方程,并构建倾斜软弱夹层和空洞地质模型,对上述模型进行正演模拟,获得相应的波场快照和单炮记录,进而对地震波场进行分析。结果表明:改进后的TSP观测装置易于实现;有限差分法可有效地模拟改进后的TSP地震波场,其模拟结果清晰可靠地揭示了隧道地质中地震波的传播规律。     

地震波的有限差分法正演模拟

基于波动方程的地震波正演模拟能够准确揭示波在介质中传播的振幅、频率与相位变化,真实地反映出波的动力学特征。有限差分法因其精度高、计算效率高而成为波场数值模拟的一个重要方法。根据地震波的近似方程———声波方程,采用二阶有限差分网格数值算法,利用透明边界条件,设计典型地质模型,进行地面波场的地震记录模拟。通过稳定性条件分析、震源子波优选以及频散抑制,成功合成了倾斜地层模型与正断层模型的地面共炮点波场记录,直观地显示出直达波、反射波、绕射波等丰富的波场信息,获取各模型的波场快照。结果表明,有限差分法结合透明边界条件对于获取介质丰富的波场信息具有很大的优势。     

含煤地层各向异性介质有限差分数值模拟

煤储层是一种双重孔隙介质,其孔隙由基质孔隙和裂隙组成,并具有自身独特的割理系统。传统的煤田地震勘探将煤层假设为单一的各向同性介质,没有考虑其中裂隙对煤层的影响。利用交错网格高阶有限差分算法,分别对不同厚度VTI和HTI型煤层的弹性波传播特征进行数值模拟,获得波场快照和含煤层状介质的地震模拟记录。从波场快照中可以看出,弹性波在VTI和HTI型煤层中传播存在明显差异;煤层厚度变化对波场的敏感性要强于煤层类型的变化。      

TTI介质变网格模拟的菱形网格技术

数值模拟是研究地震波传播机理的重要工具,也是地震资料采集、处理、和反演领域的重要内容。基于常规矩形网格或交错网格的差分算法存在模拟精度和计算量之间的矛盾,变网格技术可以缓解这一矛盾,但对于TTI介质,常规变网格、变系数差分算法无法实现各分量的交错对应,旋转网格与旋转交错网格技术存在同样的问题。针对上述问题,提出了一种适用于TTI介质正演的新方法:即菱形交错网格剖分法,并给出了基于菱形交错网格的变系数、变网格方法,实现了TTI介质中弹性波场的高精度模拟。     

煤巷地震超前探测合成记录的数值模拟方法研究

地震数值模拟技术是地震勘探方法研究的重要手段之一。应用地震波反射法探测技术,对巷道前方地质异常进行预报预测,可以更加有效地保证煤矿井下生产的安全。这里对弹性波动方程应用交错网格高阶有限差分技术,对巷道中的地震勘探技术进行数值模拟。采用的交错网格高阶差分技术网格频散小,PML使边界条件的处理简单而高效。通过不同的模型,模拟和研究井下地震波的传播情况,并对转换波的情况进行了对比。结果表明,该方法具有实现简单,精度高,稳定性好的特点。     

波动方程模拟PML吸收影响因素分析

地震数值模拟中,完全匹配层(PML)边界能有效地吸收衰减地震波,得到无边界反射干扰的波场快照和地震记录。在前人研究的基础上,进一步分析了分裂完全匹配层(SPML)的衰减机制,通过波动方程模拟,分析了震源主频、空间网格间距、介质速度等参数对SPML边界吸收衰减特征的影响。得到了不同条件下,PML边界对地震波的吸收效果。通过分析对比,得出了震源主频对PML吸收效果无直接影响,空间网格间距与PML吸收效果成反比,高速层PML吸收效果缓慢等结论。并通过Marmousi2模型测算,对结论进行了验证。最后给出了复杂模型、不同尺度数值模拟中SPML参数的选取方法,为地震数值模拟中SPML边界参数的定量选取奠定了基础。     

基于页面物理模拟的复杂介质地震波场特征分析

地震记录是地下介质的物性和形态变化的综合反映，对于金属矿等复杂介质地区做物理模拟时得到的地震记录的震相非常凌乱，直接对其进行解释是非常困难的。根据波场的更加原理，对原始设计的实验物理模型进行了分解和重新组合，制作了近似的页面物理模型来逐步逼近原始模型。通过分离模型地震记录的分析，准确地把握其波场特征，为实际的复杂介质模型地震波场的研究提供了依据，很好地解释了组合模型下地震波场的分析与识别问题。     

高阶旋转交错网格有限差分方法模拟TTI介质中横波分裂

笔者给出了一种能够模拟弹性波在任意各向异性介质中传播的二维三分量高阶有限差分算法.相对于常规交错网格有限差分方法,旋转交错网格有限差分方法在介质具有强差异性时能更精确地模拟地震波的传播,避免常规交错网格中因对弹性系数进行插值而带来的误差.采用高阶旋转交错网格有限差分方法模拟并分析了零偏移距横波分裂现象随裂缝介质方位角和倾角变化的响应特征.结果表明:结合完全匹配层(PML)吸收边界条件的高阶旋转交错网格有限差分方法能获得高精度的地震波场模拟数据,并且在边界具有良好的吸收效果;横波分裂现象主要受裂缝走向与波的极化方向之间的夹角影响,受裂缝倾角影响较小,且快慢横波的能量也跟裂缝走向与波极化方向间的夹角有关.具有倾斜对称轴的横向各向同性(TTI)介质倾角的变化可能会导致记录中波到达时的变化,影响快慢横波的时差.利用横波分裂的能量分布和方位各向异性特征,可以帮助检测裂缝的方位角和倾角.横波在多层TTI介质中传播时会发生多次分裂的现象.     

准P波方程紧致交错网格井间地震波场模拟及边界条件

研究井间地震波场的形成过程以及波场的传播机理、规律,对于指导实际井间地震勘探有着重要的意义.基于具有垂直对称轴的横向各向同性(VTI)介质中的一阶准P波方程,应用具有无条件稳定性质的紧致交错网格隐式差分格式求解该方程.重点研究了紧致交错网格求解该方程的完全匹配层(PML)吸收边界条件,在此基础上实现了VTI介质中一阶准P波方程的井间地震波场的正演模拟.数值算例表明:紧致交错网格能精准模拟VTI介质中准P波的传播过程,得到高精度的正演结果.一阶准P波方程能以足够的精度描述VTI介质中准P波特征.完全匹配层吸收边界能有效地解决人工边界问题,是一种高效的边界吸收算法.     

改进的FCT方法在粘滞各向异性介质地震波模拟中的研究

在地震勘探中,粘弹性各向异性介质相比弹性介质更能实际表征地下介质的性质,这里主要针对Kelvin模型从本构方程、几何方程和运动微分方程,推导其一阶应力速度方程,运用交错网格有限差分法对其进行数值模拟,研究该介质中地震波的波场特征与传播规律。同时分析了品质因子Q对地震波在振幅以及频率上的衰减、吸收作用的影响。在数值模拟中,使用交错网格算法必然会造成数值频散或假频现象,从而干扰数值模拟结果的正确性。为了提高数值模拟效果,对常规FCT(通量校正传输法)方法进行优化来压制频散,模拟实例证明,优化后的FCT方法要比常规FCT方法在消除频散方面更加有效,能有效地改善数值模拟精度。     

2.5维各向异性介质中地震波场数值模拟

这里实现了在2.5维各向异性介质中地震波传播的数值模拟。首先从2.5维一阶速度-应力弹性各向异性波动方程出发,得出了该方程的拟谱法数值解法;然后通过对Marmousi速度模型进行数值模拟,表明了拟谱法的有效性;最后计算并分析了均匀和混合各向异性介质中波的传播快照和理论模拟的地震记录,进一步认识了波在各向异性介质中的传播规律。     

煤矿巷道内地震勘探波场特征

为了研究巷道内地震波的波场特征,识别出波场中的各种波,利用交错网格高阶有限差分正演方法模拟了煤矿巷道内点震源激发及平面波震源激发产生的弹性波场。通过波场分析得出煤矿巷道内的共炮点道集中除了有常规地面地震中的各种波外,还有在巷道内上下界面的多次反射波和多次折射转换波,是巷道内地震勘探的主要干扰波。利用平面波震源在巷道内激发产生的波场中,巷道下方的空洞在平面波震源激发的地震记录上,其多次反射绕射波互相叠合在一起,表现为“糖葫芦”状的明显异常特征。这些都为巷道内地震勘探资料处理和解释提供了重要依据。