三维磁场有限元—无限元耦合数值模拟

利用传统有限单元法在有限空间范围内开展三维地球物理场正演模拟时,由于截断边界的影响,会引起局部异常的畸变,影响数值模拟的精度,对该问题通常采用扩边的办法加以解决,但需要的范围较大,从而大大增加运算成本,影响正演模拟效率。本文基于COMSOL Multiphysics软件,在求解域外部边界设置无限元以替代传统边界条件,达到减小计算区域目的。通过孤立球体和组合模型磁场正演模拟,考虑退磁、剩磁及地表起伏条件,与传统有限元方法相比,有限元—无限元耦合算法能够有效克服边界效应,提高计算精度,降低运算量,从而提高了有限单元法正演数值模拟效率。     

三维地电断面激发极化法有限元数值模拟

用有限单元法求解三维地电断面激发极化法正演模拟算法.首先给出了三维构造中点源电场异常电位的边值问题与变分问题, 简化无穷远边界上的边界条件以提高计算速度及计算精度.以此为基础计算视电阻率对模型电阻率的偏导数矩阵, 并进行三维地电断面激发极化法正演模拟, 与等效电阻率法相比节约了计算时间.对几例较典型的地电模型进行计算, 结果表明本方法是正确可行的.      

褶积微分算子法数值模拟的边界问题研究

褶积微分算子法是一种全新的数值模拟方法,已被广泛应用于复杂介质的地震波场数值模拟,但是其边界反射问题一直没有解决。这里将最佳匹配层(PML)吸收边界条件引入到褶积微分算子法中,此方法是在研究区域的边界上加入吸收层,使边界上传入吸收层的波,随传播距离按指数规律衰减,不产生任何反射,以达到消除边界反射的目的。构造不同的模型,通过对比分析证明,PML吸收边界条件能比较好地解决褶积微分算子法的边界问题,从而验证了完全匹配层吸收效果的优越性。     

VTI介质中弹性波方程正演的一阶混合吸收边界

波动方程正演是研究地震波在地下介质中的传播机理以及提高地震资料采集、处理、解释精度和效果的重要工具,截断边界的处理是波动方程正演的重要研究内容。针对在地震数值模拟中常用的三种(吸收)边界处理方法存在的不足与问题,提出了适用于VTI介质中弹性波动方程正演的一阶混合吸收边界条件,并给出了该方法在过渡区域的线性叠加系数公式。数值模拟实验表明:相同条件下,VTI介质一阶混合吸收边界方法不仅在吸收效果方面优于常规的PML边界条件,而且在存储量和计算效率方面也具有较大优势。     

用伪谱法合成零偏移距地震记录

零偏移距地震记录是叠后偏移的基础,常用射线追踪法来制作,但当介质复杂时,射线会出现交叉现象,对三维情况计算量更大。从二维标量波动方程出发,用伪谱法研究了零偏移距地震记录的合成,给出了不同情况下的数值计算公式,并对边界吸收问题作了有效处理。数值计算结果表明了方法的正确性和有效性。该方法可用于偏移中正演模拟的快速计算,且易推广到三维情形。     

点源二维电法正演的有限单元法

点源二维任意地电断面电阻率法的正演计算是电法勘探中的一个重要问题。对于这个问题,我们已经实现了有限差分方法的计算,获得了较好的效果。有限单元法是解决电法正演计算又一重要途径,在1971年Coggon首先将有限单元法引进到电法正演的模拟计算中来,以后Rijo等人又发展了这一方法,有限单元法进行电阻率法正演计算的优点,是比较容易拟合实际复杂的地电断电和起伏不平的地形。在实现点源二维地电断面视电阻率异常正演计算的有限单元法中,我们将混合边界条件引入求解,并采朋了若干优化措施,使有限单元法计算视电阻率异常的精度和速度均有进一步提高,获得较好的计算效果。在文献中我们简单地介绍了这个方法,下面我们较详细     

边界元法及其在物探工作中的应用

边界元法在数值解法中利用拉普拉斯方程的基本解和格林公式,简单易行,可以解决物性参数分区均匀的一类正演问题(电法和重、磁法勘探问题),也可计算向上延拓.特别是将它与有限元法结合,解决复杂边值问题,可取得较理想的效果. 边界元法的基本计算方法有直接法和间接法两种. 边界元法的直接法现以磁法勘探正问题为例来说明. 解磁法正问题可归结为在求解区域Ω上解拉普拉斯方程的边值问题,并可用边界元法求解,     

瑞利面波数值模拟中的PML吸收边界条件

建立了弹性介质情况下完全匹配层(PML)吸收边界的2×12阶速度-应力交错网格有限差分算法,讨论了PML吸收边界条件的构建及其有限差分算法实现.通过与未加吸收边界及加常规指数衰减吸收边界3种情况下比较的波场模拟计算表明, PML吸收边界具有吸收更干净且能够吸收各种角度的边界反射等优点,其吸收率(吸收能量与未吸收能量之比)达到99.99%,很好地消除了周期折叠效应,使得所要计算的波场特征变得非常清晰,瑞利面波清楚地显示在波形记录上.     

三维探地雷达数值模拟中UPML边界研究

应用时域有限差分进行探地雷达正演计算时,边界条件的吸收效果是提高雷达波响应模拟精度的关键因素之一。这里推导出了三维各向异性完全匹配空间UPML吸收边界的计算公式,并编程实现。模拟结果表明:UPML吸收边界在吸收效果,反射误差及计算效率等方面,都明显优于常用的Mur、PML吸收边界,具有较好的模拟效果。采用三维UPML边界的时域有限差法,可以提高探地雷达正演模拟的可靠性、准确度。     

非均匀弹性介质地震波场伪谱法正演模拟

基于一阶速度—应力弹性波波动方程,利用傅里叶变换将空间导数变换到频率域求解,对介质波场进行正演模拟。本文结合实际勘探中可能存在的地质问题,设计了多种地质模型,包括背斜模型、向斜模型、透镜体模型和断层--侵入体模型等,进行了伪谱法地震波场正演模拟、合成地震记录的实现,并分析了其波场动力学变化特征。结果表明,应用伪谱法对复杂模型的模拟有较高的精度和可靠性,可直接用于辅助地震野外工作设计、反演解释和资料解释等工作。     

A New Differentiation Operator for Seismic Wave Equation

1. Introduction The pseudospcetral (PS) method was employed in the calculations for fluid dynamics (Orszag, 1972). The method has also been employed widely in the simulations of acoustic wave and elastic wave equations because of its high accuracy and efficiency in use of the computer memory compared with the other discrete numerical method (Kosloff and Kosloff, 1982; Fornberg, 1987; Reshef et al., 1988). The time differentiation in the PS method is generally performed by using a second or…     

曲线坐标系下的完全匹配层吸收边界条件

在地震波数值模拟中,需要采用吸收边界条件以吸收人为边界反射。本文针对曲线坐标系下的二阶弹性波方程提出了一种完全匹配层(PML)吸收边界条件。与直角坐标系下的PML吸收边界条件类似,曲线坐标系下的PML吸收边界条件是一种在频率域中给出的人工边界条件,由相应的复坐标变换得到。在变换到时间域后,完全匹配层中将出现复杂的卷积运算。为了避免这些卷积运算,引入了4个中间变量。为了简化自由边界条件,采用正交贴体网格对起伏地表模型进行网格剖分。数值算例表明,该方法可以有效消除人为边界反射。     

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。     

实现复频移完全匹配层吸收边界条件的递推卷积方法

完全匹配层吸收边界（PML）已经被证明是非常有效的边界吸收技术,对体波和面波的吸收都具有非常好的效果,已经被广泛应用于弹性波的数值模拟中。但是在某些情况下传统的PML技术还是存在一定的问题,比如对掠射情况下的体波和窄区域自由表面条件下的面波的吸收等等。在坐标变换中采用复频移拉伸函数的复频移PML可以有效地改善PML边界条件的吸收性能。基于弹性波一阶速度-应力方程,推导了复频移PML的递推卷积实现方法,并采用交错网格高阶有限差分法对其进行了数值模拟,与传统的PML进行了对比。结果表明：传统的PML对掠射情况下的体波和窄区域自由表面条件下的面波吸收不足,会产生虚假反射,影响真实波场;而基于递推卷积的复频移PML算法能够有效地改善困难情况下的吸收效果,并且在实现过程中不用分裂变量,应用更加方便简单。计算卷积时采用递推的形式,推导过程直观易懂,易于编程,而且不会增加计算量,存储量也没有太大的变化。     

地质雷达正演中的频散压制和吸收边界改进方法

从麦克斯韦方程组出发,建立了地质雷达的时域有限差分法（ＦＤＴＤ）数学模型,导出了理想 散关系和超级吸收边界条件。理想频散关系 考虑了ＦＤＴＤ法的收敛性和稳定性,也考虑了高频电磁波在Ｙｅｅ氏网格中的传播特点;超吸收边界条件则用磁场分量来提高电场分量精度。数值试验表明,理想频散关系能真实地反映雷达波在地下介质中的传播规律,超吸收边界条件能有效减小截断边界的伪反射,提高正演精度。将之应用于实际计算,取得     

反转构造模型的地震波模拟及成像

为了检验由地震剖面解释得出的反转构造的可靠性,探讨反转构造地区在地震数据采集,处理中应采用的有效方法,设计了一个典型的反转构造模型－突起构造。以该模型为基础,针对复杂构造地震波模拟中常见起源频散严重、人为边界反射吸收不理想两个问题,应用高阶差分法以及一种新的边界吸收条件,对反转模型进行了地震波场数值模拟和深度偏移成像处理。采用中心放炮两边接收的观测方式,共模拟了185炮地震记录。研究表明,波动方程高阶差分法是模拟复杂构造模型中地震波传播的有效方法,除了近于直立的断层因难以接收到其反射波而较难成像外,其余的反转断层及其组合在理论上是可以通过合适方法（如Fourier有限差分深度偏移）较好地成像的。     

频率域单程方程三维叠前正演中的波场替换

利用定位原理进行三维叠前正演,仅靠单程声波方程的延拓即可形成复杂地质条件下的正演记录,运算效率高无多次反射出现。但速度模型中对于过大或过小的速度常使波场在延拓时有频率和波数成分的损失,这种损失引起波场畸变并严重影响正演记录的质量。本文采用波场替换技术,在每次延拓时用零相位子波形成一个同时保留了原波场的动力学特征与空间位置信息的新波场,然后用新波场取代原畸变波场并参与正演记录合成。在频率域单程方程三维叠前正演中特别适合做波场替换,因为震源脉冲与接收响应(均可视为点脉冲)的延拓波场在形态上相似,而且在延拓波场中每道记录之振幅包络只有一个极值点。理论试算结果表明,采用波场替换技术后最终正演记录质量比替换前有了很大改善。      

利用时间分裂的错格伪谱法模拟地震波在基于改进BISQ模型的双相介质中的传播

改进的BISQ(Biot-Squirt)模型中各参数具有明确的物理意义和可实现性,在不引入特征喷流长度的情况下可将Biot流动和喷射流动两种力学机制有机地结合起来;而高精度的地震波场数值模拟技术是研究双相介质地震波传播规律的重要手段。本文从本构方程、动力学方程和动力学达西定律出发,推导了基于改进BISQ模型的双相各向同性介质的一阶速度--应力方程组;采用时间分裂错格伪谱法求该方程组的数值解,模拟半空间及层状双相介质中的地震波场。数值模拟结果表明:①与传统方法相比,时间分裂错格伪谱法波场数值模拟的精度更高,压制网格频散效果更好;②在非黏滞相界情况下,慢纵波呈传播性,而在黏滞相界情况下,慢纵波呈扩散性,以静态模式出现在震源位置;③双相介质分界面处,各类波型复杂的反射透射规律可由数值模拟结果清晰展现。     

高效优化非分裂PML边界二阶标量波方程数值模拟方法

卷积完全匹配层（convolution perfectly matched layer,CPML）吸收边界是一种高效处理波动方程数值模拟中人工边界反射波的方法。本文基于传统的一阶系统CPML吸收边界条件推广并推导了新的二阶系统CPML边界条件（NCPML）。与常规二阶系统CPML边界条件不同,新边界条件推导的核心思想是在复数-频率域中忽略部分衰减因子空间变化特性,避免其在时间域产生复杂卷积算子,然后反变换至时间域得到基于CPML吸收条件的二阶标量波方程,并应用于二阶标量波方程数值模拟。均匀介质模型测试验证了NCPML吸收条件在内存使用上相对于常规二阶系统CPML与SPML（split PML）吸收条件更少。在对人工边界反射的吸收效果上,NCPML稍逊色于常规二阶系统CPML,但二者均相对于SPML优势明显。最后通过层状模型和Marmousi模型测试验证了NCPML的稳定性及其在效率上的优势。