基于插值原理的检查点技术波场重构与叠前逆时偏移

叠前逆时偏移等基于波场互相关原理的地球物理方法存在极大的计算与存储需求,因此采用合适的波场重构方法显得尤为重要.常规的随机边界法容易产生成像噪声,而有效边界法在三维情况仍难以实现,检查点技术具有内存要求小的特点,但存在较高的重算率,因此本文提出了插值原理的检查点技术波场重构方法.在满足Nyquist采样定理的前提下对相邻检查点间的波场进行规则抽样,将抽样波场作为插值节点,运用多项式插值算法重构任意时刻的波场,从而避免优化检查点技术反复递推造成的计算效率问题.数值实验表明：插值检查点重构算法能有效的恢复波场,其中三次样条插值重构精度最高,而牛顿法插值法计算代价较小适合于快速重构.经Sigsbee模型的叠前逆时偏移证明了插值算法的可行性,并且极大的提高了波场重构的计算效率.三维模型分析得出在增加少量存储的情况下插值重构法的重算率大幅度降低,存储量减少为有效边界法的7.1%,对于三维尺度的叠前逆时偏移有实际意义.     

三维弹性波数值模拟中的吸收边界条件

在地震波传播数值模拟的过程中,需要使用吸收边界条件从而达到衰减人为边界 反射的目的. 本文基于傍轴近似法提出了计算三维弹性波方程的吸收边界条件公式,表示了 各边界面、边棱和角点处波场所满足的单程波方程,并在三维弹性波数值模拟中进行了应用 . 理论模型及三维盐丘地质模型波场切片快照试算结果表明,该吸收边界条件可以有效地吸 收人为边界反射,适用于较大入射角情况,从而消除了边界有效波信息的干扰. 由于采用四 阶近似方程,在保证计算精度的前提下,该方法具有节省计算工作量和易于实现的特点.     

三维粘弹介质地震波场有限差分并行模拟

有限差分法在三维粘弹性复杂介质正演模拟地震波的传播中对计算机内存和计算速度要求比较高,单个PC机或工作站只能计算较少网格内短时间的波场。本文介绍一种基于MPI的并行有限差分法,可在PCCluster上模拟较大规模三维粘弹性复杂介质中地震波传播时的波场;可预测地震波在此类条件下传播时的运动学和动力学性质。对于更好地理解波动传播现象,解释实际地震资料及反问题的解决等均具有重要的理论与实际意义。     

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．     

基于耦合反射/透射系数单程波传播算子的地震波模拟研究

单程波近似实际上是一种多次前向散射和单次后向散射近似.利用单程波近似来描述波传播可以极大地节省地震数值模拟的计算时间和内存,实现地震波长距离传播模拟和三维地震模拟快速计算.本文基于单程波近似和波动积分方程的分离变量逼近,从广义Lippmann-Schwinger波动积分方程推导出耦合反射/透射系数的单程波传播算子.该算子由两部分构成：分离变量Fourier单程波传播算子和薄板间的反射/透射系数表达.前者将常规的Fourier分裂步单程波传播算子(SSF)推广适应横向强速度变化介质和大角度传播波场.后者是利用垂直波数来表示反射/透射系数,自然耦合到波场传播的计算过程中,其为地质界面倾角的隐式表达,精确描述振幅随入射角的变化,能适应任意复杂的模型.通过两个数值算例和一个实际地质模型的计算,本文将该方法和边界元法进行了比较,结果表明：在算例给出的介质横向速度变化情况下,本文提出的方法在相位和振幅方面与全波数值方法基本吻合.     

基于一步法波场延拓的正演模拟和逆时偏移成像

通常工业界实现逆时偏移算法时采用有限差分数值方法模拟地震波场,波场模拟常常受稳定性条件限制,且易产生数值频散,成像精度降低.本文引入了一步法波场延拓方法,首先构建声波传播算子,借助Chebyshev多项式和Jacobi-Anger展开式近似传播算子中的e指数项,进而实现波场递推,该方法时间步长的选取不受稳定性条件限制而且不存在空间频散现象.本文将一步法波场延拓方法用于逆时偏移成像的波场模拟,并提出双缓冲区存储策略,在不增加计算量的前提下,大幅降低了逆时偏移方法的波场存储量.波场模拟和逆时偏移成像测试表明,本文提出的一步法波场延拓方法模拟地震波场精度高,消除了频散影响,可在较大时间步长的情况下实现高精度波场模拟;提出的基于一步法波场延拓的逆时偏移方法成像质量好;基于双缓冲区存储策略的逆时偏移成像方法存储成本低.     

三维各向异性TI介质中的P/S波快速解耦技术及在弹性波逆时偏移中的应用

随着多分量采集技术的发展,弹性波逆时偏移技术在三维各向异性介质复杂地质构造成像中得到了广泛的应用.然而耦合的P波场和S波场,会在传播过程中产生串扰噪声,降低弹性波逆时偏移的成像精度.为了解决这一问题,本研究针对具有倾斜各向异性对称轴的三维横向各向同性(Transverse Isotropy, TI)介质,提出了一种矢量弹性波场快速解耦方法,可以有效提高偏移剖面的成像质量.该方法首先通过坐标转换,将观测系统坐标系的垂直轴旋转到TI介质的对称轴方向,在新坐标系下,根据具有垂直对称轴的三维横向各向同性(Vertical Transverse Isotropy, VTI)介质中的分解算子,推导出三维TI介质解耦算子表达式.接着引入一种在空间域快速计算分解波场的方法,来实现空间域矢量P波场和S波场分离,极大地提高了计算效率.最后,通过点积成像条件,将提出的P/S波分解方法引入到三维TI介质弹性波逆时偏移中,得到高精度的PP和PS成像.与以往的波场分解方法相比,本文方法具有数值稳定和计算效率高的特点.数值算例表明,应用上述三维TI分解算子得到的偏移剖面有效压制了噪声,提高了成像质量.     

热源激发重力波特征以及波流作用的数值模拟研究

本文在二维等温可压大气中引入了一个随时间和空间变化的热源扰动,分别以静止风和中纬1月份月平均向东的纬向风急流为背景,对不同背景下热源激发的重力波的传播详细过程及其特性进行了数值模拟研究.热源激发出来的重力波在初始阶段有很宽的频谱范围,随后由于重力波的传播效应,水平波长和垂直波长分布范围随时间都有所减小.顺风传播的重力波...     

斜入射平面SH波在层状半空间中沉积谷地周围的三维散射

采用直接刚度法计算自由场动力响应,以层状半空间中移动斜线均布荷载动力格林函数模拟散射波场,采用间接边界元方法求解了层状半空间中沉积谷地对斜入射平面SH波的三维散射问题.由于文中采用的层状场地三维动力刚度矩阵是精确的,且用于模拟散射波场的均布移动斜线荷载可以直接施加在沉积交界面处而不存在奇异性,所以本文方法具有很高精度.文中以均匀半空间和基岩上单一土层中沉积谷地对入射SH波的散射为例进行了数值计算,研究表明,沉积谷地对地震波的三维散射与二维散射之间存在本质差别;层状半空间中沉积谷地与均匀半空间中沉积谷地附近地表位移存在显著差异.     

瞬变电磁扩散场到虚拟波场的精细积分变换算法

现有的瞬变电磁解释与反演方法主要对电阻率参数进行解释,较难给出准确的地质构造信息.为了能够较多获得地质构造信息,可将瞬变电磁扩散场信号转换为虚拟波场信号,提高瞬变电磁法的分辨率.本文采用精细积分法,实现了瞬变电磁扩散场到虚拟波场的转换.将一个高度病态的线性方程组转换成求积分的过程,大大降低了解决病态问题的难度.积分步长以2的指数增加,在保证精度的前提下,具有极高的计算效率;设置合理的终止迭代条件,进一步提高本文方法的适用性.对典型地电模型的计算,表明本文方法具有较高的精度;减小两个波峰之间的距离,证明了本文方法具有较好的分辨能力;对含有噪声信号的扩散场进行波场反变换,证明了本文方法具有较好的抗噪性.最后计算三维模型和实测数据的虚拟波场,可以很好地反映出三维地质体的界面信息,证明本文方法稳定、可靠,可以对地下地质目标体的界面进行有效识别.本文方法相比预条件正则化共轭梯度法(PRCG),在计算效率方面提升了 4倍左右;本文方法的相对误差在5％以内,而PRCG的最大相对误差可达40％～50％,精度最高可提升10倍;在分辨率与稳定性方面,也表现出较好的效果.     

Coupling of finite element and optimization methods for the management of groundwater systems

The paper describes an optimization method for the solution of groundwater management problems. The method consists of a combination of the computation of horizontal plane groundwater flow with a free surface (finite element method) and a linear optimization procedure (simplex algorithm). Considering the special structure of data which result form computing the groundwater flow with the finite element method, and modifying the simplex algorithm, the solution of management problems with complex groundwater flow is realized without any difficulties. Compared to a flow computation alone the additional effort of the optimization (computer time and scope for data storage) is only small.     

快速精确的二维频率空间域弹性波数值模拟

二维频率空间域的数值模拟方法具有以下的优势:多炮模拟时,计算成本比时间域方法低;无累计误差;在地震反演中处理多震源模拟时,只需要有限的几个频率就可以得到好的反演结果.差分离散化形成的稀疏系数矩阵,需要求解一个巨大规模的线性方程组,最大瓶颈是需要海量的计算机内存,导致计算量庞大.本文在前人研究的基础上,采用嵌套剖分网格排序法,极大限度减少对计算机内存的需求,从而减少了计算量.针对弹性波数值模拟的特征,提出二维频率空间域弹性波多炮模拟的快速计算流程.数值模拟试验证明使用嵌套剖分排序法的弹性波多炮数值模拟比压缩存储法具有节省存储量、计算效率高等优势,为后续的二维频率空间域弹性波全波形反演奠定了很好的基础.     

考虑场地效应的非一致激励下桥梁地震响应特点分析

本研究拟从常规桥梁（跨径不超过150m且桥长不超过600m）出发,考虑局部场地效应,对某工程场地的地震反应进行三维动力有限元分析。将计算得到的地表地震动作为桥梁桥墩处的非一致输入,然后再通过有限元时程分析计算得到桥梁的地震反应。通过与一致激励及考虑行波效应激励的地震反应计算结果进行比较,得出以下结果:由于局部场地条件对地震动的频谱、峰值加速度都有影响,与一致激励相比,考虑局部场地的非一致激励对于桥梁的下部结构反应影响较小,而对于上部结构响应影响明显;考虑行波效应的非一致激励对于桥梁地震响应有减弱效果。研究结果表明,仅考虑行波效应引起的地震动非一致性开展桥梁地震响应分析并不具备保守性。     

基于激发振幅成像条件的探地雷达逆时偏移成像

针对基于互相关成像条件的探地雷达（GPR）逆时偏移计算效率低、存储量大及易产生低频假象的不足,本文将激发振幅成像条件应用于GPR逆时偏移成像中.通过在源点电磁波场正向传播过程计算每个网格点的能量密度,并保存最大能量密度的时刻和相应的电磁波场值;在接收点电磁波场逆向传播过程提取每个网格点最大能量密度时刻及对应的电磁波场值,并利用保存的最大能量源点电磁波场及走时做归一化,从而获得了依赖反射系数成像剖面,避免了源点正向传播电磁波场的存储和重建.此外,为了提高电磁波场的模拟精度,采用了基于三角形剖分的时间域有限单元法（FETD）计算电磁波正向和逆向传播过程.最后通过模型试算表明：激发振幅成像条件相比于归一化互相关成像条件,成像结果低频噪声更弱,空间分辨率更高,计算效率提高了近2倍.     

A cloud-based synthetic seismogram generator implemented using Windows Azure

Synthetic seismograms generated by solving the seismic wave equation using numerical methods are being widely used in seismology. For fully three-dimensional seismic structure models, the generation of these synthetic seismograms may require large amount of computing resources. Conventional high-performance computer clusters may not provide a cost-effective solution to this type of applications. The newly emerging cloud-computing platform provides an alternative solution. In this paper, we describe our implementation of a synthetic seismogram generator based on the reciprocity principle using the Windows Azure cloud application framework. Our preliminary experiment shows that our cloud-based synthetic seismogram generator provides a cost-effective and numerically efficient approach for computing synthetic seismograms based on the reciprocity principle.     

A discontinuous Galerkin method for seismic soil–structure interaction analysis in the time domain

A technique for modeling transient wave propagation in unbounded media is extended and applied to seismic soil–structure interaction analysis in the time domain. The technique, based on the discontinuous Galerkin method, requires lower computational cost and less storage than the boundary element method, and the time‐stepping scheme resulting from Newmark's method in conjunction with the technique is unconditionally stable, allowing for efficient and robust time‐domain computations. To extend the technique to cases characterized by seismic excitation, the free‐field motion is used to compute effective forces, which are introduced on the boundary of the computational domain containing the structure and the soil in the vicinity of the structure. A numerical example on a dam–foundation system subjected to seismic excitation demonstrates the performance of the method. Copyright © 2003 John Wiley & Sons, Ltd.     

二维弹性波的有限元模拟及其初步实践

本文讨论了二维介质中弹性波有限元模拟的一种方法;导出了二维无界空间中集中力点源的理论初动表达式和位移波形表达式,并和相似情况下的有限元结果进行了比较;对用有限元方法算得的几个中小模型的节点位移进行了分析。从所能鉴别的震相的到时、初动符号分布、波形、瑞利波质点运动轨迹等证据看,在得到比较真实的全波理论地震图方面,有限元方法具有很大的潜力。     

Finite element simulation of steady state SH wave motion

ＦｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｓｔｅａｄｙｓｔａｔｅＳＨｗａｖｅｍｏｔｉｏｎＺｈｅｎ－ＰｅｎｇＬＩＡＯ（廖振鹏）ａｎｄＧｕａｎｇＹＡＮＧ（杨光）（ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＭｅｃｈａｎｉｃｓ，ＳｔａｔｅＳｅｉｓｍ...     

LARGE-OFFSET APPROXIMATIONS IN THE MODIFIED CAGNIARD METHOD FOR COMPUTING SYNTHETIC SEISMOGRAMS: A SURVEY1

Large horizontal offset and large vertical offset approximations in the modified Cagniard method for computing synthetic seismograms in a horizontally layered model of the earth are derived. They apply to each of the generalized-ray constituents into which the seismic wave motion is decomposed. For the results applying to large horizontal offset, which are known in the seismological literature, a simplified derivation is given. The results for large vertical offset, which are of particular interest to vertical seismic profiling, are new. The use of the large-offset approximations, both horizontal and vertical, leads to a considerable reduction in computation time for synthetic seismograms compared with the full three-dimensional version of the modified Cagniard method.     

Seismic response of base-isolated liquid storage tanks considering fluid–structure–soil interaction in time domain

The seismic response analysis of a base-isolated liquid storage tank on a half-space was examined using a coupling method that combines the finite elements and boundary elements. The coupled dynamic system that considers the base isolation system and soil–structure interaction effect is formulated in time domain to evaluate accurately the seismic response of a liquid storage tank. Finite elements for a structure and boundary elements for liquid are coupled using equilibrium and compatibility conditions. The base isolation system is modeled using the biaxial hysteretic element. The homogeneous half-space is idealized using the simple spring-dashpot model with frequency-independent coefficients. Some numerical examples are presented to demonstrate accuracy and applicability of the developed method.Consequently, a general numerical algorithm that can analyze the dynamic response of base-isolated liquid storage tanks on homogeneous half-space is developed in three-dimensional coordinates and dynamic response analysis is performed in time domain.