基于LSCG法和波数补偿的频率域二维地震正演模拟方法

在地震勘探中,地震正演模拟是非常重要的技术。与时间域正演相比,频率域正演速度快,计算效率高。如何高效准确地完成频率域正演计算是目前该领域的一个重要问题。数值频散问题和如何提高计算效率降低求解分解阻抗内存占用量一直是频率域正演所需要解决的问题。与传统的直接法求解阻抗矩阵的频率域正演方法不同,本文采用最小二乘共轭梯度法(LSCG法)求解阻抗矩阵进行频率域正演,并提出了一种波数补偿的表达式来压制数值频散现象。经过简单模型和复杂模型的数值测试,采用最小二乘共轭梯度法(LSCG法)求解阻抗矩阵进行频率域正演能够有效降低计算时间,且采用波数补偿的频率域正演方法能够有效压制数值频散现象,提高波场模拟精度。     

基于LSQR算法的二维声波方程频率域正演模拟与数值实现

频率域正演是频率域全波形反演的基础,高效准确地完成频率域正演计算是目前该领域的一个热门问题。这里利用优化17点差分格式和PML完全匹配层构建波场,并使用LSQR算法求解波场,通过在简单层状模型和Overthrust模型上计算验证可知,LSQR算法可大幅提高频率域正演的计算速度和模拟精度,从而为此方向的研究提供一个可行的技术手段。     

基于频率域高阶有限差分法的正演模拟及并行算法

在弹性波频率空间域有限差分数值模拟方面,差分网格及边界条件是影响弹性波模拟成功与否的关键,为了压制数值模拟中的网格频散,采用25点有限差分算子,建立了有限差分矩阵方程,且借鉴匹配层衰减边界条件思想,设计了弹性波频率空间域有限差分数值模拟算法。由于采用高阶有限差分法来提高差分格式的精度,将会导致计算量显著增加,为此,对频率空间域有限差分弹性波数值模拟方法,采用流水线技术与分治策略进行了并行算法研究,提高了计算效率,使得在合理的计算时间内更精确地模拟弹性波在弹性介质中的传播过程。     

夹层厚度对瑞利面波频散曲线的影响

文章以弹性波横波速度为参数,利用瑞利面波频散曲线的快速标量传递算法进行正演模拟计算,系统研究软弱层厚度对瑞利面波基阶模频散曲线的影响,分析和总结了频率与相速度（f-c）、频率与波数（f-k）、深度与相速度（h-c）等瑞利面波基阶模曲线随软弱层厚度变化的规律。     

软弱夹层速度对瑞利面波频散曲线的影响

文章以弹性波横波速度为参数,利用瑞利面波频散曲线的快速标量传递算法进行正演模拟计算,系统研究软弱层速度对瑞利面波基阶模频散曲线的影响,分析和总结了频率与相速度（f-c）、频率与波数（f-k）、深度与相速度（h—c）等瑞利面波基阶模曲线随软弱层速度变化的规律。     

Matlab环境下瑞利波有限差分正演与曲线绘制

以瑞利波频散方程为出发点的Abo-Zena传递矩阵等方法,只能研究层状介质中瑞利波的传播特性,对于非层状介质,传递矩阵无能为力。因此,不得不考虑有限元、有限差分等方法。根据弹性动力学方程,采用交错网格有限差分方法对均匀弹性半空间介质进行全波场模拟,并在Matlab环境下实现编程计算,再现了瑞利波在近地表的传播状态,实现了地震剖面曲线的正振幅充填问题,从而获得了类似野外地震勘探的剖面记录。模拟结果表明,采用一阶差分格式所得到的地震记录存在较严重的数值频散,在采用有限差分法研究瑞利波"之"字形成因时,须尽量压制数值频散现象,才能获得更接近实际情况的频散曲线。      

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。      

井孔声场二维谱的数值计算与理论分析

简要介绍了井孔声场二维谱计算方法,实现了井孔声场二维谱的数值计算。通过对硬地层和软地层两类地层的模拟计算,得到硬地层和软地层的二维谱的分布图以及井孔中接收到的声压波形。根据对两类地层二维谱的分析,表明纵波（首波）、横波和泥浆纵波的声幅较小,频散不明显。斯通利波的频率范围较低,频散较弱。伪瑞利波频散较强、幅度较高,软地层不存在伪瑞利波。泄漏模对应的模式波,是一种几何衰减波,在声场传播中具有衰减快,频散性较强的特征。利用二维谱分析井孔声场,能够将复杂的声波传播特征用图像表现出来,具有直观、形象的效果。     

二阶弹性波动方程高精度交错网格波场分离数值模拟

给出了一种等价的二阶弹性波动方程,以解决弹性波场中完全弹性波动方程不能完全分离耦合的纵、横波波场问题.应用高阶交错网格有限差分法求解该波动方程,并使用通量校正技术(FCT)进一步压制频散,采用均匀介质模型和层状介质模型进行波场分离数值试验,精确得到了混合波场、完全分离的纯纵波及纯横波波场.数值结果分析表明,本文方法在均匀介质情况下准确可靠,在分离后的纯纵、横波波场中可观察到较为丰富的能量转换信息,这对认识复杂弹性波的传播规律及弹性波理论具有重要意义.     

一种提取声波测井频散波相慢度的适应函数方法

提出了一种对声波测井频散波数据频散校正的适应函数方法。通过提取频散波的频率慢度相关图,得到频散波的频散曲线,由频散曲线在慢度轴上的投影可得到关于地层波慢度的统计直方图。构造一种适应函数与直方图进行非线性最小二乘拟合,得到与统计直方图最优匹配的适应函数,这个适应函数起始点对应的慢度即为真实的地层波慢度。给出了采用该方法处理理论模拟的偶极子波及现场实测的偶极子波资料的例子。对理论模拟的偶极子波处理,计算的偶极子波慢度值与地层真实横波慢度基本一致;对现场实测的偶极子波数据处理,计算的偶极子波慢度与频率慢度投影曲线相匹配。处理结果表明,采用该方法对频散波进行频散校正是可靠有效的。     

基于MPI的面波有限差分正演模拟

近年来,瑞利波波形反演技术因其避开了常规频散曲线计算,直接进行波场计算和反演不再受水平层状介质理论假设的限制,得到广大学者的高度重视。但瑞利波波形反演过程中需要不断进行波场正演和逆推计算。另外,由于浅地表速度较小,模拟计算时需要较小的网格间距才能避免数值频散,这无疑大大增加了正演模拟的计算量。对于这一问题,通常采用并行化设计来提高正演模拟的计算效率。本文基于消息传递接口（MPI）并行有限差分算法,以区域分解思路将模型区间分解成若干子区域,各区域互相通信,共同完成对模型的正演计算。并详细给出了区域分解、坐标转换、区域通信、波场合并等并行方案中的具体实现方法和实现步骤。通过对弹性模型、Kelvin黏弹性模型和标准线弹性固体（SLS）黏弹性模型不同并行方案的计算结果进行分析,验证了本文并行方案的可行性和有效性。并行计算结果表明,与单处理器计算时间相比,增加处理器数目可以明显减少计算时间,但随着处理器数目的增加,不同处理器之间的通信时间也增大;因此,并行时需要选择合适的处理器数目。对于黏弹性介质模型,SLS黏弹性模型的并行计算效率优于Kelvin黏弹性模型。     

含直立裂隙介质的弹性波动方程正演模拟

从具有水平对称轴的横向各向同性（HTI）介质中的弹性波动方程出发,在交错网格空间中采用高阶差分算子对弹性波动方程进行差分离散,得到了HTI介质中地震波正演的高阶有限差分格式,研究并实现了PML吸收边界条件。在此基础上实现了HTI介质中弹性波方程的多波正演。数值算例表明,该方法能够精确模拟弹性波在复杂各向异性介质中的传播过程,得到高精度的正演记录。     

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.     

无单元Galerkin法大地电磁三维正演模拟

无单元Galerkin法(EFGM)作为一种相对成熟的无网格方法,避免了网格剖分,其精度高,适用于复杂电导率分布和复杂边界形状的计算。本文将EFGM用于大地电磁三维正演,详述了三维EFGM形函数的构造过程,从大地电磁三维变分问题出发,利用Galerkin法结合高斯积分公式推导了相应的系统矩阵离散表达式,简述了边界条件的加载技术,研究了支持域尺寸对EFGM三维正演计算精度的影响,最后通过数值计算验证了EFGM三维算法的正确性。     

Love型槽波透射记录的频域合成算法

利用射线追踪对网格化的二维模型进行走时计算,在频率域对Love型透射槽波记录进行了合成。在考虑了频散、吸收衰减等对波场振幅、相位影响的基础上,对含薄煤带模型的透射槽波理论记录进行了频域合成,并进行了波场特征分析。结果表明:频域合成的槽波透射记录在时间、频散特征、能量等属性上与理论分析一致,且与三维弹性波波动方程模拟的基阶Love型槽波波场特征相似,但频域合成算法的计算速度快1~2个数量级。     

裂缝介质中不同震源横波分裂现象的数值模拟

采用TTI介质中二维三分量一阶交错网格应力-速度弹性波方程,模拟胀缩源、垂直集中力源、剪切源在垂直裂缝介质中的井间地震波场,分析了不同方位角情况下波场的传播特征,并讨论了横波分裂时的能量分配情况。结果表明:地震波从各向同性介质进入各向异性介质时会观测到快慢横波;在一定方位角的情况下,垂直裂缝介质中会得到快慢横波,这为进一步分析横波分裂特征和地震实际数据提供了依据。      

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。     

二维矢量地震波场的叠前逆时深度偏移

从矢量波动理论出发，导出了二维弹性波逆时传播的高阶差分格式，实现了弹性波在数值空间中的逆时延拓，采用逆时格式差分求解程函方程，得到网格空间中各点的直达波旅行时，以此作为弹性波逆时偏移的成像条件。实现了二维多波多波多分量资料的叠前逆时深度偏移，数值试验得到了满意结果。     

时间域航空电磁法2.5维有限元模拟

采用三角网格剖分的有限元法,研究了2.5维航空瞬变电磁法正演模拟问题。利用时频变换数值方法将时间域电磁场转换到拉氏域,再利用傅里叶变换将三维问题降维变为2.5维问题,然后由有限元法求解得到拉氏域二维电磁场,逆拉氏变换后得到时间域航空瞬变响应。为了回避正演模拟中总感应磁场在场源处的奇异性问题,采用异常场算法,场源响应通过在微分方程中施加背景电磁场实现。由于瞬变电磁信号具有较大的动态范围,而且需要经过两次正、逆拉氏变换和傅里叶变换,每个环节的计算精度和速度要严格控制在较高的水平上,否则积累误差会非常大。模型计算表明均匀大地和层状大地模型解析解与数值解吻合很好。这证明该算法是正确可行的,可作为研究二维复杂地质体的方法手段。     

起伏地表条件下频率-空间域声波介质正演模拟

频率-空间域正演模拟是频率域及Laplace-Fourier域全波形反演的基础,起伏地表条件下波形反演算法的关键是正演算法中考虑起伏地表的影响。基于带PML吸收边界的声波波动方程,在已有最优9点有限差分正演算法的基础上构建了起伏地表条件下频率-空间域正演算法。通过应用变网格技术,进一步提高算法的计算效率、降低内存开销,使得大规模起伏地表模型的频率域正反演问题成为可能。理论分析及数值测试表明：通过对近地表区域进行局部网格加密,可有效地压制由于矩形网格离散引起的角点散射;结合变网格技术可较易获得5倍以上计算效率的提高及内存占用的降低,且随着模型尺度的增加及地表起伏高程差的减小,倍数将显著增加;在细网格与粗网格交界处产生的虚假反射振幅幅值控制在原始波场的2%以内,满足地震波场正反演的需求。