Maslov渐近理论与辛几何算法

为了克服地震层析成像中的焦散问题,本文系统地研究了Ｍａｓｌｏｖ渐近理论与辛几何算法,同时提出了一种基于辛几何算法计算Ｍａｓｌｏｖ波场的数值计算方法,并就其中射线追踪这一重要环节,利用辛算法和非辛Ｒｕｎｇｅ－Ｋｕｔｔａ方法进行了数值模拟．计算结果表明,这两类算法在精度上相差无几,但辛算法的速度要快;在Ｈａｍｉｌｔｏｎ量保持方面,辛算法具有非辛Ｒｕｎｇｅ－Ｋｕｔｔａ方法无可比拟的优越性．     

基于图形结构的三维射线追踪方法

在地震层析成像研究中,为了克服最小走时射线路径追踪方法存在的问题,对该方法计算过程中的关键步骤进行了改进．在节点走时的计算中引入Ｂｒｅｓｅｎｈａｍ画线算法;在最小走时节点查寻中,结合使用快速排序算法与插入排序算法,替代以往方法中多采用的堆排序算法;所采用的节点设置方式,可以引入速度界面,还可以实现反射波射线追踪．模型计算证明,改进的最小走时射线路径方法具有精度高,速度快的特点,所提出的三维空间反射波射线追踪算法简便易行。     

动态网络最短路径射线追踪

最短路径射线追踪算法,用预先设置的网络节点的连线表示地震波传播路径,当网络节点稀疏时,获得的射线路径呈之字形,计算的走时比实际走时系统偏大. 本文在波前扩展和反向确定射线路径的过程中,在每个矩形单元内,通过对某边界上的已知走时节点的走时进行线性插值,并利用Fermat原理即时求出从该边界到达其他边界节点的最小走时及其子震源位置和射线路径,发展了相应的动态网络算法. 从而克服了最短路径射线追踪算法的缺陷,大大提高了最小走时和射线路径的计算精度.     

基于二维三次卷积插值算法的辛几何射线追踪

射线追踪是地震波走时层析成像的基础,射线空间位置的准确性及射线走时的精度决定了层析成像的可靠性.本文根据哈密尔顿系统可以有效提高程函方程解稳定性的特性,采用辛几何算法（SAM-Symplectic Algorithm Method）及二维三次卷积插值技术进行地震波射线追踪.由于采用了SAM算法,保证了地震波波前精度,提高了射线空间位置的准确性.数值模拟结果表明SAM既能保证哈密尔顿系统的稳定性又具有运算速度快的特点,提高了射线追踪的计算精度.     

共反射点轨迹的Hamilton方法

本文采用Ｈａｍｉｌｔｏｎ理论方法,研究反射地震记录域中地下同一反射点对应的反射走时随炮检距变化的特性,这在叠前地震资料处理中具有重要意义．由于走时函数可以表示成炮点位置、检波点位置、地震波射线出射角和接收角的函数,通过对共反射点走时与炮点位置变化关系的分析,提出了复杂介质中共反射点轨迹可用Ｈａｍｉｌｔｏｎ正则方程描述．在线性变速介质中,走时函数可以解析给出,由此可导出该介质中共反射点轨迹的Ｈａｍｉｌｔｏｎ正则方程．文中结合常速度、横向变速和线性变速介质模型,计算了地下不同反射面上各点相应的共反射点轨迹,阐明Ｈａｍｉｌｔｏｎ方法的一些特点,并首次引入Ｈａｍｉｌｔｏｎ理论方法描述共反射点走时随炮检距的变化特性,开创了该领域研究的一条新途径．     

基于LTI和网格界面剖分的三维地震射线追踪算法

将二维线性走时插值射线追踪算法(LTI)推广应用至三维模型,并结合网格界面剖分方式,提出了一种三维射线追踪算法．该算法既可获得高精度的全局最小走时和射线路径,又具有快速稳定的特点．三维模型计算结果表明,在模型参数包括网格密度完全相同情况下,本文算法较传统的三维最短路径算法在计算效率、走时和射线的计算精度上均有明显改进．     

二维复杂黏弹性各向异性介质中的地震射线追踪

实际地层中传播的地震波普遍存在速度各向异性和能量衰减现象,因此基于弹性介质假设条件下的地震射线正反演算法具有一定的局限性,而研究黏弹性各向异性介质中的地震波传播规律可为揭示地下结构提供更加可靠的理论依据.射线追踪技术是揭示高频地震波传播特性的有效手段之一,然而绝大多数研究仅限于弹性介质.针对黏弹性各向异性介质,本文首先给出了一种射线速度和振幅衰减的计算方法,然后结合改进型最短路径算法,在实空间内实现了计算复杂介质模型中地震波(qP,qSV,qSH)的射线路径和传播走时以及能量衰减(虚走时).该算法适用于复杂黏弹性各向异性介质.误差分析结果显示,实走时的最大相对误差小于0.13％,虚走时的最大相对误差小于0.55％,表明该算法具有较高的计算精度.     

基于分区多步快速行进法下3D起伏层状介质中多震相射线追踪

快速行进法(FMM)是一种求解程函方程数值解计算网格节点走时,然后向后处理进行射线追踪的方法.为了求取任意起伏界面下高精度多震相的地震走时与相应的射线路径,本文采用任意起伏地表条件下的的三维不等距上行差分公式结合分区多步计算技术实现了三维复杂层状起伏介质中多震相(透射、反射、转换波)地震走时的计算,利用上行有限差分公式逐次进行射线路径的追踪,并且通过与较为成熟的不规则最短路径法(ISPM)对比,验证了本算法的计算精度和有效性.数值模拟实例和对比结果表明该算法具有较高的计算精度,数值计算稳健,能灵活处理含任意三维起伏界面模型中多震相地震走时及相应射线路径的追踪问题.     

椭球坐标系下多震相地震射线追踪

地震射线追踪方法技术在地震学领域有着较为广泛的应用,然而大多数算法建立在直角坐标系或球坐标系下,实际地球并非完美的球体,而是两极略扁的椭球体,因此,球坐标系下计算结果与真实情况存在一定误差.传统的做法一般是在球坐标系下进行计算,而后进行椭球校正.本文提出了一种直接在椭球体模型中采用分区多步最短路径算法进行多震相地震射线追踪的方法技术,实现了椭球坐标系下多震相地震波射线路径追踪和走时计算.与解析解的对比表明:该算法具有较高的计算精度,适用于任意形状的椭球体,且不需要进行额外的走时校正.数值模拟结果表明,计算所得P波和PcP反射波的走时与AK135走时表的误差小于0.1 s.当震中距较大时,使用球对称模型和椭球体模型计算所得的走时差异显著,说明采用椭球坐标系的必要性.     

一种改进的地震反射层析成像方法

针对复杂介质的地震反射走时层析成像存在数据拾取困难问题，本文提出了一种新的地震反射层析成像速度模型建立方法，该方法用速度和地震射线走时描述模型，用地震反射波走时、地震波在源点和接收点处的传播方向信息反演模型.为提高反演的稳定性和计算效率，引入了Hamilton函数描述射线，在相空间计算反演所需的射线路径和目标函数对模型参数的导数，对理论模型和实际地震资料进行了试算，试算表明该方法对复杂介质具有较强的适应能力.     

三维地质模型中地震波共轭梯度非线性走时反演

地震体波走时层析成像是探测地球内部速度结构的重要方法之一。基于三维块状建模以及三角形拼接的界面描述方式,结合快速高效的逐段迭代射线追踪方法,获得三维复杂地质模型中的地震射线路径与走时信息,采用共轭梯度非线性反演算法,进行地震波走时反演。实验结果表明共轭梯度反演算法在三维层状模型中具有较高的有效性。     

复杂山地随机介质GMM-ULTI法射线追踪

对复杂山地介质的非均质性以及介质中地震波运动学特征进行深入研究,对于提高复杂山地区域地震勘探的效果有着重要的理论意义和实际价值.为了研究复杂山地非均质性和该介质中地震波的一些运动特性,提出了一种复杂山地随机介质的建模方法和一种新的射线追踪算法.与常规算法相比,复杂山地随机介质的生成方法采用更贴近实际介质特点的梯度介质作为背景介质,并在模型生成过程中加入地形修正步骤;新提出的GMM-ULTI射线追踪算法,充分融合群推进法、迎风思想、走时插值法的优势,采用先计算走时后追踪射线路径的两步策略完成射线追踪.算法分析与计算实例表明:复杂山地随机介质的生成方法能灵活、精细且更贴近实际地刻画复杂山地介质的非均质特点;新射线追踪算法兼顾精度和效率、能无条件稳定且灵活地适应复杂山地随机介质的特点;同时基于对几个模型试算结果的分析也得出了复杂山地随机介质中的地震波的一些传播规律.     

A new 3-D ray tracing method based on LTI using successive partitioning of cell interfaces and traveltime gradients

We present a new method of three-dimensional (3-D) seismic ray tracing, based on an improvement to the linear traveltime interpolation (LTI) ray tracing algorithm. This new technique involves two separate steps. The first involves a forward calculation based on the LTI method and the dynamic successive partitioning scheme, which is applied to calculate traveltimes on cell boundaries and assumes a wavefront that expands from the source to all grid nodes in the computational domain. We locate several dynamic successive partition points on a cell's surface, the traveltimes of which can be calculated by linear interpolation between the vertices of the cell's boundary. The second is a backward step that uses Fermat's principle and the fact that the ray path is always perpendicular to the wavefront and follows the negative traveltime gradient. In this process, the first-arriving ray path can be traced from the receiver to the source along the negative traveltime gradient, which can be calculated by reconstructing the continuous traveltime field with cubic B-spline interpolation. This new 3-D ray tracing method is compared with the LTI method and the shortest path method (SPM) through a number of numerical experiments. These comparisons show obvious improvements to computed traveltimes and ray paths, both in precision and computational efficiency.     

三角网波行面扩展最小走时射线追踪全局算法

To address the problem of subdividing inflexible rectangular grid models and their poor definition of velocity interfaces, we propose a complex structure triangular net for a minimum traveltime ray tracing global algorithm. Our procedure is: (1) Subdivide a triangle grid based on the Delaunay triangular subdivision criterion and the relationships of the points, lines, and the surfaces in the subdividing area. (2) Define the topology relationships and related concepts of triangular unit ray tracing. (3) The source point and wave arrival points at any time compose the propagating plane wave and the minimum traveltime and secondary source positions are calculated during the plane wave propagation. We adopt the hyperbolic approximation global algorithm for secondary source retrieving. (4) By minimum traveltime ray tracing, collect the path from receiver to source points with the neighborhood point’s traveltime and the direction of the secondary source. Numerical simulation examples are given to test the algorithm. The results show that the triangular net ray tracing method demonstrates model subdivision flexibility, precise velocity discontinuity interfaces, and accurate computations.     

多步法快速射线追踪与圆台型高精度走时外插计算

为更好地适应复杂构造的地震偏移成像,本文提出了一套快速射线追踪算法和一种高精度的走时外插计算方法.采用线性多步法的预测-校正公式求解射线追踪方程组,与传统的四阶Runge-Kutta法相比,提高了计算效率.在网格节点上的走时计算中,应用一种基于圆台的外插方法,该方法以射线的方向为轴确定圆台,将轴上的走时外插到圆台内的网格节点上.与传统的矩形体外插方法相比,圆台走时外插方法提高了计算精度,且具有更好的稳定性.另外,该方法利用稀疏分布的射线即可获得高精度的走时表,节省计算量,对复杂构造的偏移成像非常有利,尤其是三维偏移.最后通过逆散射偏移成像算例,验证了算法的有效性和适用性.     

基于初至波走时层析成像的Tikhonov正则化与梯度优化算法

初至波走时层析成像是利用地震初至波走时和其传播的射线路径来反演地下介质速度的技术.该问题本质上是一个不适定问题,需要使用正则化方法并辅之以适当的最优化技巧.本文从数值优化的角度介绍了初至波走时层析成像的反演原理,建立了Tikhonov正则化层析成像反演模型并提出求解极小化问题的加权修正步长的梯度下降算法.该方法可以从速度模型的可行域中迭代找到一个最优解.数值试验表明,该方法是可行和有应用前景的.     

井间地震射线层析成像

本文采用射线走时对井间介质的地震波速进行层析成像，反演出井间介质的异常分布和构造．作者用快速弯曲射线迫踪法求解初值问题，用两步法和插值逼近法结合求解两点问题，避免了复杂运算，提高了运算效率和精度．反问题的数值计算用ＬＳＱＲ法．为了求取速度任意分布、对比度大的较为复杂介质模型的槽确初至时，本文采用动态程序法。该法灵活不受地质界面条件约束，且对介质速度分布未加任何限制。本文给出了几个算例．文中层析成像试验结果表明，此种层析成像算法是成功和有效的。