计算分层介质中位错点源静态位移场的广义反射、透射系数矩阵和离散波数方法

本文将计算合成地震图的广义反射、透射系数矩阵和离散波数方法应用于静态问题,给出了分层介质中位错点源产生的静态位移场的计算方法。该方法保留了反射、透射矩阵方法的原有优点,通过将数值结果与解析解的对比表明,该方法具有较高的数值精度,可用于研究地震断层活动造成的地表形变。     

计算分层介质中位错点源静态位移场的广义反射、透射系数矩阵和离散波数方法

本文将计算合成地震图的广义反射、透射系数矩阵和离散波数方法应用于静态问题,给出了分层介质中位错点源产生的静态位移场的计算方法。该方法保留了反射、透射矩阵方法的原有优点,通过将数值结果与解析解的对比表明,该方法具有较高的数值精度,可用于研究地震断层活动造成的地表形变。     

三维不规则地形河谷场地地震响应分析方法研究

本文提出了不规则地形地震响应分析的自由场计算方法,并以小湾拱坝场址作为三维场地模型,比较了三维不规则场地侧边界自由场的精确解和近似解;同时,采用大型有限元软件Ansys/Ls-Dyna计算了自由场对场地内部场点地震响应的影响.计算结果表明,三维场地模型的二维自由场近似解与精确解有很大差异,其结果对三维场地内部场点地震响应影响显著,因此,要准确求解三维不规则地形的地震响应必须采用真实的二维侧边界模型.     

非均匀介质全局广义R/T递推传播矩阵法二维SH地震波模拟研究

地球深部圈层及沉积盆地是一种分区非均匀介质系统,其中不规则地层边界(含起伏地表)对地震波的主要特征有显著影响,而地层的随机非均匀性则主要影响地震波的散射和衰减特征.为了精确刻画不规则地层边界对地震波的反射、透射效应以及非均质体散射引起的地震波衰减效应,全局广义R/T递推传播矩阵法(GGRTM)被提出并逐步发展成为继有限元和有限差分方法之后的另一种复杂介质高精度地震波传播半解析求解方法.在已有的此类方法中,不规则边界均匀地层GGRTM法的优势在于对不规则地层边界的反射和透射效应的准确模拟,而非均质地层薄板化GGRTM法则能准确描述非均质体散射对地震波衰减的影响.本文吸收这两种已有方法的优势,提出了一种考虑非均匀介质、不规则边界的全局广义R/T递推传播矩阵混合方法,并将其用于对边界不规则、层内非均质的复杂模型的二维SH波场模拟.随后在本文方法与边界元法对比研究的基础上讨论了方法的模拟精度.研究结果表明本文提出的混合法是一种解决复杂模型高精度地震模拟的有效方法.     

用广义射线和有限差分计算近场理论地震图的混合方法

本文提出一种结合广义射线和有限差分理论而形成的混合方法（以下简称混合方法）．在介质均匀区（包括平行介质分层区）应用广义射线理论，在介质不均匀区应用有限差分理论．在这种结合过程中，把均匀区广义射线的结果作为不均匀区有限差分区波场连续的输入．对于均匀介质模型，混合方法理论地震图和广义射线理论地震图、广义反射透射系数矩阵及离散波数法地震图的对比，取得了满意的结果，在数值上证明了该方法的正确性．计算了１９９０年８月５日Ｈａｋｏｎｅ地震前震在日本Ａｓｈｉｇａｒａ山谷盲测点的响应，理论地震图和实际资料的比较同样取得好的结果．这种方法可用于地震勘探、工程地震、强地面运动的研究．     

地震逆散射波场和算子的谱分解

本文对地震逆散射的研究，旨在于为抑制层间多次波和地震波场多重散射对一次反射干扰效应提供理论依据.这对薄互层地层滤波的高频恢复、保幅弹性反演、衍射地震勘探及海洋地震勘探中的干扰消除皆具重要意义.本文基于上下行波分解及弹性波互易定理，导出横向变速介质条件下线性预测算子的表达式和反射数据的广义谱分解方程. 文中先由上覆地层广义反射透射矩阵的元素定义线性预测算子，并将其表示成一系列单程波算子的线性组合,之后将横向变速介质条件下线性预测方程表达为反射数据与线性预测算子及其逆的乘积. 对该方程的求解可获得上覆地层的线性预测算子，从而可借以求出相应的反射透射算子. 本文先将水平层状介质条件下垂直入射的一维线性预测方程推广到斜入射的情况，以此为参照，导出横向非均匀介质条件下反射数据的地震逆散射广义谱分解方程.文中也揭示了单程波地震逆散射算子、反射透射算子的性态.本文还针对水平层状介质条件，给出斜入射的数值结果.     

三维层状孔隙介质中弹性波的一种积分表达式I：理论

孔隙介质弹性波传播理论在地球物理勘探、地震工程和岩土动力学等领域有着广泛的应用.而孔隙介质中的弹性波受孔隙度、渗透率、流体黏滞系数等参数的影响,因此研究波场的传播特征将有助于分析和提取这些信息.本文在Biot理论的基础上,针对三维层状孔隙介质模型,利用在合成理论地震图的研究中已经被证实具有稳定、高效且适用范围较广的Luco-Apsel-Chen（LAC）广义反透射方法,给出了弹性波场的一种积分形式的半解析解,可通过数值方法高效、准确地计算层状孔隙介质中的理论波场,所以该积分形式的半解析解可为三维层状孔隙介质波场传播特征的理论数值模拟研究提供一种新的途径和手段.     

地壳分层各向异性介质接收函数及其粒子群反演

地壳不同深度介质的地震各向异性是研究地壳不同深度范围变形方式的重要依据.鉴于地壳介质的复杂性,如何从远震体波接收函数中提取不同深度的各向异性参数仍是一个有待深入研究的课题.在已有研究的基础上,本文利用广义反射-透射系数矩阵方法计算的合成地震图,研究了复杂地壳分层各向异性介质的接收函数随反方位角(back azimuth)变化及不同层位各向异性参数对接收函数波场的影响,为各向异性介质接收函数的解释提供了新的理论依据.通过引入粒子群优化理论,发展了分层各向异性介质接收函数全局反演算法.数值及观测数据的验证结果表明,在各向同性速度模型确定的前提下,我们的方法能够可靠地提取地壳分层各向异性参数;在反演中引入曲波变换去噪技术,对于正确解析不同层位的各向异性参数具有重要价值.     

水深对跨库区桥梁地震响应的影响分析

随着我国西南地区梯级水电站的建设，跨库区桥梁抗震设计和地震安全性评价是桥梁抗震领域面临的重要问题。研究了一套考虑峡谷场地-库水-桥梁相互作用的跨库区桥梁地震响应分析方法，采用分区并行方法分析环境介质(含场地、库水)与桥梁的相互作用，库水、场地和水下结构采用广义饱和介质理论统一框架描述，通过集中质量显式有限元进行分析；水面以上结构采用隐式有限元进行分析；显式和隐式计算区之间通过设置一层显-隐式重叠单元实现分区耦合；无限域通过透射人工边界来模拟。以一跨峡谷连续刚构桥为例，在不同水深情况下，输入2条地震波，研究峡谷地形下水深对桥梁地震响应的影响。研究结果表明，库水总体上对桥梁有减震作用，随水深增加，桥梁整体反应减小，但局部反应有增大现象；随着水深增加，水体对桥墩的约束增加，使得其有效刚度增加，改变桥梁的刚度分布，引起桥梁内力的重分布；水体具有弱化地形效应的作用，随着水深增加，由峡谷地形和墩高差异引起的桥梁反应差异逐渐减小。     

黏弹各向异性介质中波的反射与透射问题分析

黏弹各向异性介质中传播不均匀波，其反射、透射模式不仅与介质分界面两侧速度对比有关，还与品质因子Q的对比有关. 用伪谱技术模拟黏弹各向异性介质分界面上波的反射、透射，并与弹性各向异性介质、黏弹各向同性介质和弹性各向同性介质的模拟结果做比较. 计算平面波的反射、透射系数，分析介质的黏弹性和各向异性对反射、透射系数的影响. 数值模拟了一个三层介质模型中的波场，分析两个分界面上产生的反射波的特征. 黏弹各向异性介质中，qS波比qP波衰减程度大.     

Seismic Wave Propagation and Excitation in Multi-layered Media with Irregular Interfaces Part (Ⅰ): SH Case

Study of seismic wave excitation and propagation in laterally heterogeneous media was an active and important subject in seismology in the past two decades, numerous analytical and numerical efforts have been made in this research field. In this article, I have, first, made a brief review on those developments and then introduced and summarized a unified and efficient method, global generalized reflection-transmission (abbreviated to R/T thereafter) matrices method, for synthetic seismograms in multi-layered media with irregular interfaces developed by the author [24~26]. As demonstrated in this article, this method could be regarded as an extension of the generalized R/T coefficients method for the horizontally layered case [2,5] to the layered media with irregularly shaped interfaces by incorporating the T matrices technique [27,28]. Because of the use of a recursive scheme in computing the global generalized R/T matrices, this method is efficient, particularly for the case with a large number of irre     

2D equivalent linear site effect simulation: example applications to two deep valleys

In the framework of the Sismovalp European project, an equivalent linear 2D code was developed to compute the response of a valley to SH waves, using the discrete wave-number method proposed by Aki and Larner (Aki K, Larner KL (1970) J Geophys Res 75:5). To overcome the frequency upper bound limitation, the Aki and Larner’s method is combined with a one-dimensional computation using a classical multi-layer method (Aki K, Richards PG (1980) Quantitative Seismology: Theory and Methods, vols. 1 & 2. W.H. Freeman & Co, San Francisco). The so-called “Aki–Larner extended method” is associated to an iterative algorithm, as proposed by Seed and Idriss (Seed HB, Idriss IM (1969) Report No. EERC 70–10, Earthquake Research Center, University of California, Berkeley, California) which accounts for the modulus and damping degradation using a linear visco-elastic model. A comparison of the results in the linear and the equivalent linear cases, for a magnitude 6.0 earthquake, shows that the account for the equivalent linear behaviour of the soil significantly reduces the amplification level, especially at frequencies higher than the fundamental resonance frequency of the site. In the case of site effects or microzonation studies devoted to produce design spectra for engineering structures, this can have a major impact on the associated results and costs, depending on the frequency of interest for the considered structure. As a first application of the developed technique, 2D equivalent linear Aki–Larner computations are used to perform the seismic microzonation study of the upper Rhone valley, in the Visp area (Switzerland), a typical 2D alpine valley. These investigations made it possible to determine site specific spectra, associated with different zones, to be used instead of the code spectra that do not take into account the local 2D amplification.     

针对复杂地形的三种地震波走时算法及对比

复杂地形条件下地震波走时算法对于研究复杂地形地区的成像问题有着重要的意义.为了得到精度高且适应于复杂地形的走时算法,首先提出阶梯网格迎风差分法.然后将该方法与不等距网格有限差分法和混合网格线性插值法进行对比研究,得出如下结论:混合网格线性插值法的计算精度最高,但其计算效率最低;阶梯网格迎风差分法的计算精度最低,但其计算效率最高;不等距网格有限差分法的计算精度和计算效率均居中;而究竟选取哪种算法作为给定复杂地形模型的地震波走时算法,应该综合考虑地形的特点、所研究问题对计算精度及计算效率的要求等因素.最后通过一个计算实例验证了三种算法在面对复杂地形、近地表及地下复杂介质等复杂地质条件时均有很好的适应性和稳定性.     

自适应非结构有限元MT二维起伏地形正反演研究

在山区进行MT勘探时,用规则网格有限元方法模拟起伏地形会受到限制.本文采用非结构三角网格可以有效地模拟任意二维地质结构,如起伏地形、倾斜岩层和多尺度构造等.正演引入自适应有限元方法,其在网格剖分过程中能根据单元误差自动细化网格,保证了正演结果的精度.将自适应有限元与Occam算法结合,且引用并行处理技术提高正反演计算速度.通过对比两个理论模型,讨论了地形对MT正演响应的影响;其次进行了不同地电模型带地形反演展示了本文算法的正确性和适用性;最后将该方法应用于实测MT数据处理,证明了自适应非结构有限元方法是复杂地形下处理MT数据的有力工具.     

基于快速推进迎风双线性插值法的三维地震波走时计算

三维地震波走时计算技术是三维地震反演、层析成像、偏移成像等诸多地震数据处理技术中非常重要的正演计算工具.为了获得精度高且兼顾效率的三维走时计算方法:首先,在常规双线性插值公式推导过程中,充分利用平面波双线性假设的结论,获得了二元极小值超越方程的解析解,进而推导出了准确的局部走时计算公式,同时构造性地证明了该计算公式满足地震波的传播规律和Eikonal方程;其次,引入迎风差分的基本思想,提出迎风双线性插值的局部走时计算策略,该计算策略能简化算法、提高效率且保证无条件稳定性;然后,将上述计算公式和迎风双线性插值策略与常规快速推进法中的窄带技术结合,获得了一种新的基于快速推进迎风双线性插值法的三维地震波走时计算方法;最后,通过精度和效率分析检验了新算法的精度、效率和正确性,并通过计算实例验证了算法在面对复杂介质时的稳定性和有效性.     

Review on localized boundary integral equation:Discrete wavenumber method for 2D irregular layers

The pioneer study of simulating the wave field in media with irregular interface belongs to Aki and Larner.Since that many numerical methods on the subject have been developed,such as pure numerical techniques,ray method and boundary method.The boundary method based on boundary integral equation is a semi-analytical method which is suitable to modeling wave field induced by irregular border.According to the property of the applied Green's function the boundary methods can be sorted into space domain boundary method and wavenumber domain boundary method.For both of them it is necessary to solve a large equation,which means much computation is needed.Thus,it is difficult for the boundary methods to be applied in simulating wave field with high frequency or in large range.To develop a new method with less computation is meaningful.For this purpose,localized boundary integral equation,i.e.,discrete wavenumber method is proposed.It is rooted in the Bouchon-Campillo method,an important wavenumber domain boundary method.Firstly the force on interface is separated into two parts:one is on flat part and the other on irregular part of the interface.Then Fourier transform is applied to identify their relation,the unknown distributes only on irregular part.Consequently computation efficiency is dramatically improved.Importantly its accuracy is the same as that of Bouchon-Campillo.     

Comparison between the Fourier finite-difference method and the generalized-screen method

The Fourier finite‐difference propagator and the generalized‐screen propagator are two general high‐order forms of one‐way dual‐domain methods. We compare these two propagators mainly on phase accuracy, computational efficiency and 3D extension. A comparison of phase accuracy shows that the high‐order generalized‐screen propagator is preferable to the Fourier finite‐difference propagator for heterogeneous media with a weak velocity contrast and wide dip angle. With increasing velocity contrast, the accuracy improvement gained by the high‐order generalized‐screen propagator declines rapidly. The Fourier finite‐difference propagator is more robust and flexible to lateral velocity variations than the generalized‐screen propagator. The 2D Fourier finite‐difference propagator is superior to the 2D generalized‐screen propagator when the velocity contrast is stronger than 23%. Despite the two‐way splitting error, the 3D Fourier finite‐difference propagator is more accurate than the second‐order generalized‐screen propagator when the velocity contrast is stronger than 20% and is more accurate than the fourth‐order generalized‐screen propagator when the velocity contrast is stronger than 40%. Numerical experiments on the SEG/EAGE salt model demonstrate that the Fourier finite‐difference propagator behaves better than the generalized‐screen propagator when imaging steep salt boundary and faults beneath the salt body. Under the same hardware and software conditions, the computational cost of the Fourier finite‐difference propagator in our implementation is greater than that of the second‐order generalized‐screen propagator but smaller than that of the third‐order generalized‐screen propagator. Compared with the Fourier finite‐difference propagator, the generalized‐screen propagator requires fewer grid points per wavelength and has more potential to improve running speed in the presence of a much faster Fourier transform. These analyses are applicable for both forward modelling and depth migration.     

面向目标自适应海洋可控源电磁三维矢量有限元正演

本文实现了一种面向目标自适应海洋可控源电磁三维矢量有限元方法.为满足三维复杂电性结构模拟的需求,网格剖分采用非结构化六面体.在组装刚度矩阵之后,形成的大型复数线性方程组分解为等价的实数形式,利用带预条件的广义最小残差法进行求解.在获得微分方程的解之后,为提高解的准确性,通过面向目标的自适应误差估计来指示网格细化,重点加密能使观测点数值模拟精度提高的网格.对于大规模三维数据,为了使模型空间的并行计算达到均衡负载的效果,我们使用METIS函数库来进行网格计算任务量的划分.最后,通过对比一维解析解与三维自适应矢量有限元计算结果,验证了程序的正确性;通过自适应过程中误差指示子的分布,验证了面向目标自适应的有效性;通过对三维复杂模型进行均衡负载下的并行计算,测试了程序的可扩展性.     

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.