横观各向同性凸起地形对平面qP-qSV波的散射

为研究横观各向同性(TI)介质的凸起地形对平面qP-qSV波的散射问题,采用间接边界元法进行数值模拟并且分别给出该问题在时域和频域内的解答。在求解过程中将计算模型分解为开口层状半空间域和闭合凸起域,同时将波场分解为自由波场和散射波场,自由波场可通过直接刚度法求得,散射波场由斜线荷载动力格林函数来模拟。频域结果表明,TI介质参数的改变导致了凸起和层状半空间动力特性的改变,进而导致了凸起与层状半空间动力相互作用机制的改变,使得不同TI介质参数对应的地表位移幅值显著不同。而时域结果表明,TI介质参数与波的传播方向均对qP波和qSV波的在凸起地形中的传播有着显著影响。另外,时域结果更为清晰的地展示入射波、反射波和散射波的传播过程。     

波的传播及其与介质间断相互作用的数值模拟研究

本文用有限差分法模拟研究二维空间中波的传播、散射及其与介质间断的相互作用。文章第一部分运用所模拟的纵波波源讨论了半无限空间表面台阶地形或槽形裂隙所造成的波的散射。这些间断可模拟具有波长量级的悬崖或狭谷。第二部分用差分法与扰动法结合而成的混合法处理半无限空间表面有另一种物质构成的表面浅障碍时波的传播,以模拟山脊、堑沟等地形的影响。此混合法也被用于讨论半无限空间内含有水平夹层或孔隙的问题。所得研究结果对波的传播及其与介质间断的相互作用的理论研究和地震波破坏效应的分析和隔离等应用研究有一定的意义。     

电磁散射在层状空间目标的FDTD计算CSCD

研究用于分析层状空间目标电磁散射特性的时域有限差分(FDTD)方法。从二维Maxwell方程出发,导出带有入射角的一维修正Maxwell方程组及辅助方程,来计算二维总场-散射场(TF/SF)垂向边界上电磁场,从而在层状空间中实现直接时域形式的均匀平面波入射;为避免复杂的Sommerfeld积分,用互易原理得到简化的外推算法。用该方法对半空间目标电磁散射场和层状有耗空间中的线电流辐射场进行计算,在半空间近场区域得到了良好的均匀平面波,并且远场与已有文献结果和解析解结果都吻合较好,表明本算法和程序是正确和有效的。用该算法对多层状空间中的隧道、隧道内通车辆等目标以及隧道和车辆在无耗层状空间中的电磁散射特性进行研究。结果表明,金属车体对远区散射场贡献较大,且介质层的损耗特性影响着其对车体的屏蔽能力。     

电磁散射在层状空间目标的FDTD计算

研究用于分析层状空间目标电磁散射特性的时域有限差分(FDTD)方法。从二维Maxwell方程出发,导出带有入射角的一维修正Maxwell方程组及辅助方程,来计算二维总场-散射场(TF/SF)垂向边界上电磁场,从而在层状空间中实现直接时域形式的均匀平面波入射;为避免复杂的Sommerfeld积分,用互易原理得到简化的外推算法。用该方法对半空间目标电磁散射场和层状有耗空间中的线电流辐射场进行计算,在半空间近场区域得到了良好的均匀平面波,并且远场与已有文献结果和解析解结果都吻合较好,表明本算法和程序是正确和有效的。用该算法对多层状空间中的隧道、隧道内通车辆等目标以及隧道和车辆在无耗层状空间中的电磁散射特性进行研究。结果表明,金属车体对远区散射场贡献较大,且介质层的损耗特性影响着其对车体的屏蔽能力。     

地震波斜入射情形下水平成层半空间自由场的时域计算

在应用有限元模拟地震工程中的波动散射问题时，为了计算边界节点的运动和实现波动能量的输入，必须首先确定边界节点的内行波场即背景水平成层半空间的自由场。利用显式有限差分法的内节点位移计算公式和基于水平成层介质波动传播特点建立的相邻节点间自由场运动的关系式，给出了计算水平成层半空间自由场的时城方程(以入射侧边界节点为例)。本方法是显式有限元意义上的数值精确解，可应用于近场波动数值模拟中内行波场与散射波场的时城同步模拟。     

SH波作用下各向异性弹性半空间中浅埋圆孔附近的动应力集中研究

研究了稳态水平剪切（SH）波作用下含有圆柱形孔洞的各向异性弹性半空间的动力响应问题,探讨介质的各向异性对孔附近动应力的影响规律。运用复变函数和多极坐标方法在变换空间中构造出各向异性弹性半空间中圆孔的散射波函数,所构造的散射波函数能够自动满足半空间水平表面上应力自由的边界条件和无穷远处的Sommerfeld辐射条件。根据圆孔表面应力自由的边界条件,采用最小二乘法求解所构造的散射波函数的系数。分析了SH波以不同角度自弹性半空间内入射时,不同介质特性、入射波数和埋深对圆孔附近动应力集中系数的影响。数值结果表明,各向异性弹性半空间中孔附近的动应力比各向同性情况有明显增高。     

三维非均匀结构体对面波的多次散射

在面波层析成像和传统面波勘探中,都假定地球或浅层探测对象是一个均匀分层的多层介质模型,而实际上,介质的横向不均匀性广泛存在于从地球直到超声尺度的各种范围内.这里采用模式耦合的方法,研究了均匀半空间和二层介质中(也可以是多层的),三维非均匀体对Rayleigh面波的多次散射,计算了频率和时间域中的散射波场,并分析了散射波场的特点,为散射面波的应用提供了初步的理论基础.     

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。     

弹性半空间夹杂群对平面SH波散射的快速多极多域边界元法模拟

结合快速多极子展开技术,发展一种高精度快速多域间接边界元方法,用于求解弹性半空间大规模夹杂群对平面SH波的二维散射。数值检验表明,该方法能够高效精确地求解大规模多域散射问题,同时可大幅度降低计算存储量,据此在普通电脑上可实现数百万自由度二维多域出平面散射问题快速求解,进而分别针对半空间中均匀分布和随机分布的夹杂群,探讨了夹杂群刚度、形状对其周围平面SH波散射的影响规律。研究结果表明:由于弹性波的多次散射相干,使得夹杂群对平面SH波的散射与单夹杂体存在显著差异,总波场空间分布特征和位移频谱特征更为复杂;平面SH波散射特性主要取决于夹杂体的材料软硬程度、几何形状特征和入射波的角度、频率。另外,研究方法和分析结论可为半空间复杂不均质体对SH波散射正、反演分析提供新的技术手段和理论依据。     

基于间接边界元方法的SH波倾斜入射下边坡动力响应特征

地震作用下山体边坡的动力响应规律与地震波入射角度显著相关,本文基于间接边界元方法研究SH波倾斜入射下边坡的动力响应特征.基于间接边界元理论研发了用于边坡岩体动力响应分析的边界元程序,通过计算平直裂隙对弹性波的反射及散射波波场对程序进行验证,并详细探讨了不同类型的边坡在各种入射角度的应力波作用下的响应特性.SH波铅直向入射时,半圆形凹陷地形的谷肩位置地震动振幅最小,而半圆形凸起地形的最高点位置振幅最大,单面坡的坡肩位置地震动最大,楔形凸起地形的坡顶地震动最强烈;当SH波入射角增大,各类边坡的最大地震动力响应位置也有所偏移,地震放大系数亦随之变化;以樟木镇边坡为实例揭示了复杂形态边坡岩体中的局部凸起对地震动的放大作用.研究结果表明,边坡微地形特征对地震动力响应影响非常大,凸起山体坡顶的动力放大效应最为显著;同一边坡在不同入射角地震波作用下产生的动力放大系数以及发生的位置不同.本文的研究结果对评价坡体稳定性和边坡工程抗震防设等具有重要的指导意义.      

考虑散射效应沉积河谷空间相关多点地震动模拟

提出了一种考虑地震波散射效应的沉积河谷空间相关多点地震动模拟方法。基于弹性波传播理论,采用合理功率谱、相干函数和传递函数模型,借助原型谱表示法得到沉积河谷空间相关多点地震动,并验证了方法的可行性。其中,传递函数应用动力边界元法计算,可在很宽的频带内精细模拟沉积河谷中波型转换及聚焦效应。针对常见V型河谷开展了计算模拟,结果表明,河谷地形及松软沉积层对地震波传播具有显著影响,河谷地表地震动空间差异性十分显著,一维模型难以考虑地震波的散射及聚焦效应,从而会明显低估沉积内部部分区域的地震动峰值加速度。沉积河谷中大跨结构抗震设计宜采用考虑地震波散射效应的空间相关多点地震动输入。     

局部断层场地对P波的散射影响研究

采用间接边界元法,借助Wolf的土层和半空间精确动力刚度矩阵和斜线荷载格林函数,在频域内求解了局部断层场地对P波的散射,着重分析了破碎带较窄断层两侧围岩动力响应的基本规律,以及场地动力特性对散射的影响。研究表明,破碎带断层对入射P波有着显著的影响,即使破碎带很窄,也可对P波产生很大的放大作用;层状场地动力特性对放大作用有显著的影响。     

VTI介质井间地震高斯束正演数值模拟

为了研究垂直横向各向同性(VTI)介质井间地震中,地震波的传播方向及波场特征,采用高斯束方法对复杂构造进行波场正演模拟。分析VTI介质中地震波的群相关系,并提出群相数据库思想来解决地震波在VTI介质中传播的方向和速度问题,改善了波场正演模拟的算法。同时高斯束正演方法不仅能够解决复杂构造的盲区问题,且其动力学特征更能反映各向异性介质对地震波传播的影响。较VTI介质频率-空间域弹性波正演模拟方法,正演结果一致且计算效率高,能有效分辨地震波场特征,为地震数据的处理与解释提供了借鉴。     

起伏地表二维瑞雷面波正演模拟及波场分析

采用高精度交错网格有限差分法,建立了在起伏地表条件下瑞雷面波数值模拟的自由边界条件,通过对倾斜二层模型模拟的结果与解析解对比,二者完全一致,由此证明了起伏地表下瑞雷面波数值模拟的正确性。在此基础之上,模拟并分析了小凸起与小凹陷模型条件下,瑞雷面波的波场传播特征。通过分析得出瑞雷面波在这二种地形传播时,都存在反射、波型转换,以及能量再分配。因此,在起伏地表条件下,利用瑞雷面波进行勘探时要考虑起伏地表对瑞雷面波波场的影响。     

旋转交错网格TTI介质波场模拟与波场分解

为了得到TTI介质中传播的纯纵波和纯横波波场,采用旋转交错网格高阶有限差分法对TTI介质中传播的地震波场进行了数值模拟,并利用q P波、q SV波、SH波的极化方向相互垂直的特性,来实现q P波、q SV波、SH波的分解。通过对均匀介质模型和复杂层状介质模型分解前后波场快照和地震记录的对比,验证了本文方法的正确性。     

浅水域可控源海洋电磁测量中空气波的渐近表达与波场分离方法

可控源海洋电磁(MCSEM)勘探中空气波对海底电磁响应的影响已为业界所重视, 它是由水平电偶极子源发射的电磁信号沿空气-海水界面传播与来自海底地层的有效信号相互作用产生的。在浅水域勘探时, 空气波淹没来自地层的有效信号, 使浅水域MCSEM实现油气层识别产生困难。基于层状介质模型, 采用电磁场的模式分解理论导出了半空间电阻率模型的空气波表达式, 利用该式将空气波在海水层的传播近似用海水-空气界面与海底地层之间的多次鸣震表达。结合源和接收器两边电磁场的传播特征, 导出了有限水深时空气波近似关系, 用于近似模拟空气波响应。为了对比不同方法压制空气波的效果, 基于上行波场和下行波场的分解方法, 获得了含油气高阻储层上上行波的异常幅度增大数倍的结果, 显示了波场分解方法压制空气波的良好效果。最后, 利用不含油气层的背景模型和含油气储层模型电磁响应的数值模拟结果, 比较空气波渐近表达和波场分离2种空气波压制方法可知:对于水平层状模型后者效果更好;前者可适用于崎岖海底地层的数据处理, 后者只适用于水平海底地层。     

基于解耦传播的波场分解方法在VTI介质弹性波逆时偏移中的应用

由于弹性波逆时偏移更符合实际情况,而且转换波的成像结果有更高的分辨率,因此弹性波逆时偏移越来越受到重视。然而,弹性波逆时偏移需要多波多分量数据,为了减少成像结果中的串扰假象,在逆时偏移过程中进行P波和S波分解就变得非常必要。结合基于向量的激发振幅成像条件,我们把基于解耦传播的波场分解方法应用到弹性波逆时偏移中,并对比了其在各向同性介质和横向各向同性（VTI）介质中的应用效果。结果说明,该方法可以在各向同性介质中完全分解P波和S波,并保留波场的向量信息。虽然在VTI介质中有较小的分解残余,但是该分解残余不会在逆时偏移结果中产生明显的串扰;因此,这种波场分解方法可以应用于各向同性介质和VTI介质弹性波逆时偏移。该方法是在时间空间域实现的,可以在波场传播过程中直接对P波和S波进行分离,应用方便,计算效率高。与利用Helmholtz分解的弹性波逆时偏移相比,该方法避免了在PS波成像结果中的极性反转问题。在复杂Hess VTI模型的逆时偏移结果中,高速岩体和断层的成像清晰,甚至是两个低速薄夹层也能较好成像;这说明该方法对复杂介质具有较好的适应性。PS波成像结果中的各向异性体成像清晰,说明各向异性介质弹性波逆时偏移可以对传统逆时偏移不能很好成像的构造进行成像。     

层状半空间中洞室对入射平面SV波的散射

利用间接边界元法,在频域内求解了层状弹性半空间中洞室对入射平面SV波的散射问题。通过自由场反应分析,求得假想洞室边界上各点位移和各单元应力响应。在洞室边界各个单元上施加虚拟分布荷载,求得位移和应力的格林函数。根据应力边界条件确定虚拟分布荷载,将自由场位移响应和虚拟分布荷载产生的位移响应叠加起来,即得到问题的解答。比较了层状半空间和均匀半空间中洞室对入射平面SV波的放大作用。结果表明,层状半空间情况有可能导致较大的地表位移幅值,尤其是对于较低频率入射波。     

有耗媒质中线天线激励下三维异常体的散射

本文研究均匀有耗媒质中,在半波长偶极天线的场激励下,多种形状和参数的异常体的散射特性。用矩量法分别求解良导电球体散射的磁场积分方程和有限导电的长方形异常体散射的电场积分方程。讨论了与数值法有关的近似、误差和检验等问题。通过数值计算得出媒质电参数改变、散射体大小、形状以及空间位置改变时散射场变化的规律。水中金属球和介质块散射的测量结果与数值计算结果吻合较好,验证了数值模型的正确性。