Analternatealgorithmofnumericalsimulationinanisotropicmedia

ＡｎａｌｔｅｒｎａｔｅａｌｇｏｒｉｔｈｍｏｆｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｉｎａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃｍｅｄｉａＤＩＮＧ－ＨＵＩＹＡＮＧ（杨顶辉），ＪＩ－ＷＥＮＴＥＮＧ（滕吉文）ａｎｄＺＨＯＮＧ－ＪＩＥＺＨＡＮＧ（张中杰）Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅｏ...     

首都圈地壳结构的拟波形层析成像研究

地震层析成像是研究地球内部结构的主要方法.文章利用首都圈区域内3231个地震挑选出来的29839条直达P波走时和29972条直达S波走时数据,首次使用拟波形层析成像方法对首都圈地区地壳的P波和S波速度,以及泊松比进行反演成像,获得了该区域三维高分辨率V_P、V_S以及泊松比结构.成像结果表明,首都圈地壳结构非均匀性强烈,地表地质构造特征与浅层的速度异常具有明显的一致性.中地壳康拉德面深度附近广泛存在的相对低速异常层可能是多期构造运动叠加的结果.该区域地震多发生于高低速及泊松比异常交界区域.唐山地震和历史上的三河-平谷地震震源下方都存在明显的相对低速异常,可能与流体的存在有关.深部速度结构异常的一致性可能暗示唐山地震和三河-平谷地震的深部发震构造具有一定的相似性.高分辨率精细速度结构的获得,为深入认识首都圈地区地壳结构的精细非均匀性和动力学机制提供了重要的科学依据.     

模拟地震波传播的三维逐元并行谱元法

高效地震波场正演模拟对于复杂模型中地震波传播与成像研究至关重要.本文在谱元法原理框架内,对已有逐元谱元法改进,提出一种新的逐元并行谱元法求解三维地震波运动方程,并得到地震波场.逐元并行谱元法的核心思想在于在单元上进行质量矩阵与解向量的乘积运算,并将此运算平均分配至每一个CPU计算核心,此处理有利提升谱元法的并行计算效率.同时,根据Gauss-Lobatto-Legendre(GLL)数值积分点与插值点重合的特点,将稠密单元刚度矩阵的存储转化成单元雅克比矩阵行列式的值及其逆的存储,大幅减少谱元法计算内存开销.此外,在模型边界上利用逐元并行谱元法求解二阶位移形式完美匹配层(PML)吸收边界条件,消除边界截断而引入的虚假反射.通过逐元并行谱元法得到的数值解与解析解对比,以及实际地震波场模拟,数值结果证实了逐元并行谱元法用于地震波场模拟的高效性.     

间断有限元方法的数值频散分析及其波场模拟

数值求解波动方程是大尺度正演波场模拟、基于波动方程的地震偏移和反演成像的关键.本文针对求解二维声波方程的Runge-Kutta 间断有限元（RKDG）方法的数值频散问题,从理论推导和数值分析的角度进行了深入研究,并将其与近似解析离散化方法（Optimal Nearly Analytic Discrete Method,简称ONAD 方法）、Lax-Wendroff 修正方法、交错网格（Staggered-Grid,简称SG）方法的数值频散进行了比较研究.结果表明：RKDG方法以及近似解析离散化方法在压制数值频散方面要好于上述其他方法,特别是空间精度为3阶的RKDG方法,即使当空间步长取波长的一半,即一个波长内取2个网格点时,最大的频散误差也不超过1.67%.同时,我们也通过波场模拟对比研究了不同数值方法的数值频散问题,进一步直观地验证了数值频散的理论分析结果.     

含泥质低孔渗各向异性黏弹性介质中的波频散和衰减研究

本文定义了各向异性黏弹性参数修正因子,并将其引入到黏弹性模型中以体现泥质含量对黏弹性机制的影响,同时将波传播过程中孔隙介质骨架黏弹性力学机制与两种孔隙流体流动力学机制（Biot流动和喷射流动机制）有机地统一起来处理,从而给出了描述含泥质低孔渗孔隙各向异性介质中波传播规律的黏弹性Biot/squirt (BISQ)模型.数值计算结果表明,入射波的方位角、各向异性渗透率以及泥质含量等对含流体复杂孔隙介质中波频散和衰减的影响具有显著的方位各向异性特征,在低频范围内（地震波勘探频率）黏弹性力学机制对波传播能量的衰减起主导作用.     

适用于更广渗透率范围含泥质砂岩的广义粘弹性BISQ模型

To simultaneously take into account the Biot-flow mechanism, the squirt-flow mechanism, and the frame-viscoelasticity mechanism, a generalized viscoelastic BISQ （Biot/squirt） model is developed for wave propagation in clay-bearing sandstones based on Dvorkin＇s elastic BISQ model. The present model is extended to a wide range of permeabilities （k 〉 0.05 mD） by introducing a dimensionless correction factor for viscoelastic parameters, defined as a function of the permeability and the clay content. We describe the frame＇s stress-strain relationship of the clay-bearing sandstones by the differential constitutive equations of generalized viscoelasticity and then derive the viscoelastic-wave dynamic equations. With the assumption of a plane-wave solution, we finally yield the phase velocities and the attenuation coefficients by solving the dynamic wave equations in the frequency and wave number domain. The comparison of numerical results and experimental data shows that the generalized viscoelastic BISQ model is applicable for modeling the wave propagation in most of the sandstones mainly bearing kaolinite clay.     

青藏高原整体隆升与地壳短缩增厚的物理－力学机制研究（上）

本文综合研究了青藏高原大地构造格局、地壳与地幔结构、地球物理场特征,对青藏高原整体隆升的物理一力学机制,进行了总结,并提出了隆升、地壳短缩和增厚的动力学模式。论文对以下五个问题进行了研究和讨论：第一,青藏高原巨厚的地壳、薄的岩石图结构、不同产状深大断裂以及推覆、切割和碰撞造山带的基本模式;第二,地震活动、断层面解与区域应力场;第三,板块运移与地体拼贴和大陆增生;第四,青藏高原隆升的物理一力学机制分析;第五,青藏高原隆升的地球动力学模式。研究结果表明,南部印度板块向北运移并与欧亚大陆板块碰撞,北部则受古亚洲板块阻隔并向南推移。在长期的碰撞与挤压作用下,造成了高原地区异常的地震活动和应力场,Ｌｇ波能量向南快速衰减和Ｑ值向南递增,水热活动强烈和地壳“南热”、“北冷”及岩石围中“壳热”、“慢冷”的格局。喜马拉雅南、北麓重力未达均衡,高山仍在上升,沿雅鲁藏布江由深部上涌的蛇绿岩套长达１７００ｋｍ,一系列走滑断层的形成和强烈的形变,形成了南界恒河平原北缘、北抵雅鲁藏布江的宽约３００～５００ｋｍ的碰撞挤压过渡带。基于此,青藏高原的隆升和地壳短缩增厚的物理一力学机制为软流圈的拖曳作用,促使印度板块与欧亚板块的碰撞和长期的挤     

双相各向异性研究、问题与应用前景

地球内部流体的存在和岩石各向异性是地下介质的两大表征,考虑地下流体和介质各向异性问题的双相各向异性理论是当今地震学和地球物理学理论与应用研究的前沿和难题之一。孔隙流体的存在、固体和流体之间的相互作用会弱化或硬化岩石的力学属性,上起声波或弹性声波速度的频散的振幅的衰减,并产生第二类压缩波。裂缝或裂隙的定向分布、岩层的旋性沉积、应力场的定向排列,都会引起传播速度的各向异性、横波发生分裂等重要现象,这些     

基于非结构网格求解三维D'Alembert介质中声波方程的并行加权Runge-Kutta间断有限元方法

间断有限元方法(Discontinuous Galerkin method,简称DGM)在求解地震波动方程时具有低数值频散、网格剖分灵活等优点,因此,为适应数值模拟对模拟精度和复杂地质结构的要求,本文提出一种新的加权Runge-Kutta间断有限元(weighted Runge-Kutta discontinuous Galerkin,简称WRKDG)方法,用于求解三维D′Alembert介质中声波方程.本文不仅详细推导了其数值格式,特别地,根据常微分方程理论给出了满足数值稳定性条件的一般经验公式,并首次对该方法的数值频散和耗散进行了深入分析,且考虑了耗散参数对结果的影响.同时,我们也对该方法进行了精度测试,并分析了3D情形下WRKDG方法的并行加速比,结果表明3D WRKDG方法具有良好的并行性.最后,我们给出了包含均匀模型、非规则几何模型以及非均匀Marmousi模型在内的数值模拟算例.结果表明,该方法不仅计算准确,能与解析解很好地吻合,且能有效模拟包含球体在内的非规则模型及非均匀Marmousi模型中的衰减声波波场.数值模拟实验进一步验证了WRKDG方法在求解三维D′Alembert介质中声波方程时的正确性和有效性,并获得了对这种强衰减介质中波传播特征的规律性新认识.     

二维SH波方程的半解析解及其数值模拟

本文以波动理论为基础, 半解析化求解地震勘探中常用的SH波方程. 获得的主要结果包括: 给出了二维均匀介质中SH波方程的解析解; 利用Cagniard-de Hoop方法详细推导了二维双层介质中SH波方程的解析解, 获得了透射波的解析解表达式. 同时, 基于SH波方程的解析表达式, 给出了包含各种波(如直达波、反射波、首波以及透射波)的解析解和波形图. 对于比较复杂的积分型解析解, 利用数值积分方法给出了数值结果, 并与优化的近似解析离散化方法(ONADM)和4阶Lax-Wendroff修正方法(LWC)的数值结果进行了比较, 以验证解析解的正确性. 本文的研究成果有望在检验波动方程数值新方法的有效性、波传播理论分析等方面得到应用.