裂缝诱导双相HTI介质地震波场错格伪谱法模拟与波场特征分析

裂缝诱导的双相具有水平对称轴的横向各向同性(HTI)介质模型是由一组平行排列的垂直裂缝嵌入到统计各向同性的流体饱和多孔隙岩石中而组成的,它综合考虑了裂缝型储层岩石的各向异性和孔隙性.高精度的地震波场数值模拟技术是研究该介质中地震波传播规律的主要方法.本文结合错格伪谱法和时间分裂法,求解描述该介质中地震波传播的一阶速度-应力方程.模拟了单层和双层模型中的地震波场,并对其进行了特征分析.研究结果表明:错格伪谱法能有效消除标准网格伪谱法波场模拟结果中出现的数值伪影现象,与时间分裂法结合能够获得稳定的、高精度的模拟结果;裂缝诱导双相HTI介质中的地震波场兼具裂缝各向异性介质和双相介质中传播的地震波的波场特征.     

细胞自动机用于地震偏移:数值模拟试验

利用细胞自动机模型进行了地震偏移处理的尝试．采用格子Boltzmann模型和三角形网格,以向下两个方向的粒子代表下行波,根据归一化的地震记录计算粒子数密度,在相应的时刻在代表地表的网格点上设定粒子数密度,以下行粒子在网格中的演化模拟波场延拓过程．粒子系统演化结束时即得到偏移后的波场图象．本文对一个常速介质理论模型进行了偏移处理,得到了满意的结果。     

求解二阶解耦弹性波方程的低秩分解法和低秩有限差分法

时间域的波场延拓方法在本质上都可以归结为对一个空间-波数域算子的近似.本文基于一阶波数-空间混合域象征,提出一种新的方法求解解耦的二阶位移弹性波方程.该方法采用交错网格,连续使用两次一阶前向和后向拟微分算子,推导得到了解耦的二阶位移弹性波方程的波场延拓算子.由于该混合域象征在伪谱算子的基础上增加了一个依赖于速度模型的补偿项,可以补偿由于采用二阶中心差分计算时间微分项带来的误差,有效地减少模拟结果的数值频散,提高模拟精度.然而,在非均匀介质中,直接计算该二阶的波场延拓算子,每一个时间步上需要做N次快速傅里叶逆变换,其中N是总的网格点数.为了减少计算量,提出了交错网格低秩分解方法;针对常规有限差分数值频散问题,本文将交错网格低秩方法与有限差分法结合,提出了交错网格低秩有限差分法.数值结果表明,交错网格低秩方法和交错网格低秩有限差分法具有较高的精度,对于复杂介质的地震波数值模拟和偏移成像具有重要的价值.     

二维横各向同性弹性随机介质中的波场特征

本文通过交错网格有限差分正演．模拟了平面地震波在二维横各向同性弹性随机介质模型中的传播及其自激自收时间记录．为研究横各向同性弹性随机介质模型中的波场特征,我们在五个不同的时间区段上,分别计算剖面的三个统计特征(横向中心频率、纵向中心频率、波场能量相对值)．这样,对应每一个横各向同性弹性随机介质模型．均可计算得到15个不同的波场特征量．我们通过在二维横各向同性弹性随机介质中的正演模拟．研究当自相关长度以及介质的各向异性系数变化时,对应的上述波场特征量的变化特点．证实了在随机介质模型中．各向异性系数的变化会引起波场记录上的某些统计特征的变化,归纳得出了若干结论．     

混合ADI-FDTD亚网格技术在探地雷达频散媒质中的高效正演

提出混合ADI-FDTD亚网格技术开展频散介质GPR正演,即在物性参数变化剧烈局部区域采用细网格剖分ADI-FDTD计算,其他的区域采用粗网格剖分常规FDTD计算,ADI-FDTD突破了CFL条件的限制,可选取与粗网格一致的大时间步长,有效地提高了计算效率.本文首先基于Debye方程,推导了粗网格FDTD及细网格ADI-FDTD频散介质差分格式,着重对粗细两种网格结合的场值交换方式进行了深入探讨,给出了该算法的计算流程.然后以一个薄层模型为例,分别应用粗网格、细网格、混合ADI-FDTD亚网格算法对该模型进行正演,计算资源的占用及模拟精度说明了混合ADI-FDTD亚网格算法的优势.最后,建立频散介质与非频散介质的组合模型,应用3种方法对该模型进行正演,对比3种方法优劣,分析雷达剖面中非频散介质及频散介质中波形特征,有效地指导雷达资料的精确解释.     

二维粘弹性随机介质中的波场特征分析

通过交错网格有限差分正演,模拟了平面地震波在二维粘弹性随机介质模型中的传播及其自激自收时间记录．为研究粘弹性随机介质模型中的波场特征,我们在理论记录(垂直分量)剖面上选取两个时间区段;在这两个不同的时间区段上,分别计算剖面的三个统计特征(横向中心频率、纵向中心频率、波场能量相对值)．这样,对应每一个粘弹性随机介质模型,我们均可计算得到6个不同的波场特征量．我们通过在二维粘弹性随机介质中的正演模拟,研究当自相关长度以及粘弹吸收系数变化时,对应的上述波场特征量的变化特点,最终得出了若干结论。     

谐振Q模型介质地震波场数值模拟

由于时间域内粘弹性介质的本构方程是一种卷积积分形式,无法将它直接离散化数值求解.本文采用GSLS模型逼近谐振Q模型介质的粘弹性;推导了粘弹性介质中实现纵波和横波分解的等价波动方程.同时给出了等价方程的完全匹配吸收边界(PML)条件公式及相应的交错网格任意偶数阶精度有限差分格式.最后应用交错网格高阶有限差分法,求解等价波动方程.实验显示GSLS模型逼近精度高,吸收边界效果好,能够实现纵、横波的完全分离,可以得到高精度的波场快照和合成记录;并且波场快照和合成记录能较好的反映谐振Q模型介质的粘弹性特征.结果证明GSLS模型能够精确地逼近谐振Q模型的粘弹性.     

频率域声-弹耦合地震波波动方程有限差分方法

本文针对声-弹耦合介质,为尽可能的减少频率域正演模拟的计算内存,提高计算效率,在一阶非均质位移-应力波动方程的基础上,借助等效交错网格思想并充分考虑密度参数空间变化对地震波传播的影响,推导了声-弹耦合地震波波动方程.在流相介质和固相介质中分别采用非均质情况频率域二阶声压标量波、二阶纯位移控制方程,为保证流、固相介质间地震波能量的稳定传输和有效交换,提出了声-弹耦合界面转换过渡层方法,并详细阐述了过渡层与上下介质空间差分具体耦合方法.在与非均质纯位移波动方程正演结果对比分析的基础上,首先采用各向同性单层流相介质模型进行正演模拟验证了声-弹耦合方程数值模拟中过渡层策略的有效性和准确性,随后又数值模拟了地震波在声-弹耦合介质简单模型和复杂Marmousi2模型中的传播,验证了本文方法稳定性和准确性,同时该方法可以简单的推广到三维情况.     

基于三角网格模型剖分的高斯束正演数值模拟

高斯束射线追踪方法克服了渐近射线法在复杂焦散区等非正则区域无法传播的困难,无需考虑两点射线追踪,使得适用于更加复杂的地质模型．本文将三角网格模型剖分方法与高斯束方法相结合,推导了射线方程的解析解,实现了三角网格剖分的复杂构造高斯束正演数值模拟．模型试算表明,该方法具有波动方程法正演模拟的计算精度以及射线类正演模拟的计算效率,同时可将复杂构造波场传播问题转化成三角网格内部常慢度梯度模型射线追踪,为复杂构造波场正演模拟提供新思路．     

黏弹性介质VSP记录模拟及在估算Q值研究中应用

采用标准线性固体模型,本文建立了黏弹性介质完全匹配层吸收边界的高阶速度-应力交错网格有限差分算法,并对黏弹性介质中的地震波传播进行了数值模拟.基于黏弹性波动方程正演模拟提供的零偏VSP全波场数据,本文进行了质心频移法计算Q值的反演分析.结果表明,反射波、转换波及短程多次波对频谱的影响较大,对Q值反演造成一定误差.本文的...     

基于Lamb问题的谱元法和有限元法模拟精度比较

在地震动数值模拟方法中,谱元法和有限元法是应用较广泛的两种方法。基于经典的Lamb问题模型,首先推导给出地表竖向位移的解析解答。然后分别利用常用的四阶谱元法和线性有限元法,模拟了地表脉冲力源作用下模型的位移响应。考虑有意义的最短波长内的采样点个数及单元高宽比的变化,对比了两种方法的模拟精度;结果表明:对于谱元法,观测点与波源之间需至少包含两个网格,在此条件下,最短波长内包含一个网格（最短波长内5个采样点）时,数值解与解析解的误差小于1%,已达很高的精度;对于有限元法,最短波长内需包含10个网格时才能达到这一精度。此外,在满足网格尺寸要求的前提下,单元水平向与垂直向尺寸的比值在1∶1到5∶1的范围内时,谱元法和有限元法的模拟精度均变化不大。因此,单位波长内采样点个数相同时,谱元法的模拟精度比有限元法高的多,同时,在一定范围内两种方法的模拟结果对于宽高比的变化不敏感。     

Effects of grid cell size and time step length on simulation results of the Limburg soil erosion model (LISEM)

With increasing computer power, process‐based models that use grids to discretize space have become increasingly popular. For such models, the simulation results might depend on both grid cell size and, in the case of dynamic models, on the time step length used in the model. In this study, the dynamic Limburg soil erosion model (LISEM) was applied to a small catchment on the Chinese Loess Plateau. To study the effect of grid cell size and time step length, simulations were performed for grid cell sizes ranging from 5 to 100 m for a single time step length, and for time step lengths ranging from 2 to 120 s for a single grid cell size. The results show that the LISEM results vary considerably as a function of both grid cell size and time step length. For both increase in cell size and increasing time step length, the trend was a decrease in predicted discharge and predicted soil loss. For discharge, the most important causes are likely to be a decrease in slope with increasing grid cell size, rainfall averaging for longer time step lengths, and numerical dispersion of the kinematic wave solution. For soil loss, the cause is less clear, reflecting the complexity of soil loss prediction, which depends on available water, transport capacity and sediment redistribution, all of which change in time and space. These results show that a choice for a certain grid cell size and a certain time step length should be made before calibration of the model. Similar erosion models are likely to have similar dependencies on grid size and time step length. Copyright © 2005 John Wiley & Sons, Ltd.     

最大准则优化技术在贴体网格中的应用

贴体网格在地质数值模拟中具有广阔的应用前景,为解决贴体网格生成时边界离散问题,提出了最大长度准则和最大面积准则,把曲线逼近和曲面网格优化问题转化为数学优化问题,为求解该问题,提出了改进的单粒子优化算法.试验表明,最大长度准则和最大面积准则的优化效果好于常规方法;以改进的单粒子优化算法求解该问题时,计算效率是智能单粒子优化算法的30倍左右（节点量为200）,从而实现最大长度准则和最大面积准则在贴体网格生成中的应用.针对最大面积准则优化曲面网格不能控制网格步长的情况,提出了限定步长的网格优化算法,使网格步长合理化,并通过实例验证了该算法的有效性.研究成果提供了生成贴体网格时边界优化准则和求解方法,对今后复杂边界的贴体网格生成具有重要意义.     

瞬变电磁三维FDTD正演多分辨网格方法

瞬变电磁三维时域有限差分（FDTD）正演的网格剖分受最小网格尺寸、时间步长、边界条件、目标尺寸、模型尺寸等的影响,结构化网格一直存在最小网格尺寸受限于异常目标尺寸的矛盾;尽管非均匀网格能够在保证模型尺寸的前提下尽可能的降低网格数量,但由于Yee网格结构的限制,非均匀网格不能无限制的扩大单一方向的尺寸,这是为了避免边界网格区域出现长宽比过大的畸形网格,影响计算精度甚至导致结果发散.在非均匀网格剖分的基础上,本文提出了瞬变电磁三维FDTD正演的多尺度网格方法,即首先使用较大尺寸的粗网格进行第一次剖分,然后在希望加密的区域进行二次剖分,使计算域中包含粗、细两套网格.尽管细网格包含在粗网格内部,但其具有Yee网格的全部属性,因而可以在网格中设置不同的电性参数模拟不同形状的目标.基于Maxwell方程组推导了细网格内电场和磁场的迭代公式,基于泰勒展开给出了设置粗、细网格后产生的内部边界条件,使电磁场的传播在粗、细网格和时间步进上得到统一.采用均匀半空间中包含三维低阻异常的经典模型和三维接触带复杂模型进行精度验证,发现多分辨网格方法计算结果满足精度要求.使用"L"型异常模型计算采用多分辨网格方法和不采用多分辨网格的传统FDTD方法对比计算效率,发现多分辨网格算法能够显著提高计算效率,并能够保证计算精度.     

COMPUTATIONAL ASPECTS OF THE CHOICE OF OPERATOR AND SAMPLING INTERVAL FOR NUMERICAL DIFFERENTIATION IN LARGE-SCALE SIMULATION OF WAVE PHENOMENA*

Conventional finite-difference operators for numerical differentiation become progressively inaccurate at higher frequencies and therefore require very fine computational grids. This problem is avoided when the derivatives are computed by multiplication in the Fourier domain. However, because matrix transpositions are involved, efficient application of this method is restricted to computational environments where the complete data volume required by each computational step can be kept in random access memory. To circumvent these problems a generalized numerical dispersion analysis for wave equation computations is developed. Operators for spatial differentiation can then be designed by minimizing the corresponding peak relative error in group velocity within a spatial frequency band. For specified levels of maximum relative error in group velocity ranging from 0.03% to 3%, differentiators have been designed that have the largest possible bandwidth for a given operator length. The relation between operator length and the required number of grid points per shortest wavelength, for a required accuracy, provides a useful starting point for the design of cost-effective numerical schemes. To illustrate this, different alternatives for numerical simulation of the time evolution of acoustic waves in three-dimensional inhomogeneous media are investigated. It is demonstrated that algorithms can be implemented that require fewer arithmetic and I/O operations by orders of magnitude compared to conventional second-order finite-difference schemes to yield results with a specified minimum accuracy.     

基于WNAD方法的非一致网格算法及其弹性波场模拟

加权近似解析离散化(WNAD) 方法是近年发展的一种在粗网格步长条件下能有效压制数值频散的数值模拟技术. 在地震勘探的实际应用中, 不是所有情况都适合使用空间大网格步长. 为适应波场模拟的实际需要, 本文给出了求解波动方程的非一致网格上的WNAD算法. 这种方法在低速区、介质复杂区域使用细网格, 在其他区域采用粗网格计算. 在网格过渡区域, 根据近似解析离散化方法的特点, 采用了新的插值公式, 使用较少的网格点得到较高的插值精度. 数值算例表明, 非一致网格上的WNAD方法能够有效压制数值频散, 显著减少计算内存需求量和计算时间, 进一步提高了地震波场的数值模拟效率.     

Using the pseudospectral technique on curved grids for 2D acoustic forward modelling1

The Fourier pseudospectral method has been widely accepted for seismic forward modelling because of its high accuracy compared to other numerical techniques. Conventionally, the modelling is performed on Cartesian grids. This means that curved interfaces are represented in a ‘staircase fashion‘causing spurious diffractions. It is the aim of this work to eliminate these non-physical diffractions by using curved grids that generally follow the interfaces. A further advantage of using curved grids is that the local grid density can be adjusted according to the velocity of the individual layers, i.e. the overall grid density is not restricted by the lowest velocity in the subsurface. This means that considerable savings in computer storage can be obtained and thus larger computational models can be handled. One of the major problems in using the curved grid approach has been the generation of a suitable grid that fits all the interfaces. However, as a new approach, we adopt techniques originally developed for computational fluid dynamics (CFD) applications. This allows us to put the curved grid technique into a general framework, enabling the grid to follow all interfaces. In principle, a separate grid is generated for each geological layer, patching the grid lines across the interfaces to obtain a globally continuous grid (the so-called multiblock strategy). The curved grid is taken to constitute a generalised curvilinear coordinate system, where each grid line corresponds to a constant value of one of the curvilinear coordinates. That means that the forward modelling equations have to be written in curvilinear coordinates, resulting in additional terms in the equations. However, the subsurface geometry is much simpler in the curvilinear space. The advantages of the curved grid technique are demonstrated for the 2D acoustic wave equation. This includes a verification of the method against an analytic reference solution for wedge diffraction and a comparison with the pseudospectral method on Cartesian grids. The results demonstrate that high accuracies are obtained with few grid points and without extra computational costs as compared with Cartesian methods.     

VTI介质纯P波混合法正演模拟及稳定性分析

各向异性介质纯P波方程完全不受横波的干扰,在一定程度上可以减缓由于介质各向异性引起的数值不稳定,本文推导了具有垂直对称轴的横向各向同性(VTI)介质纯P波一阶速度-应力方程.由于纯P波方程存在一个分数形式的伪微分算子,无法直接采用有限差分法求解.针对该问题,本文采用伪谱法和高阶有限差分法联合求解波动方程,重点分析了混合法求解纯P波一阶速度-应力方程的稳定性问题,并给出了混合法求解纯P波方程的稳定性条件.数值模拟结果表明纯P波方程伪谱法和高阶有限差分混合法能够进行复杂介质的正演模拟,在强变速度、变密度的地球介质中仍然具有较好的稳定性.