槽波地震勘探的数学模型研究

为研究槽波的形成及地震时间剖面上的表现规律，利用非均匀各向同性介质的波动方程，应用有限差分法进行求解并编制了计算程度，给出了一个3层不对称模型的两分量计算结果实例。     

任意各向异性介质三维有限元航空电磁响应模拟

在航空电磁探测方法应用中,地下探测环境复杂,地下介质物性参数存在各向异性特征。如果采用常规各向同性介质模型,在资料解释过程中会产生严重的偏差。本文基于矢量有限元法开展三维任意各向异性频率域航空电磁响应模拟计算研究。首先,将总场分解成一次场和二次场,对空气介质的均匀全空间进行一次场解析计算,同时利用矢量有限元法对二次电场的双旋度方程进行求解。为提高求解速度,采用共享内存直接求解器PARDISO对大规模稀疏矩阵并行计算,大大提高了三维模型的计算速度。之后开展了4种典型目标模型的三维各向异性介质模拟：围岩各向同性-目标体各向异性（绕z轴旋转）模型;围岩各向同性-目标体各向异性（绕x轴旋转）模型;围岩各向异性-目标体各向异性（绕z轴旋转）模型;围岩各向异性-目标体各向异性（绕x轴旋转）模型。对比分析了不同模型在不同旋转角度情况下,磁场实虚分量的变化特征,进而总结了各向异性参数对航空电磁响应的影响规律和识别方法。     

横观各向同性饱和地基竖向振动的衰减特性

基于提出的横观各向同性饱和多孔介质Biot波动方程的一般解,研究了饱和半空间地基在竖向点源简谐激振荷载作用下地表振动的衰减特征,分析了激振频率以及横观各向同性饱和土介质的各向异性参数和孔隙渗透系数对地表振动特征的影响。计算结果表明,低频和高频激振时,地表位移衰减特性存在明显差异;在饱和土的各向异性参数中,纵向和水平方向动态渗透系数比值和刚度系数比值对地表位移衰减影响最大,这也说明采用各向同性饱和介质的动力学模型不能准确地描述具有明显各向异性特性的饱和土地基的动力特性。     

地震动下考虑各向异性土体-盾构隧道数值模拟

针对层状土体-盾构隧道地震反应分析,引入了横观各向同性弹塑性模型,建立了横观各向同性介质的双渐近-多向透射边界条件。针对盾构隧道抗震设计的特点,基于横观各向同性弹塑性模型,研制了考虑层状土体各向异性和施工开挖效应,适合于地下结构动力计算的弹塑性动力有限元程序。在程序中对不同的材料采用了不同的本构关系和单元形式,并采用了关联流动法则和多种屈服准则,可同时进行横观各向同性土体与地下结构的平面应力、平面应变和轴对称问题的静动力有限元分析。最后,利用所研制的程序对上海地铁二号线石门一路站附近区间隧道在不同超越概率地震波输入下的地震反应进行了计算。结果表明,在层状土体-地铁盾构隧道的抗震分析中考虑土体各向异性的影响是必要的,所提出的计算模型是合理易行的。     

TLM法在二维非均匀介质电磁场计算中的应用

传输线模型方法(Transm ission Line Modeling,TLM)是近年来发展起来的描述快速电磁场现象的分支。我们将TLM方法应用于二维介质电磁场的计算,并且详细地阐述了该算法的实现过程。在数值实验中,分别使用TLM法、有限差分法计算各向同性介质中的静电场的分布,通过对结果进行对比分析,证明了TLM方法具有较高的精度,并且用TLM方法计算电磁场相当直观。同时,还用TLM法计算了在二维非均匀各向同性介质中,点电流源情况下研究区域中的电位分布,其结果较为理想。     

利用高阶交错网格有限差分法数值模拟VTI介质井孔声场

横向各向同性（TI）介质是岩石地球物理中常见的一种现象,研究其井孔声场传播特征对声波测井理论以及为声波测井解释提供依据具有重要意义。针对具有垂直对称轴的横向各向同性（VTI）介质,根据柱坐标系条件下的弹性波波动方程,推导了速度-应力交错有限差分公式,采用时间二阶、空间十阶的交错有限差分算法对VTI介质中的井孔声场进行数值模拟。给出了在均匀介质中井孔声场不同时刻的波场快照,以及不同各向异性系数的VTI介质中的波场快照,计算了井轴上声源激发出的声波全波列波形。结果表明,在其他条件不变的条件下,VTI地层的各向异性系数的增大对横波的传播影响不大,但会使得纵波在纵向上的传播速度相对变小,径向上变化不大。各向异性系数的增大会使声波测井全波列首波信号时差变大,声波幅度略变小。      

传统和旋转交错网格有限差分在双相介质中的模拟对比

以Biot双相介质模型为背景,笔者推导了双相各向同性介质二维三分量一阶速度——应力弹性波方程方程,建立了各向同性双相介质波动方程的二维三分量有限差分格式。分别采用传统交错网格有限差分技术和旋转交错网格有限差分技术对均匀和非均匀双相各向同性介质进行了波场模拟。结果表明,旋转交错网格有限差分技术能够有效模拟双相各向同性介质中弹性波的传播情况;通过传统和旋转交错网格有限差分技术的对比,说明了旋转交错网格有限差分算法的稳定性更强,避免了插值带来的误差,是一种有效的地震波场模拟方法。     

振荡试验确定倾斜承压含水层水文地质参数

为评价振荡试验在获取倾斜承压含水层水文地质参数过程中含水层倾角对计算结果的影响,基于Kipp模型推导了考虑承压含水层倾角的振荡试验解析解模型。倾斜承压含水层量纲一贮水系数和量纲一导水系数不变条件下,测试井-含水层系统的量纲一阻尼系数随着倾角的增加而增加。修正模型计算的量纲一阻尼系数与Kipp模型计算的量纲一阻尼系数偏差10%以上时,必须考虑倾角的影响并且承压含水层倾角对水头响应曲线造成影响临界角度约为34°。修正模型和Kipp模型对现场振荡试验水头响应曲线分析结果的差异表明,忽略含水层倾角会对倾斜承压含水层导水系数和贮水系数的计算结果产生较大误差。     

可控源音频大地电磁法方位非各向同性层状介质Occam反演

目前,可控源音频大地电磁法测深资料反演主要基于各向同性介质,在复杂的地电体中,由于岩石裂隙或矿物形状等原因使得在各个方向的电阻率不同。本文主要探讨更为符合实际地质体情况的方位非各向同性层状介质在正交水平电偶源激发条件下的可控源音频大地电磁数据的反演。运用Occam反演方法,实现了可控源音频大地电磁法方位非各向同性层状介质反演。构建理论地电模型,通过理论模型合成数据的反演算例检验了所实现的可控源音频大地电磁法方位非各向同性层状介质反演算法的有效性和稳定性。同时,不同数据的反演结果表明:方位非各向同性介质的反演应同时使用视电阻率ρ_(sxy)、ρ_(syx)和相位φ_(xy)、φ_(yx)数据。     

地下采矿诱发斜坡移动变形分析

地下采矿与滑坡的关系问题是近期社会关注的热点问题。基于对此问题已有研究的不足,以及随机介质理论在矿区地表移动与变形预测中的广泛应用,探索采用随机介质理论方法对地下采矿条件下坡体的移动变形规律进行研究。以重庆武隆鸡尾山崩滑体为研究对象,建立了坡体内两个地下采矿剖面的计算模型,并通过计算机编程辅助计算,对地下采矿条件下坡体的移动变形规律进行了分析,并对不同地下采矿工况分别进行了详细研究。计算表明,采矿诱发的坡体不均匀沉降加剧了鸡尾山坡体的移动下滑趋势,认为随机介质理论适用于地下采矿诱发的坡体移动变形分析。     

地下采矿诱发斜坡移动变形分析

地下采矿与滑坡的关系问题是近期社会关注的热点问题。基于对此问题已有研究的不足,以及随机介质理论在矿区地表移动与变形预测中的广泛应用,探索采用随机介质理论方法对地下采矿条件下坡体的移动变形规律进行研究。以重庆武隆鸡尾山崩滑体为研究对象,建立了坡体内两个地下采矿剖面的计算模型,并通过计算机编程辅助计算,对地下采矿条件下坡体的移动变形规律进行了分析,并对不同地下采矿工况分别进行了详细研究。计算表明,采矿诱发的坡体不均匀沉降加剧了鸡尾山坡体的移动下滑趋势,认为随机介质理论适用于地下采矿诱发的坡体移动变形分析。     

渗流场分析及其在多孔介质中的应用

本文讨论了复杂地质环境中渗流场的反分析问题，利用地下水流数值模拟结合最优化技术，通过对地下渗流场的模拟和寻优，求得描述地下含水介质非稳定渗流场的重要参数－－渗透系数和给水度的模型解，并应用于各向同性的多孔介质渗流场反分析实例中。     

渗流场反分析及其在多孔介质中的应用

本文讨论了复杂地质环境中渗流场的反分析问题，利用地下水流数值模拟结合最优化技术，通过对地下渗流场的模拟和寻优，求得描述地下含水介质非稳定渗流场的重要参位──渗透系数和给水度的模型解，并应用于各向同性的多孔介质渗流场反分析实例中。     

DUT-1非冻结合成模型冰的弯曲强度

简介了DUT-1非并结合成模型冰的功能，给出DUT－1模型冰的弯曲强度的测试装置和设备，讨论该模型冰在不同加载速度下的破坏方式和发生峰值弯曲强度的条件，通过悬臂梁上弯和下湾实验结果，说明DUT－1模型冰的各向同性，检验了浸水模型冰性能的稳定性和模型冰湿密度对峰值弯曲强度的效应。     

倾斜电各向异性介质大地电磁正演研究

研究地层电各向异性性质能够圈定沉积地层中的油气储层和与地球动力学过程、地震预报有关的深部线性构造。通过得到的N层倾斜电各向异性介质大地电磁响应公式,在不同的电各向异性系数、地层倾角、倾斜层厚度参数下,对电各向异性倾斜地层模型进行了正演计算。结果表明:当电各向异性系数、地层倾角、地层厚度三者中任一变量改变时,视电阻率曲线的形态基本保持不变,但视电阻率曲线振幅值变化较大;视电阻率曲线对地层倾角参数的变化反应最为敏感;电各向异性系数的增加,能突显薄层电阻率异常。这有助于以后的电各向异性介质大地电磁反演和应用研究。     

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。     

水平层状电各向异性介质大地电磁正演研究

电各向异性现象在地球内部是普遍存在的,通过理论上推导的电各向异性介质的张量电导率的表达式及水平层状电各向异性介质的大地电磁正演公式,对一些地电模型进行数值计算,同时与电各向同性地电模型进行对比分析。结果表明,电各向异性介质的张量电导率的大小不仅与介质的固有电阻率性质有关,还与测量的方向有联系;电各向异性系数和相对测量角的变化都对地层的视电阻率和相位曲线振幅有较大的影响,但其曲线形态基本保持不变;当野外观测方向和电各向异性介质的电性主轴重合时,电各向异性介质模型可以看成两个独立的电各向同性介质模型。这些结果有助于以后的电各向异性介质实验研究和其大地电磁反演研究。     

随机介质中的探地雷达叠前逆时偏移成像

为了更好地分析探地雷达(GPR)叠前逆时偏移算法对实际地下随机分布介质的成像效果,采用随机过程的谱分解和混合型自相关函数理论构建了不同自相关长度的GPR随机介质模型。基于时域有限差分法(FDTD)构建了GPR叠前逆时偏移成像算法,其中FDTD用于计算正传和反传电磁波场,归一化互相关成像条件用于获取逆时偏移成像剖面。在此基础上,利用该算法对两个随机介质模型的多偏移距正演数据进行计算,并与相应背景介质为均匀介质的逆时偏移结果进行对比。结果表明:电磁波在随机介质中散射强烈,反射波扭曲变形、不连续,形成了明显的随机扰动,致使逆时偏移成像剖面的空间分辨率更低,低频噪声更强;自相关长度是影响随机介质中异常体成像效果的主要因素,自相关长度越小,异常体的成像越清晰,自相关长度越大,异常体的成像效果越差,且不易被识别。     

二维随机介质对声波传播影响

地层的形成是随机性和不确定性,用基于随机理论的方法来描述更为适合。利用随机介质建模的方法来描述地下介质中的小尺度非均匀性。为了考察小尺度非均匀性介质中声波的传播特性,建立了不同尺度的二维随机介质模型,利用有限差分法模拟随机介质中的声波场。分别对比不同自相关长度条件下地震记录及其波形与振幅谱,研究这些特征量与随机介质模型的自相关长度的关系。结果表明,自相关长度作为描述小尺度非均匀性尺度的参量,对声波在随机介质中传播影响很大。     

地震层析成像方法综述

地震层析成像作为一种有效还原地下介质速度模型的方法,为全波形反演提供了可靠的初始速度模型,从原始的射线层析到相移旅行时层析和瞬时旅行时层析,实现了地震波传播的有限频特性;从声波方程到弹性波方程,从各向同性介质到VTI,TTI介质,实现了对真实地下介质情况的模拟。减缓层析反演的病态性也一直是研究热点,常用的方法有正则化,用高斯束层析的敏感核代替传统的射线层析敏感核等。此外,为了避免使成像结果的精度依赖于共成像道集上反射位的真实深度,角度域双差分反射层析可以稳定有效地收敛到精确的偏移速度模型。如今,层析成像逐步向各向异性介质过渡,使用的数据从VSP到WVSP,从单一波形到多种波形联合反演发展,然而,分辨率和计算效率的相关问题仍然需要得到关注。