粘弹性裂隙型单斜介质多方位地面三分量记录模拟

针对粘弹性裂隙型单斜介质,本文应用高阶交错网格差分法,对其传播快照以及多方位地面三分量记录进行模拟,结果证明了裂隙填充物的性质引起的各向异性与粘弹性性质对单斜介质波场有明显的影响,总结了不同观测方位地震记录呈现出的规律性,这为进一步了解波场在介质中的传播情况,提出更合理的理论模型,提供一种尝试。     

裂隙型单斜介质中多方位地面三分量记录模拟

针对裂隙型储集层中更具代表性的各向异性介质模型,即在各向同性背景介质中含有两组斜交的垂直裂隙所构成的单斜各向异性介质模型,利用时间和空间上可达任意阶的高阶交错网格有限差分技术,对具有不同裂隙填充物性质的单斜介质中波的传播快照进行了模拟.结果证实各向异性介质中波的传播速度随传播方向的不同而产生明显的差异;裂隙填充物的性质对于速度各向异性具有很大的影响.另外,利用坐标旋转法,对水平层状各向异性介质中多方位地面三分量记录进行了模拟,结果表明了方位各向异性介质中,波的传播速度不仅随入射角的变化而变化,同时也随观测方位的不同而产生差异.数值模拟结果为进一步利用地面多方位地震属性进行各向异性参数的反演及裂隙参数的描述提供理论基础.     

Numerical simulation of seismic wave in elastic and viscoelastic TTI media*

Based on the two-dimensional (2D) three-component first-order velocity-stress equation, the high order staggered mesh finite difference numerical simulation method was used to simulate the elastic and viscoelastic tilted transversely isotropic (TTI) media. The perfect matched layer (PML) absorption boundary condition was selected to eliminate the boundary effect. The results show that: ① Under the condition of fixed elastic parameters of elastic TTI medium, when the polarization angle and azimuth are 60° and 45° respectively, the degree of shear wave splitting is significantly greater than the angle of 0°; ② The influence of viscoelasticity on TTI medium is mainly reflected in the amplitude. If the quality factor decreases, the attenuation of the seismic wave amplitude increases, causing the waveform to become wider and distorted. If the quality factor increases, the viscoelastic medium becomes closer to elastic medium; ③ For TTI medium with different polarization angle and azimuth angle in the upper and lower layers, the shear wave can multiple splits at the interface of medium. The symmetry of seismograms is affected by the polarization angle and azimuth angle of TTI medium; ④ Viscoelasticity has a great influence on reflected wave, transmitted wave and converted wave in the low-velocity model. When the viscoelasticity is strong, the weaker waves may not be shown.     

方位各向异性粘弹性介质波场数值模拟

当地震信号通过复杂地球介质时,地层除了表现为各向异性,还表现为内在的粘弹性特征.因此,为准确描述地震波在地球介质中的传播特征,理想的地球介质模型应该能够模拟岩石的各向异性特征和衰减特征.本文给出了各向异性粘弹性介质模型的波动方程及其差分格式,并利用有限差分法实现了地震波波场数值模拟.结果表明了该介质模型中地震波场特征与各向异性主轴方位和介质的粘滞性参数之间的关系.     

含流体裂缝介质中地震波场数值模拟

油气勘探开发实践证明,裂缝常常是油气藏存储的空间或运移的通道,因此,裂缝各向异性介质中地震波场的研究越来越倍受关注,国内外很多岩石物理学者、地球物理专家等对裂缝信息的描述提出了很多理论认识与方法技术.本文根据Eshelby-Cheng各向异性裂缝介质模型理论,求取各向异性裂缝介质的弹性参数,并建立Eshelby-Cheng各向异性裂缝介质的波动方程,利用时间错格伪谱法对含流体裂缝介质进行数值模拟,模拟结果表明,采用时间错格伪谱法能有效解决各向异性介质的波场传播,利用时间错格有限差分算子替代普通的差分算子来求解时间导数,利用快速傅氏变换求解空间导数,大大提高了正演模拟的计算精度与计算效率.并且与各向同性介质相比,地震波在含流体裂缝各向异性介质中的传播要复杂得多,各向同性介质层中的波是纯的,其横波不会发生分裂,而在各向异性介质层中,横波将发生分裂.     

粘弹各向异性介质中地震波场模拟与特征

通过引入记忆变量,可以避免粘弹性应力-应变关系中的褶积运算,使波场数值模拟易于实现.通过伪谱法对粘弹各向异性介质中的qP波、qS波数值模拟,结合理论分析,研究了粘弹各向异性介质中速度各向异性和衰减各向异性.衰减各向异性要比速度各向异性更为显著,并且qS波比qP波的衰减各向异性明显.粘弹各向异性介质中,粘弹性对波的影响主要在于波的衰减,各向异性主要影响波前面形状.     

黏弹TTI介质中旋转交错网格高阶有限差分数值模拟

以Carcione黏弹各向异性理论为基础,给出了适用于黏弹性具有任意倾斜对称轴横向各向同性介质(黏弹TTI介质)的二维三分量一阶速度-应力方程,采用旋转交错网格任意偶数阶精度有限差分格式求解该方程,并推导出了二维黏弹TTI介质完全匹配层(PML)吸收边界条件公式和相应的旋转交错网格任意偶数阶精度有限差分格式,实现了该类介质的地震波场数值模拟.数值模拟结果表明:该方法模拟精度高,边界吸收效果好,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地反映地下介质的各向异性特征和黏弹性特征.     

海底天然气水合物OBS多分量地震正演模拟（英文）

根据Ecker的水合物沉积物的三种微观模式,计算含水合物沉积层和含游离气沉积物的弹性模量,分析对比了水合物的不同微观模式、不同水合物饱和度以及不同游离气饱和度对沉积物弹性模量的影响;从纵横波分离的弹性波动方程出发,采用交错网格空间有限差分方法模拟地震波在海底天然气水合物沉积地层的传播,得到纵、横波的海底地震（OBS）共接收点道集。数值算例表明,当水合物作为流体的一部分或胶结颗粒骨架时,仅纵波记录上存在BSR;当水合物胶结颗粒接触,纵、横波记录上均存在BSR。并且,OBS会接收到上行纵波和上行横波在海底界面形成的转换波,干扰横波记录上BSR的识别。     

VTI介质起伏地表地震波场模拟

起伏地表下地震波场模拟有助于解释主动源和被动源地震探测中穿过山脉和盆地的测线所获得的资料.然而传统的有限差分法处理起伏的自由边界比较困难,为了克服这一困难,我们将笛卡尔坐标系的各向异性介质弹性波方程和自由边界条件变换到曲线坐标系中,采用一种稳定的、显式的二阶精度有限差分方法离散(曲线坐标系)VTI介质中的弹性波方程;对地表自由边界条件处理时采用了一种修饰的差分算子来计算弹性波方程中的混合导数项在自由边界上的法向导数.兰姆问题的解析解与本文的数值解对比结果表明该方法可以有效地处理自由地表边界条件.模拟实例表明:起伏地表对地震波场有重要影响,各向异性导致弹性波波前形状复杂且具有明显的方向性.     

常Q滞弹性介质地震波动数值模拟——时域本构优化逼近

在地震波动模拟中计入常Q滞弹性阻尼,可有效降低模拟波形的误差.就时域有限差分和有限元模拟而言,常基于广义标准线性体建立阻尼介质的时域本构逼近.广义标准线性体由若干标准线性体并联得到,增加标准线性体个数能有效提高模拟精度,但计算量及计算存储将成倍增长.目前尚未有普适的标准线性体个数优化取值方案.本文基于广义标准线性体参数的非线性优化拟合方法,详细分析了时域本构逼近误差的影响因素,清楚揭示了逼近误差仅取决于频带宽度,与频带上下限取值无关这一特性,阐明了构建具有普适性标准线性体个数优化取值方案的可行性.论证了波形模拟精度主要取决于波传播距离与模拟波长的比值以及标准线性体的个数取值.综合考虑上述两个控制因素,结合在波动正反演问题中广为采纳的波形时频误差衡量准则,对不同Q值介质给出了标准线性体个数优化取值表.进一步,本文提出采用不同个数标准线性体以近似不同Q值的阻尼介质时域本构,解决了以往波动数值模拟中统一采用相同个数标准线性体而导致的计算量及计算存储浪费或模拟精度低下等问题,并基于数值实验验证了这一方法的精度.本文工作对推进滞弹性介质波动数值模拟及其在全波形反演问题中的应用具有理论价值和实践意义.

     

三维任意各向异性介质中海洋可控源电磁法正演研究

由于海底介质受沉积环境的影响,层理发育呈现明显各向异性特征.对于海洋可控源电磁法各向异性的研究以往主要局限于一维和二维模型,为更深入了解复杂情况下海底各向异性对海洋可控源电磁响应的影响规律,本文开展三维任意各向异性介质中海洋可控源电磁法正演研究.采用交错网格有限差分技术,通过对任意各向异性介质电导率张量实行体积和空间电流密度平均,完成海洋可控源电磁二次散射电场的离散化,成功实现任意各向异性介质中海洋可控源电磁正演模拟.通过对几种典型各向异性电性模型条件下海洋电磁电场多分量响应及分布特征和各向同性情况的对比分析,总结电各向异性对海洋电磁响应的影响规律和识别方法.本文算法研究及算例可为海洋可控源电磁数据精细化处理解释提供技术支撑.     

正演模拟技术在地震采集设计中的应用

随着地震勘探开发的不断深入和发展,地震勘探的主战场逐渐向复杂地区转移.复杂地区既指地表条件复杂的地区,也指地下地质构造和地层条件复杂的地区,这些都对地震勘探提出了新的挑战和更高的要求.地震正演模拟正是开展此类问题研究的一个重要手段和方法.目前市场上具有正演模拟功能的软件大多是根据射线理论采用射线追踪的方法来完成正演模拟的,这种方法不能很好地反映地震波的动力学特征,特别是在复杂地区难以得到正确的结果.本文利用高阶有限差分有效克服了常规有限差分算法求解波动方程的频散问题,并以高效的OpenMP并行计算模式进行了并行优化,较大程度上提高了正演计算的速度和精度;同时实现了二阶Higdon边界条件,改善了边界吸收效果;也在一定程度上提高了计算速度.塔中地区主要目的层埋藏深,逆断层发育,地震反射特征复杂,增加了地震勘探的难度.本文依据该地区的地质模型,利用波动方程正演技术论证了该地区的地震采集观测系统,为该区地震采集观测系统的设计提供了科学依据.     

粘弹性VTI介质地震波模拟特征分析

本文首先利用有限差分法分别对弹性和粘弹性VTI介质进行地震波传播数值模拟,并针对波场快照和波场记录特征,分析不同品质因子组合对波场能量衰减和频率吸收作用的影响.结果表明：对应于膨胀滞弹性形变的品质因子变化主要影响qP波的能量衰减;对应于剪切滞弹性形变的品质因子变化主要影响qSV波的能量衰减;对于qSH波,两个品质因子分别对应于垂直和水平方向的能量衰减;品质因子较小时,qSV波和qSH波的频率向低频方向移动,qP波频率变化不明显.     

具有离散裂缝空间分布的二维固体中地震波传播的有限差分模拟

结合有限差分方法和等效介质理论,模拟了离散分布裂缝介质中地震波的传播. 基于等效介质理论,利用二维有限差分实现封闭裂缝的离散分布;裂缝可以处理成固体岩石中的高度柔性界面,并可以用线性滑动或者位移间断模型进行裂缝的物理描述. 对于含有多组裂隙的破裂固体,其有效柔度可以认为是固体骨架背景柔度和裂缝附加柔度之和. 在一阶近似条件下,固体骨架和裂缝参数可以通过有效各向异性系数联系起来,有效各向异性系数决定了各向异性（裂缝效应）对于地震波传播的影响. 通过与射线理论方法的对比检验,说明本文提出的模拟方法的有效性,并通过几个数值算例说明本方法可有效模拟不同的裂缝分布效应. 结果表明,即使在裂缝密度很小的情况下,具有相同裂缝密度的不同的空间分布可以产生不同的波场特征. 同时,也验证了不同裂缝尺度对波长的不同影响,以及裂缝尺度具有幂率分布（分形）时,尺度对波场的影响. 最后得出结论：在运用建立在等效介质理论基础上的地震各向异性概念来描述裂缝固体的特征时,要倍加小心,等效介质理论中尚未合理处理的裂缝尺度和空间分布对波的传播特征具有重要的影响.     

地震槽波的数学-物理模拟初探

针对地震槽波在低速层的传播特性,开展了煤层内地震槽波勘探的数值模拟和物理模拟研究的初探工作.在数值模拟研究方面,采用交错网格有限差分法对煤层中的地震槽波进行三分量全波场模拟.基于波场快照和人工合成地震记录研究了不同模型中的波场特征和各种波型的传播规律.在物理模拟方面,通过选用不同配比的环氧树脂和硅橡胶类材料构建地震槽波物理模型,利用透射法和反射法观测系统获得了清晰的地震槽波记录以研究槽波的地震学特征.研究表明,在煤层内槽波的地震波场中,Love型槽波的能量小于Rayleigh型槽波的SV分量,大于Rayleigh型槽波的SH分量.相对于Love型槽波和Rayleigh型槽波的SH分量,Rayleigh型槽波的SV分量在围岩中的泄露能量较强.在煤层界面附近的围岩中,地震波仍以槽波形式传播,随着距离的增加能量逐渐衰减.随着煤层变薄,煤层槽波主频向高频方向移动,频散现象增强,传播速度增大.

     

Complex frequency-shifted multi-axial perfectly matched layer for frequency-domain seismic wavefield simulation in anisotropic media

Seismic anisotropy has an important influence on seismic data processing and interpretation. Although the frequency-domain seismic wavefield simulation has a problem of solving the large scale linear sparse matrix due to the computational limitations, it has some advantages over the time-domain seismic wavefield simulation including efficient inversion using only a limited number of frequency components and easy implementation of multiple sources. To accurately simulate seismic wave propagation in the frequency domain, we also need to choose the absorbing boundary conditions to absorb artificial reflections from edges of the model as we do in the time domain. Compared with the classical boundary conditions including the perfectly matched layer and complex frequency-shifted perfectly matched layer, the complex frequency-shifted multi-axial perfectly matched layer has been proven to effectively suppress the unwanted reflections at grazing incidence and solve the instability problem in the time-domain seismic numerical modelling in anisotropic elastic media. In this paper, we propose to extend the complex frequency-shifted multi-axial perfectly matched layer absorbing boundary condition to the frequency-domain seismic wavefield simulation in anisotropic elastic media. To test the validity of our proposed algorithm, we compare the results (snapshots and seismograms) of the frequency-domain seismic wavefield simulation with those of the time-domain modelling. The model studies indicate that the complex frequency-shifted multi-axial perfectly matched layer absorbing boundary condition is stable in the frequency-domain seismic wavefield simulation in anisotropic media, and provides better absorbing performance than the complex frequency-shifted perfectly matched layer boundary condition.     

塔里木地区勘探地震正演模拟研究

以塔里木前陆盆地地质背景为模型,采用三维任意差分精细积分方法并行算法实现了库车地区三维正演模拟.三维任意差分精细积分方法通过时间域采用局部积分半解析方法求得波动方程的递推算子,与常规的差分法相比计算精度有较大提高;文中计算稳定性根据实际算例进行分析,采用稳定因子约束,得到较好的稳定性;边界条件采用改进的自适应吸收边界,并通过串行程序并行化,大大减少了三维正演模拟的耗时,完成了大数据量三维正演模拟.     

基于Remez迭代算法求解差分系数的双相介质自适应有限差分正演模拟

利用传统有限差分方法对基于Biot理论的双相介质波动方程进行数值求解时,由于慢纵波的存在,数值频散效应较为明显,影响模拟精度.相对于声学近似方程及普通弹性波方程,Biot双相介质波动方程在同等数值求解算法和精度要求条件下,其地震波场正演模拟需要更多的计算时间.本文针对Biot一阶速度-应力方程组发展了一种变阶数优化有限差分数值模拟方法,旨在同时提高其正演模拟的精度和效率.首先结合交错网格差分格式推导Biot方程的数值频散关系式.然后基于Remez迭代算法求取一阶空间偏导数的优化差分系数,并用于Biot方程的交错网格有限差分数值模拟.在此基础上把三类波的平均频散误差参数限制在给定的频散误差阈值和频率范围内,此时优化有限差分算子的长度就能自适应非均匀双相介质模型中的不同速度区间.数值频散曲线分析表明：基于Remez迭代算法的优化有限差分方法相较传统泰勒级数展开方法在大波数范围对频散误差的压制效果更明显;可变阶数的优化有限差分方法能取得与固定阶数优化有限差分方法相近的模拟精度.在均匀介质和河道模型的数值模拟实验中将本文变阶数优化有限差分算法与传统泰勒展开算法、最小二乘优化算法进行比较,进一步证明其在复杂地下介质中的有效性和适用性.

     

选择性滤波同位网格有限差分法在地震波数值模拟中的应用

引入计算空气声学领域的选择性滤波同位网格有限差分算法(SFFD法)用于二维地震波数值模拟.SFFD法使用经过优化的11点DRP同位网格差分格式,对空间一阶导数进行离散近似,同时采用选择性滤波方法来消除同位网格差分所产生的格点高频振荡,它既提高了数值模拟的精度,又保证了求解过程的稳定性.数值实验结果表明,SFFD法能够达到O(△x8,△t4)阶交错网格算法同样的精度,同时该方法还具有很强的适应性,能够应用于存在着强泊松比差异的介质模型中,完整地模拟地震波传播过程中各类型的波场,并且对复杂非均匀介质的适应能力也很好.此外,由于避免了交错网格算法在曲线坐标系和一般各向异性介质的数值模拟时所需进行的复杂的插值运算,SFFD法在这些问题上也有着很好的应用前景.