基于高斯束与高斯波包的Gabor框架散射波模拟方法

在给出真实模型和相应光滑背景模型的情况下,如何计算扰动模型(散射体)产生的散射波场是一个有实际意义的正演问题.在Gabor变换域描述散射体,且入射波场为短时宽带信号时,散射波场可以在频率域用高斯束或时间域用高斯波包描述.相对于波动方程方法,高斯束和高斯波包的计算效率更高;背景模型光滑时,高斯束和高斯波包方法的精度也接近波动方程方法.文中导出了声波假设下应用高斯束和高斯波包计算散射波的方法.测试分析了高斯波包的计算精度.给出了一般散射体的散射波模拟策略.同时针对一个理论模型完成了本文方法计算散射波的实验,实验结果表明高斯波包散射波计算方法是有效可行的.     

像域分解特征高斯波包地震数据模拟

分波型或时空局部特征波场的层析成像与叠前深度偏移成像组合是全波形反演成像方法(FWI)实用化的途径之一.其中如何高效稳健地获得具有时空局部特征的地震数据目前仍然是一个挑战.在前人提出的基于高斯束和高斯波包的Gabor框架散射波模拟的基础上, 本文提出了一种基于像域分解的特征高斯波包地震数据模拟方法.新方法利用具有空间局部特征的Gabor函数在成像剖面上实现数据的分解, 不仅可以利用成像剖面地质意义更加直观的特点来拾取特征反射界面, 还能有效地克服传统方法在数据域分解效率和精度不高等问题, 保证了分解后的反射数据具有更加明确的地质意义.此外, 不同于波动方程有限差分模拟, 基于时空局部特征的高斯波包模拟的一次反射波数据包含更多的数据属性, 比如反射波的到达时、空间位置和波场的传播方向, 这在层析反演中用于数据测量和偏移成像等处理时更具优势.数值实验测试表明了本文提出的分解方法的有效性.

     

高斯波包反射走时速度反演方法

扰动高斯波包理论指出,在Gabor域描述模型的扰动成分,且入射波场为短时宽带信号时,扰动波场可在时间域通过高斯波包算子描述.在此基础上通过拟合反射波的走时,提出一种速度反演方法.反射波走时残差利用地震道局部波形的互相关函数表示,以走时残差的二范数作为目标函数,优化目标函数实现对速度场的反演.基于一阶Born近似,利用扰动高斯波包理论推导出目标函数对速度场的梯度是本文理论部分的核心内容.梯度包括两部分：正传的背景波场与反传的扰动高斯波包之间的互相关,反传的背景波场和正传的扰动高斯波包之间的互相关.梯度表达式中背景波场和扰动波场均利用高斯波包算子模拟.计算梯度的具体算法中,如何模拟扰动波场,以及如何计算反射波的走时残差是两个要点,文中对此做了详细的讨论.数值实验进一步阐述了反演的实现策略,实验结果表明高斯波包反射走时速度反演方法和实现策略有效可行,并得到了理想的反演结果.

     

特征高斯波包叠前深度偏移方法

高斯波包（Gaussian packet）传播算子可在局部时空域高效地计算局部波包的传播.高斯波包叠前深度偏移的基础是在Gabor变换域描述观测数据,再利用高斯波包传播算子计算炮点波场和检波点波场,两者相关即可得到偏移结果.利用炮道集的局部τ-p特征在Gabor变换域表达观测数据,可以仅关注部分高斯波包框架函数上的数据投影,这样既实现了波场的压缩存储,同时可利用高斯波包传播算子反传框架函数以实现整个炮道集的快速反传.这些综合了观测数据局部τ-p特征的高斯波包函数称为特征高斯波包（characteristic Gaussian packet,CGP）,相应的波场反传称为特征高斯波包反传.理论及数值分析证明了上述特征高斯波包反传方法是有效且快速的.炮点正传波场也利用高斯波包传播算子模拟.利用互相关成像条件可实现特征高斯波包叠前深度偏移（characteristic Gaussian packet pre-stack depth migration,CGPM）.由于高斯波包传播算子描述了局部方向及局部空间的波场,所以CGPM可以自然地提取角度域成像道集（ADCIG）,并易于实现面向目标叠前深度偏移,从而作为偏移引擎为偏移速度分析（MVA）服务.数值实验证明了CGPM和面向目标CGPM的有效性和实用性.     

三维各向异性介质弹性波模拟的透射边界条件

在弹性波数值模拟中,为了压制人工边界反射,需要使用边界条件.本文从三维各向异性介质中弹性渡方程出发,在边界入射波为平面波的假设前提下,利用特征值分解以及坐标系旋转,导出人工边界处质点位移矢量计算公式,实现了在边界处为任意倾斜入射时的透射边界条件.并显示了边界条件的使用效果.     

黏弹介质VSP高斯射线正演模拟

为了研究黏弹介质中VSP地震勘探地震波的波场特征,在理论分析地震波在黏弹介质中传播特性的基础上,采用高斯射线束方法对黏弹介质VSP地震进行波场正演模拟.正演结果与各向同性介质及VTI介质VSP正演对比,体现了地震波在黏弹介质中传播的特点.同时VSP高斯束正演方法能够解决复杂构造正演盲区问题,其动力学特征更能反映黏弹介质对地震波传播的影响,计算速度又优于波动方程类正演方法,正演结果能有效分辨地震波场特征,为VSP数据处理与解释提供了借鉴.     

各向异性介质地震波场数值模拟及特征分析

由于各向异性广泛存在于地下岩石中,随着勘探精度的不断提高,对地下介质的各向同性假设越来越不能够满足于现状,因此对各向异性介质的数值模拟显得更为重要。本文推导了各向异性介质的弹性波动方程,总结了震源类型,通过PML方法处理了人工边界问题,通过快照分析验证了数值频散、稳定性条件。研究结果表明:① PML完全匹配层,可较好地解决人工边界问题;②减小空间采样间隔压制数值频散比减小时间采样间隔效果要好得多,盲目减小时间采样间隔会大大降低数值模拟的运算效率;③各向异性介质中弹性波场中除含有准纵波外,还含有速度较慢的准横波;④准纵波波前能量要比由各向异性引起的准横波能量强,准纵波和准横波的波前随着各向异性介质参数的变化而变化。     

各向异性介质中S波接收函数成像方法

岩石圈各向异性主要由上地幔矿物晶格优势排列方向和上地壳内裂缝、裂隙的定向分布造成.在各向异性特征显著区域,利用SKS震相剪切波分裂获得的延迟时间高达1.5 s以上.本文根据方位各向异性,利用广义反射透射系数矩阵方法正演S波接收函数,研究各向异性对不同反方位角接收函数转换震相走时的影响.我们发展了基于HTI模型各向异性走时校正的方法,成功的在单层和多层（快轴方向相同或不同）的各向异性介质中对齐不同反方位角接收函数的Moho面和LAB的转换震相走时.我们将该方法应用于在青藏高原东北缘的流动台站,试图在各向异性强度较大区域对实测数据转换震相走时的校正效果进行测试.结果表明：各向异性走时校正能够加强单台接收函数转换震相的可追踪性,能量增强的叠后转换震相在时深转换后更利于对界面深度的识别与判断;在考虑三维成像的情况下,我们的各向异性校正方法对提高成像结果的准确性有重要意义.

     

大地电磁二维对称各向异性介质的有限元数值模拟

假定垂直轴为二维对称各向异性介质主轴之一，构造走向与另一主轴方向成任一夹角，用伽勒金（Ｇａｌｅｒｋｉｎ）有限元法和矩形网格，优化地合成总体刚度矩阵，使二维各向异性介质的基本方程形成有限元代数方程组，求出各节点场值，并利用ＭＯＭ法求出辅助场，进而求出张量阻抗等响应函数．同时还对有关文献的计算模型进行了数值模拟检验     

各向异性介质中波动方程有限元法模拟及其稳定性

利用六面体单元和三线性插值函数,推导出在任意弹性各向异性介质中三维三分量波动方程所满足的有限元方程．给出用时域有限差分求解该有限元方程时,时间、空间采样率和弹性参数应满足的稳定性条件．提出避免每一时间步都求解一大型线性代数方程组的方法．在开始求波场前,先求质量矩阵的逆的因子形式,以后每时间步只需作刚度矩阵的逆的因子形式与向量的乘积运算,可大大提高有限元素法在微机上进行波动方程数值模拟的运算速度．结合两个数值模拟算例,说明该方法的可行性,并与伪谱法作了计算速度的比较,有限元法的计算速度高于伪谱法的计算速度．     

各向异性介质中波动方程有限元法模拟及其稳定性

利用六面体单元和三线性插值函数，推导出在任意弹性各向异性介质中三维三分量波动方程所满足的有限元方程．给出用时域有限差分求解该有限元方程时，时间、空间采样率和弹性参数应满足的稳定性条件．提出避免每一时间步都求解一大型线性代数方程组的方法．在开始求波场前，先求质量矩阵的逆的因子形式，以后每时间步只需作刚度矩阵的逆的因子形式与向量的乘积运算，可大大提高有限元素法在微机上进行波动方程数值模拟的运算速度．结合两个数值模拟算例，说明该方法的可行性，并与伪谱法作了计算速度的比较，有限元法的计算速度高于伪谱法的计算速度．     

研究各向异性介质参数的合成地震图方法

基于EDA各向异性理论, 利用合成地震图方法求取各向异性介质参数. 该方法利用求取克利斯多夫方程特征向量和特征值的解析表达式, 避免了矩阵运算过程中奇异解的产生, 也减少了大量的运算时间, 具有一定的优越性. 同时, 运用凝聚函数法对合成记录与原始记录进行检验, 结果显示在S波的主频范围内二者具有很好的线性关系. 表明用该方法求得的各向异性介质参数, 可以客观反映和描述研究区域的介质各向异性特性.      

各向异性双相介质弹性波场褶积算法数值模拟

从各向同性介质中波场数值模拟的褶积微分算子法出发,推导出了各向异性双相介质中波场传播数值计算的褶积新算法.将常见的二阶微分Biot波动方程用等效的一阶速度—应力双曲方程表示,其中未知的波场向量包括固相和流体的速度分量和应力分量,由此对方程的时间项使用交错网格差分方法计算,而对空间项则采用褶积微分算法进行求解.对各向异性双相介质在单层介质模型和双层介质模型中的波场特征进行了研究.研究的结果显示,在两层介质分界面上当地震波产生反射时能观测到两类纵波和横波,并且在衰减系数大的介质里慢纵波很难见到.     

基于黏声介质的角度域高斯束逆时偏移方法研究

高斯束逆时偏移是一种兼具计算效率和成像精度的深度域成像方法,能够面向目标成像.地下介质中黏滞性普遍存在,利用传统各向同性或完全弹性的成像方法处理黏滞性探区的数据会降低分辨率,并导致成像位置不准确和振幅欠估计等问题.本文在高斯束逆时偏移的基础上,通过对震源点和检波点处的波场进行衰减补偿,并结合高斯束求解时的角度信息,实现了黏声介质角度域高斯束逆时偏移方法.最后通过模型和实际资料试算对本文方法的正确性和适用性进行了验证.试算结果表明:相比于声波高斯束逆时偏移,本文方法能够对黏滞性引起的吸收衰减进行有效补偿,同时提取的角度域共成像点道集(ADCIGs)不仅可以用于分角度叠加成像压制成像噪声,而且能够为后续的偏移速度分析提供支撑.     

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.     

三维正交各向异性孔隙介质震电波场数值模拟研究

各向异性等介质物性参数会对震电波场的传播产生影响.为了定量研究介质物性参数对震电波场传播的影响, 本文首先研究了三维正交各向异性介质的震电耦合方程, 然后采用时域有限差分方法模拟了爆炸源在该介质中的震电响应.在数值模拟中, 首先计算地震波场, 然后把地震波场作为输入来计算伴随电场.为了验证数值算法的精度, 我们将数值结果与从Pride方程获得的解析解进行了对比, 结果表明数值解可以很好地近似解析解.我们设计了几种各向异性模型, 分析了介质物性参数对震电波场的影响, 结果表明爆炸源在各向异性孔隙介质中会产生四种地震波, 分别是快慢纵波和两个可分离的横波.产生的地震波都会在均匀各向异性孔隙介质中产生伴随电场.弯曲度对慢纵波的传播有影响, 当弯曲度为各向异性时, 慢纵波的波场快照为椭圆形, 当弯曲度为各向同性时, 慢纵波的波场快照为圆形.

     

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.     

双相各向异性介质中弹性波方程的有限元解法及波场模拟

基于双相各向异性介质模型,首先推导了双相各向异性介质中弹性波传播的动力学方程及其Galerkin变分方程和有限元运动方程,然后给出了孔隙弹性波方程的有限元数值解法以及二维双相PTL介质中波场模拟的人为吸收边界条件. 最后,利用本文给出的有限元方法对双相PTL介质和双相各向同性介质中的弹性波传播进行了数值模拟. 结果表明:有限元方法和吸收边界条件有效、可行,在理想相界条件下,不论是从固体位移,还是从流体位移的波场快照都能看到明显的慢速拟P波;在黏滞相界情况下,能否观察到慢速拟P波,与含流体地层介质的耗散性质有关.对实际含流体介质,从流体位移分量的波场快照比从固体位移波场快照更容易观察到慢速拟P波.     

双相各向异性介质中弹性波方程的有限元解法及波场模拟

基于双相各向异性介质模型,首先推导了双相各向异性介质中弹性波传播的动力学方程及其Galerkin变分方程和有限元运动方程,然后给出了孔隙弹性波方程的有限元数值解法以及二维双相PTL介质中波场模拟的人为吸收边界条件. 最后,利用本文给出的有限元方法对双相PTL介质和双相各向同性介质中的弹性波传播进行了数值模拟. 结果表明:有限元方法和吸收边界条件有效、可行,在理想相界条件下,不论是从固体位移,还是从流体位移的波场快照都能看到明显的慢速拟P波;在黏滞相界情况下,能否观察到慢速拟P波,与含流体地层介质的耗散性质有关.对实际含流体介质,从流体位移分量的波场快照比从固体位移波场快照更容易观察到慢速拟P波.