基于多辛结构谱元法的保结构地震波场模拟

近年来构造高精度、高效且具有长时程跟踪能力的保结构算法已逐渐成为地震波模拟算法发展的重要方向之一. 本文基于谱元法(SEM)进行空间域离散结合新推导的三阶辛算法(NTSTO)进行时间域离散,构造了一种具有时-空保结构特性的新算法. 本文给出的多组数值试验对比结果表明,本算法无论在内存消耗、稳定性及计算耗时,还是长时程跟踪能力方面都有上佳的表现; 另外,本文给出的起伏地表多层介质模型的数值算例验证了该算法处理复杂几何形状和复杂介质时的有效性. 该多辛结构谱元法的发展将为长时程地震波传播的计算及模拟提供更为广泛而有效的选择.     

多次透射边界模拟成层介质中瞬态波动的精度分析

本文将对多次透射边界在瞬态波动模拟中的精度分析推广到介质中存在多个物理波速的情形，阐明了它模拟成层介质中瞬态波动的适用性，指出多次透射边界的误差随着透射阶数的增加而迅速减小，二阶透射边界已具有足够高的模拟精度。     

基于混合有限元格式的完美匹配层与多次透射公式人工边界比较研究

介绍了完美匹配层(PML)人工边界可以吸收不同频率和任意角度入射波的原理以及PML人工边界的构造方法. 在此基础上,将PML人工边界应用于地震波动数值模拟的速度应力混合有限元格式中,探讨了PML应用的可行性,并通过数值试验研究了PML人工边界的反射率,比较了PML人工边界与多次透射公式(MTF)人工边界应用于体波和面波模拟中数值反射的差异,对两种边界的透射效果进行了分析. 结果表明, 尽管数值离散后PML人工边界不再保持完美匹配特性,但PML人工边界在近场波动数值模拟中可获得比MTF人工边界更为理想的吸收效果,在角点透射、大角度掠射情形下尤为明显;PML人工边界在混合有限元格式的数值算法中,未见失稳等不良反应,比MTF人工边界有更好的稳定性;在合理选择参数的情况下,PML人工边界的运算量可接受.      

复杂介质地震波传播模拟中边界元法与有限差分法的比较研究

地震波场数值模拟是理论地球物理学和勘探地球物理学的重要研究手段.在众多数值模拟方法中边界元法和有限差分法是两种典型的地震波传播模拟计算方法.边界元法是一种半解析-半数值的边界型方法,它显式地利用边界连续条件,沿着地层边界进行离散,具有降维、高精度和自动满足远场辐射条件的优点;有限差分法是一种典型的基于微分的区域型方法,它隐式地使用边界连续条件,以空间网格形式进行离散和数值逼近,具有高效、实用和容易数值实现的优点.本文以一个半圆形均匀Valley模型和两个非均匀断裂/断层模型为例,从计算精度、计算效率、频散特性以及适用性等方面对这两种方法进行了比较研究.数值计算结果表明:边界元法可以精确地几何描述有内部断点、断面的复杂构造,能够精确地模拟内部不规则界面之间波的反射/传播;有限差分法不能以足够的精度描述几何断点和内部不规则边界.边界元法在高频时计算量大于有限差分法,有限差分法则需要更小的网格间距以压制数值频散.因此,在处理内部非均质和高频计算时,有限差分法更有效;在处理内部不规则边界、断点、大尺度等问题时,边界元法比有限差分法更有优势.     

球坐标系下谱元法三维地震波场模拟

谱元法已成为区域性乃至大陆性尺度地震波场模拟的重要工具.对于区域或大陆尺度层析成像而言,地球曲率不可忽略,此时模拟地震波传播采用球坐标系更为合适.本文从球坐标系下弹性波动方程弱形式出发,基于球坐标系变分原理给出了球坐标系下求解三维地震波方程的谱元法.另一方面,计算Fréchet敏感核是进行全波形反演的关键,本文借助伴随原理,推导了全波走时层析成像三维Fréchet敏感核表达式.为了验证球坐标系下谱元法的精度,我们将数值模拟结果与normal mode方法得到的解析解在1-D PREM模型下进行了对比.同时,我们将此方法应用到华北克拉通区域,以期获得地球内部结构精确成像.基于3-D全球径向各向异性地幔模型S362ANI和3-D地壳模型Crust1.0,我们建立了华北克拉通初始3-D背景模型,并将数值模拟结果与实际观测台站记录波形资料进行对比分析,利用互相关方法提取走时残差,最后给出了Fréchet敏感核在3-D空间中的分布,这些工作为下一步开展球坐标系下三维大尺度全波形反演奠定了基础.

     

汶川大地震地震波传播的谱元法数值模拟研究

汶川大地震震中位于震害活跃的龙门山断裂带上,其强度超过1976年唐山大地震．地震激发的地震波可以用来研究震源破裂过程及地球内部的层次结构．从弹性波理论基础出发,采用AK135理论地球模型,考虑地表地形、地球介质衰减及地球椭率等特性,利用谱元法结合高性能并行计算,分别对人工点源和复合源所激发的汶川大地震地震波的全球传播过程进行数值模拟重现．数值模拟结果显示了地震波在地球表面的传播形态．通过比较发现,复合源数值模拟结果较点源数值模拟结果更能体现汶川地震震源破裂过程的时空特性．另外,将两种震源的数值模拟结果分别与实际观测台站记录波形资料进行拟合对比,进一步定性地认识到多个点源组成的复合源的数值模拟结果较单个点源的数值模拟结果与实际观测资料的拟合程度更好,证明了汶川大地震破裂过程为多阶段破裂组成的一个复合破裂过程．     

弱形式时域完美匹配层

应用高精度人工边界条件可有效提升近场波动数值模拟计算效率.完美匹配层是吸收层形式高精度人工边界条件,匹配层内场方程和界面条件通常分别采用复坐标延伸技术变换强形式无限域内波动方程和界面条件得到,亦曾将无限域界面条件当作匹配层界面条件.场方程和界面条件构建过程相互独立,可能出现匹配不合理而引发数值失稳、计算精度低下等问题.本文提出采用复坐标延伸技术变换弱形式无限域波动方程以构建完美匹配层的方法.弱形式波动方程耦合了波动方程及界面条件,进而规避了变换后所得场方程与界面条件之间的匹配不合理问题.新方法可直接建立弱形式匹配层,在此基础上亦可给出强形式匹配层.弱形式便于有限元离散,强形式便于有限差分离散.基于弱形式完美匹配层,结合勒让德谱元建立了弹性介质近场波动谱元模拟方案.利用算例验证了新方案的精度及数值稳定性.本文工作可直接推广至多相耦合介质近场波动数值模拟.

     

完全匹配层吸收边界在孔隙介质弹性波模拟中的应用

模拟弹性波在孔隙介质中传播,需要稳定有效的吸收边界来消除或尽可能的减小由人工边界引起的虚假反射. 本文在前人工作基础上,首次建立了弹性孔隙介质情况下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,并详细讨论了完全匹配层的构建及其有限差分算法实现. 首先,本文通过均匀孔隙模型的数值解与解析解的对比,验证所提出的数值方法的正确性;然后,本文考察了完全匹配层对不同入射角度入射波和自由表面上的瑞利波的吸收性能,将完全匹配层与廖氏和阻尼吸收边界进行了对比,研究了这三种吸收边界在不同吸收厚度情况下对弹性波吸收能力. 数值结果表明,在孔隙介质中,完全匹配层作为吸收边界能十分有效地吸收衰减外行波,无论对体波还是面波,是一种高效边界吸收算法.     

用于地震波场模拟的PML边界衰减因子研究(英文)

在地震波场数值模拟中,为了消除由人为边界产生的边界反射,需要引进边界吸收条件。本文从声波方程完全匹配层吸收边界的经典方法出发,基于高斯函数任意阶光滑的特点,提出了一种高斯型衰减因子,分析比较该因子与一般衰减因子的性质,并基于均匀与层状速度模型分别进行了数值模拟计算。数值结果显示,当选择相同的PML边界吸收层层数时,高斯型衰减因子的吸收效果明显优于一般的衰减因子,边界反射更少,信噪比更高;对比最近提出的正弦型衰减因子,在信噪比接近的情况下,高斯型衰减因子所需的PML吸收层层数更少。     

地震波模拟中多轴复频移近似完全匹配层的吸收效果及稳定性

在进行地震波模拟计算的过程中用有限的计算区域模拟地下无限空间,需要进行边界截断.为了在边界处不产生虚假反射影响模拟结果,需要引入吸收边界条件.本文采用的近似完全匹配层是一种新型非分裂完全匹配层,计算效率较高.同时相比于其他非分裂完全匹配层,其还具有不改变方程的形式、易于实现等优势.但是当入射波角度较大,边界吸收效果变弱,且残留在边界中的能量使近似完全匹配层变得极其不稳定.多轴复频移近似完全匹配层的提出就是为了改善对大角度入射波的吸收并且提高边界的稳定性.通过实验模拟和矩阵特征值灵敏度来研究多轴复频移近似完全匹配层的吸收效果及稳定性.结果表明该方法不仅能够吸收掠入波,而且对常规入射波的吸收也得到提升,同时拥有更好的稳定性.

     

横向各向同性介质中地震波场谱元法数值模拟

横向各向同性介质是地球内部广泛存在的一种各向异性介质,因此为了能够更好地认识地震波在这种介质中的传播特征,用数值方法进行地震波模拟显得十分必要.本文采用谱元法对横向同性介质中的地震波进行模拟,该方法基于弹性力学方程弱形式基础之上,具有有限元适应任意复杂介质模型的韧性和伪谱法的精度.文中阐述了基于Legendre多项式的谱元法的理论和推导过程,该方法可以形成全局对角质量矩阵,在时间域使用显式的差分算法,提高运算效率,最后通过横向各向同性介质的数值计算,模拟结果表明该方法是一种有效的数值模拟方法.     

地震波传播数值模拟

本文概述了地震数值模拟及其理论基础,阐述了地震数值模拟方法及特点．综述了地震数值模拟方法、三维建模和计算机硬件平台等方面的现状和进展．最后。给出了地震波数值模拟在地震勘探方法研究、地震观测系统优化设计、地震数据处理、地震资料解释、开发地震等方面的应用．     

局部平面波假定与优化傍轴透射边界

本文研究了透射边界及相关问题,指出在近源波动的一般情况下,沿人工边界法向传播的外行波动应为曲面波,但在人工边界点的足够小的时空邻域内,可以将曲平面波近似处理为平面波,亦即采用了局部平面波假定。认为对不同的人工边界点,局部平面波模型中的基本变量是时空变量,是影响透射边界近源精度和稳定性的决定性因素。建立了对物理视波速进行优化求解的数学模型,以及相应的1阶和2阶优化透射边界。     

A viscous-spring transmitting boundary for cylindrical wave propagation in saturated poroelastic media

Based on the u–U formulation of Biot equation and the assumption of zero permeability coefficient, a viscous-spring transmitting boundary which is frequency independent is derived to simulate the cylindrical elastic wave propagation in unbounded saturated porous media. By this viscous-spring boundary the effective stress and pore fluid pressure on the truncated boundary of the numerical model are replaced by a set of spring, dashpot and mass elements, and its simplified form is also given. A u–U formulation FEA program is compiled and the proposed transmitting boundaries are incorporated therein. Numerical examples show that the proposed viscous-spring boundary and its simplified form can provide accurate results for cylindrical elastic wave propagation problems with low or intermediate values of permeability or frequency content. For general two dimensional wave propagation problems, spuriously reflected waves can be greatly suppressed and acceptable accuracy can still be achieved by placing the simplified boundary at relatively large distance from the wave source.     

A local time-domain transmitting boundary for simulating cylindrical elastic wave propagation in infinite media

Finite element simulation of the time-dependent wave propagation in infinite media requires enforcing the transmitting boundary to replace the truncated far-field infinite domain so as to model the effect of the wave radiation towards infinity. This paper proposed a novel local time-domain transmitting boundary for simulating the cylindrical elastic wave radiation problem. This boundary is a mechanical model consisting of the spring, dashpot and mass elements, with the auxiliary degrees of freedom introduced, which is dynamically stable and easily implemented into the commercial finite element codes. Numerical analysis of the cylindrical elastic wave radiation problem indicates that the proposed transmitting boundaries with the order N=3 for cylindrical P and SV waves and with the order N=4 for cylindrical SH wave have very high accuracy, even when the artificial boundary at wave source. The proposed transmitting boundary with order N=0 can be applied approximately to the general two-dimensional infinite elastic wave problems that contain the more complex outgoing wave fields at artificial boundary than the cylindrical waves. The plane-strain Lamb problem is analyzed with the acceptable engineering accuracy achieved. On the other hand, the proposed transmitting boundary with higher order can be a tool to localize the temporal convolution that appears in an exact time-domain transmitting boundary for the general infinite wave problems. This potential applicability is mentioned.     

挡土墙地震反应非线性波动模拟

本文运用解耦近场非线性波动数值模拟方法研究挡土墙地震反应，为反映墙土体系在地震作用下的位移机制，引入了Desai薄层单元模拟墙土间接触面，并采用双线型本构关系作为接触面单元和土体的非线性模型，在此基础上给出了解决P—SV问题的非线性显式有限元时域递推公式，为进一步发展非线性波动数值模拟技术提供了有益经验。为验证本文方法及适用性，将数值模拟结果与Zeng，X．和Madabhushi，X．P．G．等的离心机试验和弹塑性数值模拟结果进行对比。结果表明：墙土体系加速度、挡土墙顶底相对滑移、沉降和墙体倾角等同离心机试验模拟结果基本吻合，与弹塑性数值模拟结果相似。     

基于图形处理器的伪谱和高阶有限 差分混合方法地震波数值模拟

伪谱和高阶有限差分混合方法, 在垂直方向采用交错网格有限差分算子, 利用其并行程度高的特点, 在水平方向采用伪谱算子, 保留其高精度的优势, 是计算地震波场的有效方法. 图形处理器(graphic processing unit, 简写为GPU) 由于其高度并行性, 在计算此类问题中有显著的优势. 由英伟达(NVIDIA)公司推出的统一计算设备架构(compute unified device architecture, 简写为CUDA)平台极大地简化了GPU编程的难度. 为提高计算效率, 本文实现了基于CUDA 平台的混合方法二维地震波场模拟. 然后基于二维均匀介质模型将CPU与GPU版本的运行时间进行对比. 实际测试结果表明, 基于CUDA 的并行模拟方法在保证计算精度的同时显著地提高了计算速度, 为开展大规模非均匀地球介质地震波传播数值模拟提供了一种可选的方法.      

A high-order time-domain transmitting boundary for cylindrical wave propagation problems in unbounded saturated poroelastic media

Based on the u–p formulation of Biot equation with an assumption of zero permeability coefficient, a high-order transmitting boundary is derived for cylindrical elastic wave propagation in infinite saturated porous media. By this transmitting boundary the total stresses on the truncated boundaries of a numerical model, such as a finite element model, are replaced by a set of spring, dashpot and mass elements, with some additionally introduced auxiliary degrees of freedom. The transmitting boundaries are incorporated into the DIANA SWANDYNE II program and an unconditionally stable implicit time integration algorithm is adopted. Despite the assumption made in the derivation of the transmitting boundary, numerical examples show that it can provide highly accurate results for cylindrical elastic wave propagation problems in infinite saturated porous medium in case the u–p formulation is applicable. Although the direct applications of the proposed transmitting boundary to general two dimensional wave problems in infinite saturated porous media are not highly accurate, acceptable accuracy can still be achieved by placing the transmitting boundary at relatively large distance from the wave source.     

伪谱法弹性波场数值模拟中的边界条件

边界条件问题长期以来一直是困扰地震波数值模拟研究者的一个难题,许多人都提出了有效的方法,但是该问题仍然需要研究.本文针对伪谱法地震波场数值模拟的特殊要求,即所有网格点相互耦合,且傅立叶变换的周期性使得方程在网格边界上很难得到一个吸收的替代方程,研究衰减边界条件中衰减系数的变化对边界反射波衰减效果的影响.数值实验结果说明,随着衰减系数的增大,振幅衰减加快,用很少的过渡带网格就可以使边界上的反射波能量很小.但是如果衰减率过大,就会在传播区和过渡带产生干扰波场.因此,在衰减系数的选择上应采取折中办法,即在取某一较小的衰减系数的前提下,设置较少的过渡带网格数使边界的能量反射最少.     

The discrete wave number formulation of boundary integral equations and boundary element methods: A review with applications to the simulation of seismic wave propagation in complex geological structures

We review the application of the discrete wave number method to problems of scattering of seismic waves formulated in terms of boundary integral equation and boundary element methods. The approach is based on the representation of the diffracting surfaces and interfaces of the medium by surface distributions of sources or by boundary source elements, the radiation from which is equivalent to the scattered wave field produced by the diffracting boundaries. The Green's functions are evaluated by the discrete wave number method, and the boundary conditions yield a linear system of equations. The inversion of this system allows the calculation of the full wave field in the medium. We investigate the accuracy of the method and we present applications to the simulation of surface seismic surveys, to the diffraction of elastic waves by fractures, to regional crustal wave propagation and to topographic scattering.