基于精细积分法的三维弹性波数值模拟(英文)

波动方程有限差分法是地震数值模拟中的一种重要的方法,对理解和分析地震传播规律、分析地震属性和解释地震资料有着非常重要的意义。但是有限差分法由于其离散化的思想,产生了不稳定性。精细积分法在有限差分法的基础上,在时间域采用解析解的表达形式,在空间域保留任意差分格式,发展成为半解析的数值方法。本文结合并发展了以往学者的成果,推导了任意精细积分法的三维弹性波正演模拟计算公式,并对其稳定性进行了数值分析。在计算实例中,实现了精细积分法二维和三维弹性波模型的地震正演模拟,对计算结果的分析表明,精细积分法反射信号走时准确,稳定性好,弹性波场相较于声波波场,弹性波波场成分更为丰富,包含了更多波型成分(PP-和PS-反射波、透射波和绕射波),这对实际地震资料的解释和储层分析有重要的意义。实践证明,该方法可直接应用到弹性波的地质模型的数值模拟中。     

基于交错网格Fourier伪谱微分矩阵算子的地震波场模拟GPU加速方案

作为高精度波形反演或逆时偏移的重要组成部分,地震波数值模拟对计算速度和效率提出了更高要求.GPU通用计算技术的产生及其内在数据并行性,为高效地震波数值模拟应用和研究得以有效开展奠定了基础.本文借助交错网格的Fourier伪谱微分矩阵算子和GPU上高效矩阵乘法,实现了复杂介质中地震波模拟的高效算法.数值试验表明,优化后的GPU计算相比CPU单核计算在大规模二维地震波场计算中获得至少100x以上的加速比.这对我们快速分析目标反射层在地震剖面中同相轴位置,制定优化采集方案具有重要意义.     

Newmark精细积分格式及其在地震反应分析中的应用

在Newmark精细直接积分法的基础上,应用高斯积分与精细指数运算,提出该方法的两种逐步积分格式。文中对两种积分格式的稳定性和精度进行了分析。经过分析比较,第1种逐步积分格式计算精度较高,其稳定性明显地满足算法稳定性分析的条件;而第2种积分格式计算精度相对较差,且是不稳定的。因此本文将第1种积分格式应用于结构的地震反应分析中。算例表明,该逐步积分格式对地震作用有很好的适应性。     

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.      

The inversion of density structure by graphic processing unit （GPU） and identification of igneous rocks in Xisha area

Organic reefs, the targets of deep-water petroleum exploration, developed widely in Xisha area. However, there are concealed igneous rocks undersea, to which organic rocks have nearly equal wave impedance. So the igneous rocks have become interference for future exploration by having similar seismic reflection characteristics. Yet, the density and magnetism of organic reefs are very different from igneous rocks. It has obvious advantages to identify organic reefs and igneous rocks by gravity and magnetic data. At first, frequency decomposition was applied to the free-air gravity anomaly in Xisha area to obtain the 2D subdivision of the gravity anomaly and magnetic anomaly in the vertical direction. Thus, the distribution of igneous rocks in the horizontal direction can be acquired according to high-frequency field, low-frequency field, and its physical properties. Then, 3D forward modeling of gravitational field was carried out to establish the density model of this area by reference to physical properties of rocks based on former researches. Furthermore, 3D inversion of gravity anomaly by genetic algorithm method of the graphic processing unit(GPU) parallel processing in Xisha target area was applied, and 3D density structure of this area was obtained. By this way, we can confine the igneous rocks to the certain depth according to the density of the igneous rocks. The frequency decomposition and 3D inversion of gravity anomaly by genetic algorithm method of the GPU parallel processing proved to be a useful method for recognizing igneous rocks to its 3D geological position. So organic reefs and igneous rocks can be identified, which provide a prescient information for further exploration.     

The inversion of density structure by graphic processing unit (GPU) and identification of igneous rocks in Xisha area

Organic reefs, the targets of deep-water petroleum exploration, developed widely in Xisha area. However, there are concealed igneous rocks undersea, to which organic rocks have nearly equal wave impedance. So the igneous rocks have become interference for future exploration by having similar seismic reflection characteristics. Yet, the density and magnetism of organic reefs are very different from igneous rocks. It has obvious advantages to identify organic reefs and igneous rocks by gravity and magnetic data. At first, frequency decomposition was applied to the free-air gravity anomaly in Xisha area to obtain the 2D subdivision of the gravity anomaly and magnetic anomaly in the vertical direction. Thus, the distribution of igneous rocks in the horizontal direction can be acquired according to high-frequency field, low-frequency field, and its physical properties. Then, 3D forward modeling of gravitational field was carried out to establish the density model of this area by reference to physical properties of rocks based on former researches. Furthermore, 3D inversion of gravity anomaly by genetic algorithm method of the graphic processing unit (GPU) parallel processing in Xisha target area was applied, and 3D density structure of this area was obtained. By this way, we can confine the igneous rocks to the certain depth according to the density of the igneous rocks. The frequency decomposition and 3D inversion of gravity anomaly by genetic algorithm method of the GPU parallel processing proved to be a useful method for recognizing igneous rocks to its 3D geological position. So organic reefs and igneous rocks can be identified, which provide a prescient information for further exploration.     

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.     

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.     

地震波正演模拟中无单元Galerkin法初探

无单元Galerkin法作为一种新型有限元开始应用于地震勘探领域.地震波正演模拟结果的好坏取决于基函数类型、节点分布、节点编号方式、稳定条件以及边界条件等因素,通过对各个因素的分析可知:基函数的阶数越高,结果精度越高,但数据量和运算量就越大;不同的基函数联合使用时,会带来数值计算上的误差;节点可以不均匀分布,但必须满足空间采样要求;合理的节点编号有利于节约数据量和减少运算量;采用衰减边界条件,能有效克服无单元Galerkin法在边界上处理的难点.以上分析结果,对无单元Galerkin法在地震波正演模拟中的应用具有一定的指导意义.     

SeisProc：基于ObsPy库的地震数据处理软件

在已有地震数据处理软件的基础上,为了进一步丰富和完善地震数据处理工具库,基于ObsPy模块库,设计并实现了一款简单易用、可拓展的地震数据处理软件SeisProc。该软件利用ObsPy提供的信号接口,实现了对多种格式的地震数据文件的预处理功能,应用PyQt5库设计GUI,实现数据预览、格式转换、波形绘制和预处理等功能。     

地球物理方法在城市地震活动断层精确定位中的应用

重点讨论了城市地震活动断层精确定位方法.研究结果表明：面对城市的强干扰背景,利用可控震源,采取频率扫描方法和数据处理的互相关技术,可以有效压制强振动干扰,实现城市市区的地震勘探;对于两盘无明显断距的走滑断层可以利用高分辨率地震勘探方法和电法勘探方法进行联合精确的定位;并结合实例讨论了电法勘探的精确定位方法.     

Modified precise time step integration method of structural dynamic analysis

The precise time step integration method proposed for linear time-invariant homogeneous dynamic systems can provide precise numerical results that approach an exact solution at the integration points. However, difficulty arises when the algorithm is used for non-homogeneous dynamic systems, due to the inverse matrix calculation and the simulation accuracy of the applied loading. By combining the Gaussian quadrature method and state space theory with the calculation technique of matrix exponential function in the precise time step integration method, a new modified precise time step integration method （e.g., an algorithm with an arbitrary order of accuracy） is proposed. In the new method, no inverse matrix calculation or simulation of the applied loading is needed, and the computing efficiency is improved. In particular, the proposed method is independent of the quality of the matrix H. If the matrix H is singular or nearly singular, the advantage of the method is remarkable. The numerical stability of the proposed algorithm is discussed and a numerical example is given to demonstrate the validity and efficiency of the algorithm.     

模拟地震波传播的三维逐元并行谱元法

高效地震波场正演模拟对于复杂模型中地震波传播与成像研究至关重要.本文在谱元法原理框架内,对已有逐元谱元法改进,提出一种新的逐元并行谱元法求解三维地震波运动方程,并得到地震波场.逐元并行谱元法的核心思想在于在单元上进行质量矩阵与解向量的乘积运算,并将此运算平均分配至每一个CPU计算核心,此处理有利提升谱元法的并行计算效率.同时,根据Gauss-Lobatto-Legendre (GLL)数值积分点与插值点重合的特点,将稠密单元刚度矩阵的存储转化成单元雅克比矩阵行列式的值及其逆的存储,大幅减少谱元法计算内存开销.此外,在模型边界上利用逐元并行谱元法求解二阶位移形式完美匹配层(PML)吸收边界条件,消除边界截断而引入的虚假反射.通过逐元并行谱元法得到的数值解与解析解对比,以及实际地震波场模拟,数值结果证实了逐元并行谱元法用于地震波场模拟的高效性.

     

基于大数据技术的地震数据处理新思路

现代地震观测积累了大量、种类繁多的地震前兆数据和震后数据,但数据中隐含的地震规律及趋势无法用经典的算例、数学公式、物理公式进行定量解释、分析和预测,需要探索新方法、新技术。案例表明,大数据分析具有预测事物发展趋势、改变传统观念和发现新事物的功能,有助于从错误信息中挖掘有价值信息。本文由此提出基于大数据技术处理地震数据的新思路,对地震监测预报新思路进行探索;通过在大数据平台上基于地震目录的余震预测研究,给出大数据技术在地震数据处理方面的一个应用实例,验证该思路的可行性。     

Numerical modeling of global seismic phases and its application in seismic phase identification

Earthquake data include informative seismic phases that require identification for imaging the Earth's structural interior. In order to identify the phases, we created a numerical method to calculate the traveltimes and raypaths by a shooting technique based upon the IASP91 Earth model, and it can calculate the traveltimes and raypaths for not only the seismic phases in the traditional traveltime tables such as IASP91, AK135, but also some phases such as pPcP, pPKIKP, and PPPPP. It is not necessary for this method to mesh the Earth model, and the results from the numerical modeling and its application show that the absolute differences between the calculated and theoretical traveltimes from the ISAP91 tables are less than 0.1 s. Thus, it is simple in manipulation and fast in computation, and can provide a reliable theoretical prediction for the identification of a seismic phase within the acquired earthquake data.     

地震子波处理的二步法反褶积方法研究

针对玛湖斜坡区三块三维地震资料和赛汉塔拉凹陷二块三维地震资料连片处理中的特点,结合地质任务和处理目标要求,提出了地震数据连片处理中的地震子波处理的方法.该方法主要体现了两次反褶积,一次是采用地表一致性反褶积,将不同震源的频带拓宽到一个标准上;再一次采用相位校正反褶积,将不同震源的数据校正到相同相位上.为了保证提取的相位校正反褶积算子稳定,采用叠后地震道提取（主要考虑到叠后地震道信噪比高,算子稳定性强）,然后将该算子应用到叠前地震道,进行相位校正.     

基于三维模拟的海洋CSEM资料处理

海洋可控源电磁法已经成为海洋油气勘探一个重要工具,但是其资料处理和解释还处于定性和一维模拟阶段.在积分方程三维模拟的基础上对Troll油田实测数据进行了处理,采用人机交互三维模拟寻找背景模型和异常体初始模型,最后对异常体电阻率采用准线性近似快速反演,取得了定量的结果.同时,说明对于二维测线和二维模型依然可以用三维来模拟,其结果优于二维反演.在电子计算机技术快速发展的今天,可以预计三维反演将成为资料处理解释的主流.     

模拟地震波场的伪谱和高阶有限差分混合方法

伪谱法是一种高效、高精度计算非均匀介质地震波传播的数值方法,但是由于它的微分算子的全局性,使得该方法不适用于分散内存的并行计算.本文将有限差分算子的局部性和伪谱法算子的高效、高精度相结合,发展基于两种方法的伪谱/有限差分混合方法.该方法在一个空间坐标方向上利用交错网格高阶有限差分算子,在另外的空间坐标方向上利用交错网格伪谱法算子,既保留了后者的高效、高精度优势,又便于在PC集群上实现并行计算.对二维模型的计算显示,混合方法能有效处理介质不连续面,在保证伪谱法计算精度的情况下,提供了一种并行计算的可能途径.     

基于离散粒子理论地震波传播数值模拟网格剖分计算方法

介绍一种基于离散粒子理论地震波传播数值模拟的网格剖分计算方法.根据离散粒子理论,将研究区域划分为由一系列相互作用的粒子组成的正六边形网格,这些粒子在它们的接触点处发生相互作用,并用Hooke定律和Newton定律描述.为解决六边形网格带来的网格交错而难以计算以及波场输出问题,将横向网格进行加密,加密处赋予假想的粒子,输出波场时选取偶数行偶数列点或奇数行奇数列点的波场值.均匀介质和层状介质模型的数值模拟结果表明,该网格剖分计算方法能够将离散粒子理论用于模拟弹性波在非均匀各向同性介质中地震波的传播.