基于辛-谱元方法的地球自由振荡保弥散衰减数值模拟

对大地震激发的全球自由振荡的研究是探查地球内部结构的重要研究方向之一.以地球自由振荡数值模拟高精度、长时程、全球模拟的需求为导向,本文提出了一种适用于地球自由振荡高精度模拟的辛格式-谱元保弥散数值模拟方法.真实地球介质中弹性波能量的衰减成因复杂,对于甚低频情形,地球自由振荡的弥散衰减不容忽视.本文将保结构数值方法拓展至非保守动力学系统,发展了适用于弥散-黏弹阻尼介质弹性波方程的保弥散低阶辛格式数值模拟方法,将其应用于全球尺度地球自由振荡衰减效应数值模拟.数值模拟结果表明等效弥散衰减为地球深部（地核）自由振荡衰减的重要成分,并得出地球外核的等效弥散衰减系数.本文提出的方法为通过自由振荡研究探索地核非均匀性提供了一条的新途径.

     

波动数值模拟中透射边界的稳定实现

从波动能量在计算区内累积增大的观点出发,通过简单的一维弹性波模型,系统地阐明了在近场波动数值模拟中透射边界两类数值失稳--"高频振荡"和"零频飘移"的机理:前者源于对波动数值模拟无意义的高频波动在人工边界上的放大和波在有限计算区内多次反射产生的反复放大;后者则源于透射边界允许零频和接近零频的分量不断进入计算区. 由此提出了稳定实现透射边界的完整方案包括两项简单措施:第一,在全部计算区内按文中建议的方法注入小阻尼,以消除高频振荡;第二, 给出一种具有明确物理意义的消除零频飘移的算子算法. 最后,提供了三维波源问题和散射问题的详细数值试验结果.     

波动数值模拟中透射边界的稳定实现

从波动能量在计算区内累积增大的观点出发,通过简单的一维弹性波模型,系统地阐明了在近场波动数值模拟中透射边界两类数值失稳--"高频振荡"和"零频飘移"的机理:前者源于对波动数值模拟无意义的高频波动在人工边界上的放大和波在有限计算区内多次反射产生的反复放大;后者则源于透射边界允许零频和接近零频的分量不断进入计算区. 由此提出了稳定实现透射边界的完整方案包括两项简单措施:第一,在全部计算区内按文中建议的方法注入小阻尼,以消除高频振荡;第二, 给出一种具有明确物理意义的消除零频飘移的算子算法. 最后,提供了三维波源问题和散射问题的详细数值试验结果.     

考虑非一致地震输入的地铁车站动力时程分析

为了研究非一致地震输入以及考虑土体介质阻尼的自由波场对大型地铁车站动力响应的影响,发展了一种可考虑土体介质阻尼影响的自由波场一维化时域有限元算法,并编制了相应的非一致地震波动等效荷载的Matlab计算程序;以一典型两层双柱岛式地铁车站为工程背景,建立三维地铁车站结构-土相互作用系统的整体有限元数值模型,开展动力时程实例分析。计算结果表明:与地震波一致输入情形相比,地震波非一致输入将引起地铁车站结构的控制内力和层间位移分布及其幅值发生明显变化;与不考虑土体介质阻尼的地震波动输入相比,在考虑土体介质阻尼的地震波动输入下,地铁车站结构的控制内力和最大层间位移均有一定幅度的减小,且减小幅度随波动入射角的增大而增大。本文分析表明,非一致地震波动输入及土体介质阻尼对大型地铁车站结构的动力时程响应均有一定影响。     

瑞利型槽波品质因子及特性分析(英文)

为了探明介质的非完全弹性对瑞利型槽波传播的影响以及利用瑞利型槽波品质因子Q_R反演煤层碳化程度、裂隙、煤层厚度等煤层属性,在本文中,我们将复速度引入瑞利型槽波频散方程,计算了煤层瑞利型槽波的品质因子Q_R曲线;采用控制变量法,分析了瑞利型槽波品质因子Q_R随煤层厚度、煤层纵横波品质因子以及围岩纵横波品质因子的变化规律。研究表明:瑞利型槽波品质因子Q_R曲线与群速度曲线变化趋势一致;埃里相(Airy-phase)频率附近瑞利型槽波的品质因子Q_R最小,且埃里相频率随煤层厚度增加而减小;瑞利型槽波品质因子Q_R随煤层横波品质因子Q_(S2)的增大而增大。利用瑞利型槽波品质因子Q_R曲线可以实现对瑞利型槽波的吸收衰减进行补偿、对煤层厚度进行预测以及岩性成像。     

高能离子束流引起低频电磁波动的特性

理论和数值模拟研究了日冕区高速低密离子束流与等离子体相互作用产生的低频电磁波动特征. 结果表明,在线性阶段,系统波动主要表现为短波长的非共振模的激发;在非线性阶段,长波模占优,短波长波逐渐衰减,此时系统波动表现为具有Alfvén波动特征,波的能谱为双幂律谱. 这些结果可用来解释太阳风中的Alfvén湍动现象.     

高能离子束流引起低频电磁波动的特性

理论和数值模拟研究了日冕区高速低密离子束流与等离子体相互作用产生的低频电磁波动特征. 结果表明,在线性阶段,系统波动主要表现为短波长的非共振模的激发;在非线性阶段,长波模占优,短波长波逐渐衰减,此时系统波动表现为具有Alfvén波动特征,波的能谱为双幂律谱. 这些结果可用来解释太阳风中的Alfvén湍动现象.     

Born序列频散方程和Born-Kirchhoff传播算子

传统的Kirchhoff传播算子结构简洁,适用于描述横向均匀介质中波的传播.Ray-Kirchhoff传播算子较为精确地描述了波在非均匀介质中传播的运动学特征,其理论上的先天不足依赖于介质的复杂性.本文通过Born序列逼近波在非均匀介质中传播的大角度波分量,提出一种Born-Kirchhoff传播算子,将传统Kirchhoff传播算子的适用范围扩展至非均匀介质,同时描述波的运动学和动力学特征,其精度取决于Born序列逼近的阶数.利用Born序列频散方程,可以精确分析各阶Born-Kirchhoff传播算子对波长、传播角和非均质性的尺度依赖特征,其中,一阶Born-Kirchhoff传播算子的精度高于传统的相屏传播算子.波数域的Born-Kirchhoff传播算子对于高波数波是奇异的,导致波数域数值计算发散,但其空间域版本是非奇异的,无条件数值稳定,可通过Kirchhoff求和数值实施.本文给出各阶Born-Kirchhoff传播算子及其频散方程,可用于不同程度非均匀介质中的波传播模拟,复杂构造地震成像和速度估计.本文利用零阶和一阶Born-Kirchhoff传播算子计算简单二维模型的合成地震图,并与边界元法进行了比较.     

含两种不相混流体的饱和孔隙介质的波场模拟

文中对含两种不相混流体的饱和孔隙介质模型进行了波场模拟,该模型基于封闭型系统假设,考虑了流相与固相的相对运动和孔隙率、饱和度(毛细管压力)的松弛机制,可以较好的模拟波场的数值衰减。与目前常用的等效流体方法和基于开敞系统假设的非饱和孔隙介质模型相比,更符合勘探阶段的实际情况。前人对该介质模型平面波的速度和衰减做了一定的研究,但对整个波场的计算研究还未见报道。本文推导了该模型包含毛细管压力和孔隙度松弛机制的波动方程,并利用有限元的方法进行了波场模拟,并对波场特征进行了分析。数值模拟结果表明,在地震频段,非湿相位移波场中慢波p3较为清晰;毛细管压力(饱和度)和孔隙度的松弛效应对非湿相流体位移有较大影响,随松弛系数的增大,位移减小。     

套管中环向传播的准SH波的衰减特征

套管井中的准SH波测井可有效解决声阻抗类声波仪器在低密度水泥胶结评价上的不适应性.本文结合解析计算、三维数值仿真和实验测量研究了套管中环向传播的准SH波的衰减特征.数值仿真和实验测量结果均表明准SH波的衰减主要由波传播过程中的几何扩散和向套管后胶结的固体水泥泄漏能量引起的;解析计算显示在0~300 kHz的测井频段随着频率的增加零阶准SH波的泄漏衰减逐渐增大、一阶准SH波的泄漏衰减逐渐减小,在现有油气井使用的水泥阻抗范围内,准SH波的衰减与水泥阻抗成正比.数值仿真和实验测量的零阶准SH波的衰减与解析计算结果吻合,一阶准SH波的衰减稍高于解析计算结果.另外在实验测量过程中记录了水泥从浇筑到逐渐凝固过程中准SH波测井的全波波形,可清晰观测到直达的准SH波在水泥未凝固前（仍是流体）幅度较强,随着水泥逐渐凝固强度增大准SH波的泄漏衰减逐渐增加,泄漏到水泥环中的能量越来越强,来自水泥外界面的反射波幅度逐渐增加且到时逐渐提前.通过理论计算和实验测量套管井SH横波的衰减特征,为现场应用SH横波测井评价套管井水泥胶结质量奠定基础.

     

双变参数标量纵波方程正演模拟方法

常见弹性波动理论的建立是基于介质均匀这一基本假设,实际介质的非均匀性非常普遍.为研究连续介质中波的传播特征,本文从弹性力学中建立弹性波动方程的三个基本方程出发,考虑连续介质弹性参数的空变特征,建立非均匀介质的弹性波动方程,利用Alkhalifah声学近似思想建立位移表征的纵波波动方程,利用本征值问题求解方法建立标量波频率-波数域传播算子,从而建立描述纵波传播的标量波方程,其中波函数为纵波位移的散度,不同于均匀介质标量波方程的波函数为位移势.随后推导含PML边界波动方程差分格式并建立不同模型数值模拟进行数值试算,与均匀假设标量波方程和变密度方程对比证明本方法的准确性和稳定性.

     

非均匀各向异性介质中弹性波的传播

平面波分解法是研究地震波场简捷有效的方法,各种复杂的波场可用平面波合成的方法得到．文中采用平面波方法研究非均匀各向异性介质中的弹性波．对时空域非均匀各向异性介质波动方程,运用f-k变换,可得到频率空间域波动方程(Christoffel方程)．利用非均匀各向异性介质中,弹性参数及其空间变化率与Christoffel矩阵元素关系,提出非均匀各向异性介质Christoffel矩阵方程的求解方法,并运用于非均匀TIV介质和非均匀EDA介质．在连续介质条件下,当波沿速度增加方向传播时,振幅的方向导数小于零,即振幅衰减;当波沿速度减小方向传播时,振幅的方向导数大于零,即振幅增强．波的振幅强度是传播方向的函数(各向同性条件下也是如此),但并不总是衰减．若只研究波沿速度增加方向传播的情况即得出波在连续介质中传播振幅衰减的结论是不全面的．      

界面起伏条件下反射／透射算子+单程波方程的地震波模拟方法

本文导出了一种由单程波方程利用反射／透射算子的可分表示方法模拟复杂介质中一次反射地震波的数值算法. 文中利用算子可分表示理论将反射／透射算子分解成适合于双域（空间域和波数域）运算的表达形式,使得本文得到的地震波数值模拟算法可适应于一定程度横向非均匀介质和界面起伏情况,在入射角小于45°时能够准确模拟振幅随入射角(AVA)的关系. 就模拟一次反射地震波而言,与前人研究的双程波动方程伪谱法地震波模拟相比,本文算法具有足够高的模拟精度,且计算效率成倍地提高.     

声反射成像测井在地层中的三维波场模拟方法研究

声反射成像测井方法和仪器近来成为勘探地球物理界的新研究热点.但有利于成像的反射波信号与井中的模式波叠加而难以分离出来.为了改进仪器设计,研究更有效的数据处理和解释方法,必须用以波动方程为基础的数值模拟方法来精确描述声反射成像测井的波场.为此建立了非均匀交错网格、加PML吸收边界的、能够用于正交各向异性介质的3维有限差分数值模拟方法和并行算法程序.将其应用于典型各向同性和各向异性地层中反射声波成像测井的三维波场模拟,并与已公开发表的应用离散波数方法的相应结果对比,证明了此方法正确、算法高效.模拟的波场动态范围能够大于60dB,计算速度比常规算法提高了3.5倍.这些技术能够正确、有效地模拟大尺度(在10m左右)、较高频率(10kHz左右)的反射声波成像测井波场.为我们研究声反射成像测井仪器和资料处理解释方法提供了有力的定量分析工具.     

双平方根单程波动方程叠前τ偏移方法

本文将常规双平方根（DSR）单程波动方程从深度域变换到双程垂直走时（τ）域,由此推导出可从数学上实现“沉降观测”的单程波DSR传播算子. 其递归波场延拓算法包含波数域针对常速背景的相移处理和空间域针对横向速度扰动的相位校正,可以应对上覆地层速度横向变化对构造成像的影响. 结合零炮检距、零时间成像条件,提出了在τ域进行波场延拓与成像的DSR方程叠前偏移新方法. 为了克服其全三维偏移算法在实际应用中可能面临的困难,本文采用稳相近似,在crossline常炮检距偏移理论基础上推导了实用的共方位角叠前τ偏移方法. 数值试验表明,DSR方程叠前τ偏移在强横向非均匀介质中的成像精度与分辨率优于传统的时间域成像技术.     

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.     

双平方根单程波动方程叠前τ偏移方法

本文将常规双平方根（DSR）单程波动方程从深度域变换到双程垂直走时（τ）域，由此推导出可从数学上实现“沉降观测”的单程波DSR传播算子. 其递归波场延拓算法包含波数域针对常速背景的相移处理和空间域针对横向速度扰动的相位校正，可以应对上覆地层速度横向变化对构造成像的影响. 结合零炮检距、零时间成像条件，提出了在τ域进行波场延拓与成像的DSR方程叠前偏移新方法. 为了克服其全三维偏移算法在实际应用中可能面临的困难，本文采用稳相近似，在crossline常炮检距偏移理论基础上推导了实用的共方位角叠前τ偏移方法. 数值试验表明，DSR方程叠前τ偏移在强横向非均匀介质中的成像精度与分辨率优于传统的时间域成像技术.     

TTI介质弹性波近似解耦波动方程

借助Christoffel方程可求解出各向异性介质弹性波精确频散关系.利用近似方法进行处理,再通过傅里叶逆变换将频率波数域算子变换为时空域算子,可导出解耦的qP波或qS波波动方程.本文在TTI介质弹性波精确频散关系的基础上,利用近似配方法推导了qP波和qSV波近似频散关系,通过傅里叶逆变换推导了TTI介质qP波和qSV波解耦的波动方程.为了验证近似频散关系的有效性,利用两组模型参数对其进行数值计算,分析了相对误差在不同传播方向上的分布.随后使用有限差分方法分别对均匀、层状及复杂TTI介质弹性波近似解耦波动方程进行数值模拟,结果显示qP波和qSV波完全解耦,并且在各向异性参数η < 0以及介质对称轴倾角变化较大的情况下,纯qP波和纯qSV波近似波动方程依然可以保持稳定.

     

层状弹性介质全波射线追踪技术研究

射线追踪法是一种有效的地震波场数值模拟方法,在层析成像、叠前深度偏移及正演模拟等研究领域均占据重要地位.但相较于波动方程数值模拟方法,射线追踪法在获取较高运算速度的同时损失掉了地震波场的动力学信息,对于整个地震波场的地震波衰减以及转换波等问题都没有进行考虑.为了能够得到较为完整的合成地震记录并对地震资料做出更合理解释,本文在使用射线追踪法进行波场数值模拟的同时考虑了衰减信息,追踪转换波以弥补射线追踪法在动力学上的缺陷.在全波射线追踪过程中,通过追踪同类波和转换波,并计算该段射线的能量衰减,在保证高速计算的同时获得了较为完整的合成地震记录,取得较好的效果.     

黏弹性EDA介质中地震波的衰减特性研究

本文首先由Christoffel方程推导出黏弹性EDA介质中均匀、 非均匀P波、 SV波和SH波的相速度表达式, 然后参照极端各向异性介质的相关计算方法, 推导出EDA介质中均匀、 非均匀地震波相衰减系数和群衰减系数的表达式, 并通过数值计算分析了相速度、 相衰减系数、 群衰减系数与裂隙方位的关系. 结果表明: 均匀介质中SH波的相速度和相衰减系数均可指示裂隙的走向; 非均匀介质中SH波相衰减系数随非均匀角的增大而增大, 且其对称轴与介质对称轴的夹角也相应增加; 由于地震波振幅的衰减随岩石物理性质的变化比地震波速度的变化更为灵敏, 而且携带了更多的岩石物理性质信息, 因此可用来探明裂隙走向、 密度及含水特性, 进而应用于预测、 预防地下工程地质灾害事故.