基于NAD算子和FCT技术改进的Runge-Kutta方法及其波场模拟

地震波正演数值模拟中所产生的数值频散严重地影响波场模拟的精度和分辨率.基于声波方程,以8阶精度的近似解析离散算子来校正差分算子对空间偏导数进行离散,以三阶Runge-Kutta方法对时间导数进行离散,并结合通量校正传输技术以抑制数值频散,从而建立基于NAD算子和TCF技术改进的Runge-Kutta方法.波场模拟结果表明,该方法在抑制数值频散上明显优越于传统的高阶有限差分方法.同时,该方法对模拟地震波在复杂介质中的传播有着很强的适应能力.     

基于WNAD方法的非一致网格算法及其弹性波场模拟

加权近似解析离散化(WNAD) 方法是近年发展的一种在粗网格步长条件下能有效压制数值频散的数值模拟技术. 在地震勘探的实际应用中, 不是所有情况都适合使用空间大网格步长. 为适应波场模拟的实际需要, 本文给出了求解波动方程的非一致网格上的WNAD算法. 这种方法在低速区、介质复杂区域使用细网格, 在其他区域采用粗网格计算. 在网格过渡区域, 根据近似解析离散化方法的特点, 采用了新的插值公式, 使用较少的网格点得到较高的插值精度. 数值算例表明, 非一致网格上的WNAD方法能够有效压制数值频散, 显著减少计算内存需求量和计算时间, 进一步提高了地震波场的数值模拟效率.     

基于新的差分结构的时-空域高阶有限差分波动方程数值模拟方法

传统的高阶有限差分波动方程数值模拟方法采用高阶差分算子近似空间偏导数,能有效抑制空间频散.然而,传统的有限差分法仅采用二阶差分算子近似时间偏导数,这使得地震波场沿时间外推的精度较低.当采用较大的时间采样间隔,传统的有限差分法模拟波场会出现明显的时间频散,甚至不稳定.本文基于新的差分结构和中心网格剖分,发展了一种空间任意偶数阶精度、时间四阶和六阶精度的时空域有限差分方法.基于对离散后的频散关系进行泰勒展开,本文推导了时空域高阶有限差分算子的差分系数.相速度分析表明时间四阶、六阶精度的差分方法能显著地减小传统时间二阶精度差分方法的时间频散.在相同的精度下与传统差分法比较,本文发展的时间四阶、六阶有限差分方法的计算效率比传统方法高.均匀和非匀均介质中的波场数值模拟实验进一步证实本文研究的时空高阶有限差分方法的优越性.     

横向各向同性介质地震波场数值模拟研究

地震波场数值模拟是理解地震波在地下介质中的传播特点,帮助解释观测数据的有效手段,而提高计算精度和运算效率是所有波场数值模拟方法研究所追求的目标.有限差分技术是求解波动方程计算效率最高、应用最为广泛的方法之一.但传统的有限差分技术计算过程中的数值频散问题影响了该技术的计算精度与计算效率.本文通过交错网格高阶有限差分技术与通量校正传输方法（Flux|corrected transport method,FCT）相结合, 对横向各向同性介质（Transverse isotropic medium,TI）一阶速度|应力弹性波动方程组进行了数值求解研究.波场快照数值模拟结果表明,本文研究的数值模拟方法与波动方程二阶有限差分方法、交错网格四阶有限差分方法相比,在压制网格数值频散方面有明显的优势,计算精度提高,而且可以利用较大的空间步长,提高计算效率.     

常Q衰减介质分数阶波动方程优化有限差分模拟

本文基于Kjartansson常Q模型理论,推导了常Q衰减介质中黏声波和黏弹性波的速度-应力方程,并采用基于二项式窗函数的优化交错网格有限差分方法进行了数值模拟,同时引入不分裂的复频移卷积完全匹配层(CPML)吸收边界条件,以消除边界反射.使用基于自适应时间步长记忆方法的中心差分近似时间分数阶导数,与常用的短时记忆方法相比,提高了波动方程的离散化精度和计算效率.通过对比均匀模型下声波的数值解与解析解,验证了算法的精确性,并进一步分析了不同品质因子下地震波的频散及衰减特征.对BP盐丘模型的数值模拟结果可以较好地反映本文数值方法对复杂介质的适应性及频散压制效果.      

间断有限元方法的数值频散分析及其波场模拟

数值求解波动方程是大尺度正演波场模拟、基于波动方程的地震偏移和反演成像的关键.本文针对求解二维声波方程的Runge-Kutta 间断有限元（RKDG）方法的数值频散问题,从理论推导和数值分析的角度进行了深入研究,并将其与近似解析离散化方法（Optimal Nearly Analytic Discrete Method,简称ONAD 方法）、Lax-Wendroff 修正方法、交错网格（Staggered-Grid,简称SG）方法的数值频散进行了比较研究.结果表明：RKDG方法以及近似解析离散化方法在压制数值频散方面要好于上述其他方法,特别是空间精度为3阶的RKDG方法,即使当空间步长取波长的一半,即一个波长内取2个网格点时,最大的频散误差也不超过1.67%.同时,我们也通过波场模拟对比研究了不同数值方法的数值频散问题,进一步直观地验证了数值频散的理论分析结果.     

基于八阶NAD算子的保辛分部Runge-Kutta方法及其波场模拟(英文)

基于声波方程扩充的哈密尔顿系统,本文给出了空间精度为八阶的近似解析离散化(NAD)保辛分部Runge-Kutta方法,简称八阶NSPRK方法。该方法采用八阶精度的近似解析离散算子近似空间高阶偏微分算子,并使用二阶精度的辛分部Runge-Kutta方法进行时间离散。我们从理论和数值计算两个方面研究了八阶NSPRK方法的稳定性条件和数值频散关系,并同四阶NSPRK方法、八阶Lax-Wendroff(LWC)方法和八阶交错网格(SG)方法进行了比较。结果表明八阶NSPRK方法压制数值频散的能力显著优于传统数值计算方法。与四阶NSPRK方法和传统四阶辛格式(SPRK)方法相比,八阶NSPRK方法具有最小的数值误差和最高的计算效率:在达到同样消除数值频散的前提下,八阶NSPRK方法的计算速度约为四阶NSPRK方法的2.5倍、为四阶SPRK方法的3.4倍;八阶NSPRK方法的存储量仅为四阶NSPRK方法的47.17%、为四阶SPRK方法的49.41%。在双层介质、非均匀介质和Marmousi等复杂速度模型中,八阶NSPRK方法模拟得到的波场快照非常清晰,无可见数值频散。这些结果表明,八阶NSPRK方法在粗网格条件下能有效地压制数值频散,从而能够极大地节省计算内存,提高计算速度。总体而言,八阶NSPRK方法是一种在地震探测领域和地震学研究中有着巨大应用潜力的数值计算方法。     

基于纵横波分离FCT弹性波正演频散压制

有限差分方法被广泛应用于地震波数值模拟和传播.传统有限差分法采用Taylor级数展开实现空间偏导数的差分,但该方法会因为网格离散化而产生数值频散,降低地震波模拟的精度.优化差分系数正演方法能在一定程度上压制部分频散,然而纵、横波速度取值差异较大,在弹性波有限差分正演模拟中,在满足纵波最大速度确定的稳定性条件下,浅层低速横波波场往往会产生明显的频散现象.为了削弱弹性波场正演数值频散,提高数值模拟精度,本文首先采用优化差分网格系数降低数值频散,然后再采用通量校正传输(Flux-Correction Transport, FCT)法来进一步压制弹性波场有限差分数值频散.常规的FCT法是对弹性波场直接进行频散压制,但由于弹性波场中纵、横波速度差异明显,横波波场频散明显强于纵波,为了压制横波波场的数值频散,往往需要选取较大的频散压制参数,但这会使频散较弱的纵波产生假象.因此本文提出基于纵横波分离FCT弹性波正演频散压制方法,对分离之后的纵横波场分别选择合适的频散压制参数进行通量校正,可以有效压制数值频散,削弱纵波FCT产生的假象.通过理论分析和数值算例发现,本文方法能有效削弱弹性波场有限差分数值...     

基于PML边界的时间高阶伪谱法弹性波场模拟

在地震正演模拟中,传统的有限差分法采用二阶差分算子近似时间偏导数,如果时间采样间隔选取较大,模拟波场会出现时间频散,甚至导致差分算法的不稳定.本文研究了基于完美匹配层(PML)边界弹性波二阶方程时间四阶精度解法,通过对空间采用傅里叶变换提高计算精度并压制空间频散;而在时间域将位移对时间的四阶导数转化为空间的导数.与传统的有限差分法相比较,由于精度的提高,时间频散得到有效的压制,本文提出的方法可以适应较大的时间采样间隔,提高计算效率.     

基于分数阶拉普拉斯算子解耦的黏声介质地震正演模拟与逆时偏移

时间域常Q黏声波方程,由于含分数阶时间导数项,数值求解需要大量内存,计算效率低,不利于地震偏移的实施.通过一系列近似,可将该方程简化为介质频散效应和衰减效应解耦的分数阶拉普拉斯算子黏声波方程,数值求解内存需求少,计算效率高.本文采用交错网格有限差分逼近时间导数,改进的伪谱法计算空间导数,PML吸收边界去除边界反射,对该方程进行数值离散和地震正演模拟,开展地震数据的黏声介质逆时偏移,实现波场逆时延拓过程中同时完成频散校正和衰减补偿.改善深层构造的成像精度,数值结果表明,基于分数阶拉普拉斯算子解耦的黏声介质地震正演模拟与逆时偏移可大幅度提高地震模拟计算效率,偏移剖面明显优于常规声波偏移剖面,极大改善深层构造的成像品质.     

Visco‐acoustic prestack reverse‐time migration based on the time‐space domain adaptive high‐order finite‐difference method

It is important to include the viscous effect in seismic numerical modelling and seismic migration due to the ubiquitous viscosity in an actual subsurface medium. Prestack reverse‐time migration (RTM) is currently one of the most accurate methods for seismic imaging. One of the key steps of RTM is wavefield forward and backward extrapolation and how to solve the wave equation fast and accurately is the essence of this process. In this paper, we apply the time‐space domain dispersion‐relation‐based finite‐difference (FD) method for visco‐acoustic wave numerical modelling. Dispersion analysis and numerical modelling results demonstrate that the time‐space domain FD method has great accuracy and can effectively suppress numerical dispersion. Also, we use the time‐space domain FD method to solve the visco‐acoustic wave equation in wavefield extrapolation of RTM and apply the source‐normalized cross‐correlation imaging condition in migration. Improved imaging has been obtained in both synthetic and real data tests. The migration result of the visco‐acoustic wave RTM is clearer and more accurate than that of acoustic wave RTM. In addition, in the process of wavefield forward and backward extrapolation, we adopt adaptive variable‐length spatial operators to compute spatial derivatives to significantly decrease computing costs without reducing the accuracy of the numerical solution.     

Symplectic partitioned Runge-Kutta method based on the eighth-order nearly analytic discrete operator and its wavefield simulations

We propose a symplectic partitioned Runge-Kutta （SPRK） method with eighth-order spatial accuracy based on the extended Hamiltonian system of the acoustic waveequation. Known as the eighth-order NSPRK method, this technique uses an eighth-orderaccurate nearly analytic discrete （NAD） operator to discretize high-order spatial differentialoperators and employs a second-order SPRK method to discretize temporal derivatives.The stability criteria and numerical dispersion relations of the eighth-order NSPRK methodare given by a semi-analytical method and are tested by numerical experiments. We alsoshow the differences of the numerical dispersions between the eighth-order NSPRK methodand conventional numerical methods such as the fourth-order NSPRK method, the eighth-order Lax-Wendroff correction （LWC） method and the eighth-order staggered-grid （SG）method. The result shows that the ability of the eighth-order NSPRK method to suppress thenumerical dispersion is obviously superior to that of the conventional numerical methods. Inthe same computational environment, to eliminate visible numerical dispersions, the eighth-order NSPRK is approximately 2.5 times faster than the fourth-order NSPRK and 3.4 timesfaster than the fourth-order SPRK, and the memory requirement is only approximately47.17% of the fourth-order NSPRK method and 49.41% of the fourth-order SPRK method,which indicates the highest computational efficiency. Modeling examples for the two-layermodels such as the heterogeneous and Marmousi models show that the wavefields generatedby the eighth-order NSPRK method are very clear with no visible numerical dispersion.These numerical experiments illustrate that the eighth-order NSPRK method can effectivelysuppress numerical dispersion when coarse grids are adopted. Therefore, this methodcan greatly decrease computer memory requirement and accelerate the forward modelingproductivity. In general, the eighth-order NSPRK method has tremendous potential value forseismic exploration and seismology research.     

A nearly analytic exponential time difference method for solving 2D seismic wave equations

In this paper, we propose a nearly analytic exponential time difference (NETD) method for solving the 2D acoustic and elastic wave equations. In this method, we use the nearly analytic discrete operator to approximate the high-order spatial differential operators and transform the seismic wave equations into semi-discrete ordinary differential equations (ODEs). Then, the converted ODE system is solved by the exponential time difference (ETD) method. We investigate the properties of NETD in detail, including the stability condition for 1-D and 2-D cases, the theoretical and relative errors, the numerical dispersion relation for the 2-D acoustic case, and the computational efficiency. In order to further validate the method, we apply it to simulating acoustic/elastic wave propagation in multilayer models which have strong contrasts and complex heterogeneous media, e.g., the SEG model and the Marmousi model. From our theoretical analyses and numerical results, the NETD can suppress numerical dispersion effectively by using the displacement and gradient to approximate the high-order spatial derivatives. In addition, because NETD is based on the structure of the Lie group method which preserves the quantitative properties of differential equations, it can achieve more accurate results than the classical methods.     

用于声波方程数值模拟的时间-空间域有限差分系数确定新方法

声波方程数值模拟已广泛应用于理论地震计算,同时构成了地震逆时偏移成像技术的基础.对于有限差分法而言,在满足一定的稳定性条件时,普遍存在着因网格化而形成的数值频散效应.如何有效地缓解或压制数值频散是有限差分方法研究的关键所在.为精确求解空间偏导数,相继发展了高阶差分格式优化方法和伪谱方法.近期,为更好地缓解数值频散,提出了时间-空间域有限差分方法,该方法采用了泰勒展开近似方法来确定有限差分格式系数,因而只能保证在一定的小范围内很好的拟合波场传播规律.为进一步压制数值频散效应,本文引入了时间-空间域特定波数点满足频散关系的方法,根据震源、波速和网格间距确定波数范围,同时考虑了多个传播角度,然后建立方程确定了相应的有限差分格式系数,使得差分系数能在更大范围符合波场传播规律.通过频散分析和正演模拟,验证了本文方法的有效性.     

适用于声波方程数值模拟的时间-空间域隐式有限差分算子优化方法

声波方程数值模拟已广泛应用于理论地震计算,同时构成了地震逆时偏移成像技术的基础.对于有限差分法而言,在满足一定的稳定性条件时,普遍存在着因网格化而形成的数值频散效应.如何有效地缓解或压制数值频散是有限差分方法研究的关键所在.有限差分格式分为显式有限差分和隐式有限差分.隐式有限差分能够进一步压制数值频散效应.因此本文提出了给定频率范围满足时间-空间域隐式有限差分频散关系的方法,并根据震源频率、波速和网格间距确定波数范围,在此基础上建立方程确定了相应的隐式有限差分系数,使得差分系数能在更大频率范围符合波场传播规律.通过频散分析和正演模拟,验证了本文方法的有效性.     

一种基于全局优化的交错网格有限差分法

在地震波场数值模拟中, 交错网格有限差分技术得到了广泛的应用, 但是在弹性模量变化较大时, 通常会因插值而导致模拟误差增大. 旋转交错网格可以很好地克服这个缺点, 因而适合于各向异性介质正演模拟. 但是对于同样大小的网格单元, 旋转交错网格需要的步长比常规交错网格要大, 这会使梯度和散度算子的误差增大因而更易产生空间数值频散. 针对这些问题, 本文提出了旋转交错网格与紧致有限差分相结合的方法, 并基于模拟退火算法进行全局优化, 压制数值频散, 拓宽波数范围. 数值模拟结果表明, 此方法可以有效地压制数值频散, 且具有较高的模拟精度.      

有限元算法在声波方程数值模拟中的频散分析

针对有限元算法在地震波数值模拟中的数值频散问题,利用集中质量矩阵双线性插值有限元算法,推导了二维声波方程的频散函数.在此基础上采用定量分析方法,对比分析了网格纵横长度比变化时的入射方向、空间采样间隔、地震波频率以及地层速度对数值频散的影响.数值算例和模型正演结果表明:当采用集中质量矩阵双线性插值有限元算法时,为了有效地压制数值频散,在所使用震源子波的峰值频率对应的波长内,采样点数目应不少于20个;减小网格长度的纵横比可以有效地抑制入射角(波传播方向与z轴的夹角)较小的地震波的数值频散;地震波频率越高,传播速度越慢,频散越严重,尤其是当相速度与其所对应的频率比值小于2倍空间采样间隔时,不仅会出现严重的数值频散,还会出现假频现象.      

三角网格有限元法波动模拟的数值频散及稳定性研究

三角网格有限元法能够准确模拟复杂构造和复杂介质条件下的地震波场,数值频散和稳定性条件是地震波数值模拟中参数选择的主要依据.基于均匀的线性三角网格单元,根据结构刚度矩阵的组装原理以及平面波理论,推导了集中质量矩阵下两种网格结构的声波频散函数以及稳定性条件,并对数值频散特性以及稳定性进行了详细研究:三角网格单元中波动的数值频散除了受到空间采样间隔、单元网格纵横比和波传播方向等常规因素的影响外,还受到网格布局的影响,过锐或过钝的三角单元会对波动数值频散产生不良的影响,不同类型的单元网格、单元纵横比对应着不同的稳定性条件,正三角单元中的波动具有较好的数值频散特性,其数值各向异性(频散随波传播方向的变化)效应最弱,稳定性条件也较为宽松.最后通过数值模拟直观地验证了以上分析结果,为有限元正演三角网格的剖分和参数的设置提供一定的理论依据.