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.     

基于辛格式离散奇异褶积微分算子的弹性波场模拟

本文发展了基于辛格式离散奇异褶积微分算子(SDSCD)的保结构方法模拟弹性波场,求解弹性波动方程时,引入辛差分格式进行时间离散,采用离散奇异褶积微分算子进行空间离散.相比于传统的伪谱方法,该方法提高了计算精度和稳定性.数值结果表明SDSCD方法可以有效地抑制数值频散,为解决大尺度、长时程地震波场模拟问题提供了合适的数值方法.     

基于螺旋线上谱因式分解的地震波场隐式辛算法

均匀介质、复杂各向同性介质和各向异性介质中的地震波传播过程,可用统一形式的标量声波方程描述.考虑到在无损耗条件下,地震波方程描述了地震波场这一个无穷维的哈密顿体系随时间的演化过程,该过程为一个单参数连续辛变换,因而可以在其哈密顿形式表述下导出其辛格式.与显式辛算法相比,隐式辛格式对应的隐式辛几何算法具有无条件稳定的特点,可以允许较大的计算步长.但是由于隐式算法不可避免地面临高阶矩阵的求逆,其每一步的计算速度较慢.为实现矩阵快速求逆,文中采用了螺旋边界条件下谱因式分解的方法.在螺旋边界条件下,需要求逆的矩阵化为带状矩阵,而且其各列非零元素的位置和大小具有非常好的相似性,因而可以采用谱因式分解的方法实现快速LU分解.文中采用二阶精度的隐式蛙跳辛格式和谱因式分解方法,计算了常速度、层状介质和Marmousi模型中的波场.计算表明,隐式辛算法不失为波场计算的一种好方法.     

基于螺旋线上谱因式分解的地震波场隐式辛算法

均匀介质、复杂各向同性介质和各向异性介质中的地震波传播过程,可用统一形式的标量声波方程描述.考虑到在无损耗条件下,地震波方程描述了地震波场这一个无穷维的哈密顿体系随时间的演化过程,该过程为一个单参数连续辛变换,因而可以在其哈密顿形式表述下导出其辛格式.与显式辛算法相比,隐式辛格式对应的隐式辛几何算法具有无条件稳定的特点,可以允许较大的计算步长.但是由于隐式算法不可避免地面临高阶矩阵的求逆,其每一步的计算速度较慢.为实现矩阵快速求逆,文中采用了螺旋边界条件下谱因式分解的方法.在螺旋边界条件下,需要求逆的矩阵化为带状矩阵,而且其各列非零元素的位置和大小具有非常好的相似性,因而可以采用谱因式分解的方法实现快速LU分解.文中采用二阶精度的隐式蛙跳辛格式和谱因式分解方法,计算了常速度、层状介质和Marmousi模型中的波场.计算表明,隐式辛算法不失为波场计算的一种好方法.     

基于波动方程理论的地震波场数值模拟方法综述

地震波场数值模拟的重要性日益凸显,其在地震勘探、各向异性介质属性研究、强地面振动预测、理论地震图合成等方面的应用日渐增多.基于波动方程理论的模拟方法有很多,如:有限差分法、伪谱法、有限元法、谱元法、边界元法等,而现有的综述性文献仅仅是关注某一种或是几种算法,还未有融入最新的文献后系统论述以上五种方法的综述性文献.鉴于此...     

远震波场正演模拟方法及应用

地震波场数值模拟是壳幔结构成像和深部探测的重要基础.?经典的远震波场数值模拟主要基于一维地球模型,包括解析法、半解析法和数值法等.?这些算法能够高效地计算理论地震图,但由于将地球假设为一维层状介质,难以考虑介质的横向非均匀性对地震波场的影响.?近年来随着计算机性能的不断提高,三维地震波场数值模拟方法得到快速发展,并被广...     

人工源宽角地震实验的谱元法模拟和逆时偏移成像方法研究

人工源宽角反射(折射)地震资料具有偏移距较大、信噪比较低等特点,通常用于地震波走时反演重建地壳速度结构。逆时偏移成像方法作为勘探地震学领域获取地下构造形态的有效手段之一,可以有效弥补走时反演方法的不足。本文针对大偏移距宽角反射(折射)地震实验,利用四边形网格谱元法进行波场模拟,结合了有限元法的灵活性和谱方法的指数收敛性,高效且高精度获取模型合成地震记录,后采用逆时偏移成像方法将合成地震记录偏移归位,获取地壳几何结构,验证了逆时偏移成像方法在宽角地震资料处理及结果解释中的适用性,为后期实际地震资料的偏移成像提供了理论依据和支持。     

垂直和倾斜断层围陷波的谱元法数值模拟及其波场特征对比

低速断层破碎带内传播的断层围陷波是断层内部信息的重要载体,研究其波场特征是反,演断层内部结构的关键。前人对围陷波的模拟主要针对垂直断层,但实际断层大部分是倾斜的。本文利用谱元法数值模拟地震波在垂直和倾斜断层区域的传播,并分别单独改变断层破碎带或断层两盘速度差异等参数,对比分析地震动在时域和频域发生的变化,研究这些参数对波场特征的影响。对比研究表明,当存在一定宽度的低速破碎带时,倾斜断层对近断层区域波场的影响和垂直断层相比在幅值分布上有比较显著的差异,尤其是当断层两盘同时还存在速度差异时;在倾斜和垂直断层破碎带上方,均能产生断层围陷波,其幅值特征差异不大,但在跨断层平面上的质点极化方式可能会存在差异:垂直断层围陷波质点极化方向表现为单一,而倾斜断层可能会出现多个方向。这些模拟结果有助于反演真实断层破碎带结构,也能够加深对近断层的强地面运动特征的认识。     

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.

     

三维弹性波方程的修正时空优化保辛数值求解方法

正演计算是反演研究的基础,为了实现基于三维弹性波方程的全波形反演成像,发展准确、高效、低数值频散的三维正演模拟方法至关重要.为此,本文将修正保辛分部龙格-库塔格式与优化有限差分算子结合,发展了用于数值求解三维弹性波方程的修正时空优化保辛方法（MTSOS）.新方法使用二级龙格-库塔格式达到了三阶时间精度,且更适用于求解非均匀介质情况下的弹性波方程,数值频散误差小于同精度保辛分部龙格-库塔（SPRK）方法的误差,提高了计算精度.波场模拟结果表明,三维MTSOS方法可以精确给出数值模拟结果,能够清晰模拟地震波传播过程中产生的各种震相、有效压制数值频散.

     

修正辛格式有限元法的地震波场模拟

三角网格有限元法具有网格剖分的灵活性,能有效模拟地震波在复杂介质中的传播.但传统有限元法用于地震波场模拟时计算效率较低,消耗较大计算资源.本文采用改进的核矩阵存储（IKMS）策略以提高有限元法的计算效率,该方法不用组合总体刚度矩阵,且相比于常规有限元法节省成倍的内存.对于时间离散,将有限元离散后的地震波运动方程变换至Hamilton体系,在显式二阶辛Runge-Kutta-Nystr m（RKN）格式的基础之上加入额外空间离散算子构造修正辛差分格式,通过Taylor展开式得到具有四阶时间精度时间格式,且辛系数全为正数.本文从理论上分析了时空改进方法相比传统辛-有限元方法在频散压制、稳定性提升等方面的优势.数值算例进一步证实本方法具有内存消耗少、稳定性强和数值频散弱等优点.

     

最优化辛格式广义离散奇异核褶积微分算子地震波场模拟

将波动方程变换至Hamilton体系,构造了一种新的保结构算法,即最优化辛格式广义褶积微分算子(OSGCD). 在时间离散上,首先引入了Lie算子设计二级二阶辛格式,基于最小误差原理得到了优化的辛格式. 在空间离散上,引入广义离散奇异核褶积微分算子计算空间微分,提出了一种有效方法优化GCD并得到了稳定的算子系数. 针对本文发展的新方法,给出了OSGCD稳定性条件. 在数值实验中,将OSGCD与多种方法比较,从精度和计算效率两方面分析了OSGCD的计算优势,计算结果也表明OSGCD长时程以及非均匀介质中地震波模拟亦具有较强能力.     

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.

     

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.     

基于谱元法的广域电磁法三维正演模拟

为了提高广域电磁法三维正演精度和效率, 本文提出采用基于Gauss-Lobatto-Legendre(GLL)多项式的谱元法进行广域电磁法三维正演模拟.首先从麦克斯韦方程组出发, 推导了二次场满足的电场双旋度控制方程, 利用伽辽金加权残差法将微分形式的边值问题转换为积分弱形式, 再通过单元剖分和高阶正交基函数插值对全域问题进行离散, 最后通过求解大型线性方程组得到全局的数值解.层状介质模型验证了算法的正确性和精度, 三维地电模型分析了算法稳定性以及广域电磁法响应特征.研究表明谱元法是进行广域电磁法三维正演模拟的有效方法, 具有高精度、低网格依赖性等优势.

     

三峡地区上地壳结构的远震虚震源反射地震成像

远震虚震源反射成像方法利用远震初至波在台网之下地表与地下界面间形成的反射波(PPdp震相)波形资料进行台网地区地震反射结构研究.此方法先用台网各台站的平均初至波形求取震源信号,再用该震源信号与各道地震记录作反褶积从而取得反射剖面.本文介绍了远震虚震源反射成像的基本原理和实现步骤,并以三峡地区的观测资料为例,得到三峡库首区上地壳的反射地震剖面.成像剖面中解释出的四川盆地和秭归盆地的底界面位置和形态与地表地质观测和大地构造背景吻合.为验证虚震源成像的能力,本文使用弹性波正演模拟合成地震数据,经过处理实际资料一样的步骤获得虚震源成像结果.正演模拟表明,叠加多个远震的反射地震剖面可以有效地改善成像的信噪比和连续性;虚震源成像需要选择特定的震源频率范围,以减轻高频噪音以及低频造成的成像问题.在研究上地壳结构时,建议在不适合主动源采集和缺乏低频信号的地区尝试远震虚震源方法.     

求解弹性波解耦方程的一种优化拟解析方法

常规伪谱方法二阶时间差分格式时间精度较低,且对于大步长时间采样间隔,常规伪谱方法不稳定.拟解析方法对于速度变化剧烈的模型,在时间和空间上均有较大误差.本文提出了一种基于解耦的二阶位移弹性波方程波场模拟及矢量波场分解的优化拟解析方法,将归一化的拟拉普拉斯算子分别应用于P波和S波波场延拓,延拓矢量波场的同时,可分解并延拓纯纵波和纯横波波场.利用弹性波优化拟微分算子表示拟拉普拉斯算子,该拟微分算子不仅包括原始微分算子的谱估计,而且还包含一个时间补偿项,其可在波数-空间域精确地补偿波动方程在时间方向上采用二阶有限差分引起的误差.利用低秩分解近似求解弹性波优化拟微分算子,可有效提高计算效率.2D均匀模型、层状模型以及部分盐丘模型数值正演模拟结果表明：相比较于常规的伪谱法和拟解析法,本文方法在时间和空间上均有很高的精度,并且稳定性条件比较宽松.

     

三角网格有限元法声波与弹性波模拟频散分析

本文对声波与弹性波方程进行有限元法离散,构造有限元法频散关系的一般特征值问题,分析了时间离散格式为中心差分的三角网格有限元法声波与弹性波模拟的频散特性. 比较了三种质量矩阵即分布式质量矩阵、集中质量矩阵和混合质量矩阵对有限元法频散的影响;选取四种典型三角网格,分析了混合质量矩阵有限元（MFEM）频散的方向各向异性;数值频散、方向各向异性随插值阶数的增加逐渐减弱,当空间为三阶插值时,频散主要表现为随采样率的变化而几乎无明显方向各向异性, 其频散幅值也较小. 控制其他影响因素不变的情况下,研究了不同波速比介质中弹性波的数值频散. 最后给出了三角网格MFEM的数值耗散性.