VTI介质纯P波混合法正演模拟及稳定性分析

各向异性介质纯P波方程完全不受横波的干扰,在一定程度上可以减缓由于介质各向异性引起的数值不稳定,本文推导了具有垂直对称轴的横向各向同性(VTI)介质纯P波一阶速度-应力方程.由于纯P波方程存在一个分数形式的伪微分算子,无法直接采用有限差分法求解.针对该问题,本文采用伪谱法和高阶有限差分法联合求解波动方程,重点分析了混合法求解纯P波一阶速度-应力方程的稳定性问题,并给出了混合法求解纯P波方程的稳定性条件.数值模拟结果表明纯P波方程伪谱法和高阶有限差分混合法能够进行复杂介质的正演模拟,在强变速度、变密度的地球介质中仍然具有较好的稳定性.     

基于Remez迭代算法求解差分系数的双相介质自适应有限差分正演模拟

利用传统有限差分方法对基于Biot理论的双相介质波动方程进行数值求解时,由于慢纵波的存在,数值频散效应较为明显,影响模拟精度.相对于声学近似方程及普通弹性波方程,Biot双相介质波动方程在同等数值求解算法和精度要求条件下,其地震波场正演模拟需要更多的计算时间.本文针对Biot一阶速度-应力方程组发展了一种变阶数优化有限差分数值模拟方法,旨在同时提高其正演模拟的精度和效率.首先结合交错网格差分格式推导Biot方程的数值频散关系式.然后基于Remez迭代算法求取一阶空间偏导数的优化差分系数,并用于Biot方程的交错网格有限差分数值模拟.在此基础上把三类波的平均频散误差参数限制在给定的频散误差阈值和频率范围内,此时优化有限差分算子的长度就能自适应非均匀双相介质模型中的不同速度区间.数值频散曲线分析表明:基于Remez迭代算法的优化有限差分方法相较传统泰勒级数展开方法在大波数范围对频散误差的压制效果更明显;可变阶数的优化有限差分方法能取得与固定阶数优化有限差分方法相近的模拟精度.在均匀介质和河道模型的数值模拟实验中将本文变阶数优化有限差分算法与传统泰勒展开算法、最小二乘优化算法进行比较,进一步证明其在复杂地下介质中的有效性和适用性.     

地震波在热弹性介质中的衰减性质及其相应Q值的计算方法

该文得出热弹性介质中波的基本形式有准弹性纵波、横波和具有有限传播速度的温度波,并指出横波在传播过程中同其在完全弹性介质中一样是不衰减的,而准弹性纵波和温度波是相互伴随的、衰减的。其次,给出了具有两种不同传播速度的准弹性纵波的基本形式。最后,将地震P波看作由初始位移扰动的准弹性纵波,就固定频率和固定波长两种情况分别给出了相应Qr值的计算公式和近似公式。通常人们是利用多台的地震波资料在空间域中计算Qr值,而本文得到的时间域中Qr值的近似公式,为利用单台地震P波资料计算Qr值提供了一种方法。     

地震波传播的哈密顿表述及辛几何算法

地震波传播过程本质上是能量在传播过程中逐步损耗直至殆尽的过程，而在实际应用中，常在无能量损耗假设下，用弹性波动方程或标量波动方程描述它.在哈密顿(Hamilton)体系表述下，地震波传播过程即为一个无限维的哈密顿系统随时间的演化过程.若不计能量损耗，波场演化过程实质上为一个单参数连续的辛变换，因而对应的数值算法应为辛几何算法.本文首先从地震波标量方程出发，给出哈密顿体系下地震波传播的表述，即任意两个时刻的波场是通过辛变换联系起来的.随后，把波场在时间和相空间离散化后，给出了用于波场计算的一些辛格式，如显式辛格式、隐式辛格式和蛙跳辛格式.并进一步讨论了有限差分格式和辛格式的异同.然后，应用显式辛格式和同阶的有限差分方法给出了同一理论速度模型下的波场和Marmousi速度模型下的单炮记录.数值结果表明，辛算法是一类可行的波场模拟的数值算法.在时间步长较小时，有限差分方法是辛算法的一个很好近似.文中的理论和方法，为地震波传播理论及实际应用研究提供了新的途径.     

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.     

Numerical analysis of seismic wave propagation in fluid-saturated porous multifractured media

Elastic wave propagation and attenuation in porous rock layers with oriented sets of fractures, especially in carbonate reservoirs, are anisotropic owing to fracture sealing, fracture size, fracture density, filling fluid, and fracture strike orientation. To address this problem, we adopt the Chapman effective medium model and carry out numerical experiments to assess the variation in P-wave velocity and attenuation, and the shear-wave splitting anisotropy with the frequency and azimuth of the incident wave. The results suggest that velocity, attenuation, and anisotropy vary as function of azimuth and frequency. The azimuths of the minimum attenuation and maximum P-wave velocity are nearly coincident with the average strike of the two sets of open fractures. P-wave velocity is greater in sealed fractures than open fractures, whereas the attenuation of energy and anisotropy is stronger in open fractures than sealed fractures. For fractures of different sizes, the maximum velocity together with the minimum attenuation correspond to the average orientation of the fracture sets. Small fractures affect the wave propagation less. Azimuth-dependent anisotropy is low and varies more than the other attributes. Fracture density strongly affects the P-wave velocity, attenuation, and shear-wave anisotropy. The attenuation is more sensitive to the variation of fracture size than that of velocity and anisotropy. In the seismic frequency band, the effect of oil and gas saturation on attenuation is very different from that for brine saturation and varies weakly over azimuth. It is demonstrated that for two sets of fractures with the same density, the fast shear-wave polarization angle is almost linearly related with the orientation of one of the fracture sets.     

一种时空域优化的高精度交错网格差分算子与正演模拟

如何有效压制数值频散是有限差分正演模拟研究中的关键问题之一.近年来,许多学者对二阶声波方程的差分算子开展了大量的优化工作,在压制频散方面取得不错的效果.一阶压强-速度方程广泛用于研究地震波在地下变密度模型中传播规律,目前针对一阶方程的优化工作大多只是在空间差分算子上展开.本文在前人研究的基础上,推导出一阶声波方程中压强场与偏振速度场之间的解析关系,据此在传统交错网格基础上给出一种高精度的显式时间递推格式,该递推格式将时间差分与空间差分算子结合在一起,并采用共轭梯度法得到精确时间递推匹配系数,实现时空差分算子的同时优化.在编程实现算法的基础上,通过频散分析与三个典型模型测试表明:本文方法能够较为有效地压制时间频散与空间频散,提高数值计算精度;同时对复杂模型也有很好适用性.     

部分饱和孔隙岩石中声波传播数值研究

利用基于Biot理论的孔隙弹性介质的高阶交错网格有限差分算法,模拟了具有随机分布特征的多种流体饱和岩石中声波在中心频率分别为25,50,75,100kHz时的声场特点. 对于一个由两种成分（气和水）饱和的岩石模型, 假设含不同流体的孔隙介质随机分布在不同的宏观区域,该区域尺度远小于计算的声波波长;组成模型的两种随机分布介质具有相同的固体骨架参数、渗透率和孔隙度,但分别被具有不同压缩性、密度和黏滞系数特性的水和气饱和. 计算和统计分析结果表明,在两种孔隙成分随机分布的部分饱和条件下纵波速度比较复杂,除骨架参数外,其变化主要依赖于中心频率、各种孔隙成分饱和度及饱和介质的速度. 比较该随机分布模型、Gassmann理论模型和White的“气包”模型,发现三种模型得到的纵波速度和衰减规律有较好的定性对应关系. 其次,按照这种随机计算模型的处理方法,本文还首次计算了一个三种流体成分充填饱和的例子,即岩石模型中的孔隙被水、油和气部分饱和,计算时保持模型含水饱和度不变而只改变含油和含气饱和度. 在这种计算条件下,纵波速度随中心频率呈增大的趋势但有起伏变化. 声场快照显示了各种转换波在多种孔隙成分充填（两种和三种孔隙成分）岩石中的声场特征,复杂的水-油-气界面的非均匀分布对声场有重要影响,纵波能量主要转换形成了较为复杂的多种慢纵波和横波.     

横向各向同性(VTI)介质中非线性地震波场模拟

数值计算方法是考察非线性弹性波在介质中（如岩石）传播特征的重要手段.非线性弹性波的数值模拟存在陡峭间断面（点）、数值振荡以及误差的指数级增长等现象而破坏数值解的稳定性、收敛性，能否消减上述现象的不利影响成为制约数值方法有效与否的重要因素.文中同时引入了FCT算子和幅值限制器，采用中心差分格式对具有垂直对称轴的横向各向同性（VTI）介质中的二维非线性弹性波进行数值模拟，从而克服了上述困难；介绍了适用于非线性弹性波的吸收边界条件，给出了差分方程的稳定性条件.在验证了方法的有效性后成功地获取了二维VTI介质中非线性弹性波的三分量地震正演记录，表明非线性波在传播过程中会发生波形畸变等现象.     

Biot耦合模式波的动力学特征

通过数值计算重点论述了低频务件下介质不同区域(弹性区、粘性区、孔隙区(被流体充填或不充填))对波传播的作用，分析了在均匀的、完全各向同性介质中Blot耦合模式波在低频条件下的特点。发现：(1)慢纵波相速度存在临界孔隙度现象，临界孔隙度是慢纵波相速度的盲点。(2)低频、高孔隙度条件更有利于慢纵波的观测。(3)低频条件下，快纵波、横波相速度与渗透率无关；而快纵波、横波损耗因子受渗透率影响较大。     

六分量弹性波场数值模拟与分析

地震波传播过程中,质点的振动不仅包括三个独立的平移部分,还包括三个独立的旋转部分.本文基于一阶速度-应力弹性波方程,采用分裂完全匹配层(SPML)的吸收边界条件,推导了时间导数二阶精度和空间导数高阶精度的交错网格有限差分格式的弹性波速度与应力各分量计算公式,模拟了各向同性介质中均匀模型和层状模型下的六分量波场,并对二维各向同性层状模型下的三个分量地震记录做高分辨率线性拉东变换得到各自的频散能谱.数值模拟分析结果表明:(1)旋转分量的能量要比平动分量弱的多;(2)在平动分量上,面波能量强,频率低,反射P波能量较强,反射S波能量稍弱;在旋转分量上,反射P波能量很弱,S波能量强;(3)与平动分量相比,旋转分量的频散能谱效果更好,能看到基阶和完整的高阶面波,即旋转分量能反映更多的地下介质信息.     

非均匀流-固边界耦合介质多参数全波形反演方法

海洋勘探环境可以抽象为下伏固体与上覆流体相互耦合的介质,本文针对流-固边界耦合介质提出了一种高效、稳定的多参数（速度和密度）全波形反演方法.本文采用弹性波一阶位移-应力方程作为过渡层耦合声波压力方程与弹性波位移方程来模拟耦合环境,相比于传统的交错网格建模方法或者构建连续性条件,本文提出的方法在正演精度和稳定性上凸显出很大优势,极大降低了计算内存.反演策略对多参数全波形反演至关重要,由于不同参数之间的相互耦合使得密度在多参数全波形反演中较难获得,因此本文将非均匀流-固边界耦合介质多参数全波形反演分为两个步骤完成：第一步利用变密度声波方程结合推导出的密度梯度算子进行纵波速度和密度的双参数反演;第二步根据链式法则求取横波速度的梯度,结合第一步的反演结果使用流-固边界耦合方程反演横波速度.最后通过与声波动方程数值模拟结果对比证明正演算法的准确性;上覆流体的Marmousi-2模型的数值试验测试说明反演方法的有效性和适应性.     

VTI介质中非线性对地震波频率和频宽变化的约束

采用改进型FCT有限差分法分别模拟各向同性、具有垂直对称轴的横向各向同性(VTI)以及非线性VTI介质中地震波场,随后采用小波分析探讨VTI介质中非线性对地震波频率和频宽变化的约束.数值模拟及分析结果表明：介质各向异性会引发地震记录中各波型的能量随炮检距的变化,而介质各向异性与非线性的耦合作用则会进一步加剧这种变化.在遵守能量守恒原理的前提下,介质的非线性会引发地震波场中各波型间能量的再分配.同时还会引发地震波速度的波动,且随着入射角的增大,波动幅度变小.这些现象在频率域内的响应表现为主频和频宽的降低或增大、地震记录中与各波型相对应的瞬时主频和频宽峰值出现时刻的偏移以及它们随炮检距变化而表现出的幅值波动.在本文给定的弱非线性介质中（非线性炽较薄且远离震源）,在震源能量较低的情况下,介质的非线性效应会造成地震波瞬时主频和频宽相对于线性介质情况分别为1/10～1/4和1/10～1/3左右的变化量.此外,随着入射波能量的下降,介质非线性所造成的地震波瞬时特征（振幅、主频、频宽）的变化量减小,但随着地震波在穿越非线性介质时路径的加长,非线性作用的累积效应使得波形畸变和频率分布特征的变化（尤其是频宽）等现象得以维持.     

Acoustic finite-difference modeling beyond conventi-onal Courant-Friedrichs-Lewy stability limit: App-roach based on variable-length temporal and spatial operators

Conventional finite-difference (FD) methods cannot model acoustic wave propagation beyond Courant-Friedrichs-Lewy (CFL) numbers 0.707 and 0.577 for two-dimensional (2D) and three-dimensional (3D) equal spacing cases, respectively, thereby limiting time step selection. Based on the definition of temporal and spatial FD operators, we propose a variable-length temporal and spatial operator strategy to model wave propagation beyond those CFL numbers while preserving accuracy. First, to simulate wave propagation beyond the conventional CFL stability limit, the lengths of the temporal operators are modified to exceed the lengths of the spatial operators for high-velocity zones. Second, to preserve the modeling accuracy, the velocity-dependent lengths of the temporal and spatial operators are adaptively varied. The maximum CFL numbers for the proposed method can reach 1.25 and 1.0 in high velocity contrast 2D and 3D simulation examples, respec-tively. We demonstrate the effectiveness of our method by modeling wave propagation in simple and complex media.     

改进的TTI介质纯P波方程正演模拟与逆时偏移

逆时偏移作为一种高精度偏移方法已成为复杂构造成像的重要技术,描述纵波独立传播的延拓方程是各向异性介质逆时偏移的一个关键问题.在对VTI介质几个经典相速度近似公式回顾的基础上,针对常用于描述纯P波的Harlan近似公式在各向异性参数ε较大情况下近似精度较低的问题,本文对Harlan公式中的非椭圆项进行了修正,在非椭圆项前添加了一个与各向异性参数ε有关的修正系数,得到了三种改进型Harlan公式,并以近似精度最高的改进式为基础,推导了TTI介质纯P波方程.针对该伪微分方程,本文利用伪谱法和有限差分法联合实现波场延拓,对于常密度二阶方程,基于中心网格实现;对于一阶应力-速度方程则基于旋转交错网格实现.通过数值试验分析了TTI介质纯P波一阶应力-速度方程的近似精度,并以一阶纯P波方程为基础进行了TTI介质逆时偏移数值模拟试验.结果表明,本文给出的方法能够较准确地描述TTI介质纯P波波场特征,可以应用至各向异性介质逆时偏移.     

双相介质中地震波的频率-空间域数值模拟

本文利用优化的25点频率-空间域有限差分算法对基于BISQ模型双相各向同性介质中的地震波进行了数值模拟.通过与经典的Biot模型理论模拟结果进行对比,分析了Biot流动（宏观流体流动）和Squirt流动（微观流体流动）耦合作用对地震波在孔隙介质中传播特性的影响.数值模拟在地震频段进行,结果显示：在理想相界和黏滞相界情况下,Squirt流动机制都比Biot流动机制产生了更大的速度频散和能量衰减.其中,在Biot流动和Squirt流动耦合作用下的快P波的速度和振幅小于仅考虑Biot流动影响下快P波速度和振幅,而且慢P波的衰减也更加强烈.本文还研究了地震波在双层双相各向同性介质分界面处的反射和透射特征,双相介质中波的反射与透射现象类似于单相介质的情况.模拟结果表明,利用优化25点频率-空间域有限差分法模拟双相孔隙介质中的地震波场是可行的,这为开展双相孔隙介质全波形反演问题的研究提供了可能.     

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。     

Simulation of improved pure P-wave equation in transversely isotropic media with a horizontal symmetry axis

Characterizing the expressions of seismic waves in elastic anisotropic media depends on multiparameters. To reduce the complexity, decomposing the P-mode wave from elastic seismic data is an effective way to describe the considerably accurate kinematics with fewer parameters. The acoustic approximation for transversely isotropic media is widely used to obtain P-mode wave by setting the axial S-wave phase velocity to zero. However, the separated pure P-wave of this approach is coupled with undesired S-wave in anisotropic media called S-wave artefacts. To eliminate the S-wave artefacts in acoustic waves for anisotropic media, we set the vertical S-wave phase velocity as a function related to propagation directions. Then, we derive a pure P-wave equation in transversely isotropic media with a horizontal symmetry axis by introducing the expression of vertical S-wave phase velocity. The differential form of new expression for pure P-wave is reduced to second-order by inserting the expression of S-wave phase velocity as an auxiliary operator. The results of numerical simulation examples by finite difference illustrate the stability and accuracy of the derived pure P-wave equation.     

砾岩储层地震波传播方程:三重孔隙结构模型

针对砾岩储层的砂、砾、泥三重孔隙结构特征,本文分析砾岩孔隙区域、砂岩孔隙区域以及泥岩孔隙区域相互之间的孔隙流体流动机制,将静态的砾岩骨架本构方程与动态的孔隙流体运动方程联立,提出了复杂砾岩储层的弹性波传播理论方程.采用实测砾岩储层参数,在算例中与双重孔隙介质理论进行对比分析,验证了本文理论方程的合理性;基于三重孔隙介质模型,分析不同储层环境下纵波的传播特征,结果显示:随流体黏滞系数增大,在衰减-频率轴坐标系中,砾与砂、砂与泥孔隙区域间局域流导致的两个衰减峰向低频端移动,而Biot全局流导致的衰减峰向高频端移动;嵌入体尺寸及背景相介质渗透率的变化,主要影响纵波速度频散曲线沿频率轴左、右平移,不影响波速低频、高频极限幅值;嵌入体含量及孔隙度的变化改变了岩石干骨架的弹性、密度参数,不仅影响速度频散曲线沿频率轴平移,而且影响其上、下限幅值;砾包砂包泥三重孔隙介质模型所预测的衰减曲线中,低频段"第一个衰减峰"主要由砾岩孔隙区域与砂岩孔隙区域之间的局域流导致,中间频段"第二个衰减峰"主要由砂岩孔隙区域与泥岩孔隙区域之间的局域流导致,超声频段"第三个衰减峰"由Biot全局流导致.对慢纵波传播特征的分析显示,砂岩骨架(局部孔隙度较大)内部的宏观孔隙流体流动造成的耗散明显强于砾岩与泥岩骨架.     

Analytical exploration of γ-function explicit method for pseudodynamic testing of nonlinear systems

It has been well studied that the γ-function explicit method can be effective in providing favorable numerical dissipation for linear elastic systems. However, its performance for nonlinear systems is unclear due to a lack of analytical evaluation techniques. Thus, a novel technique is proposed herein to evaluate its efficiency for application to nonlinear systems by introducing two parameters to describe the stiffness change. As a result, the numerical properties and error propagation characteristics of the γ-function explicit method for the pseudodynamic testing of a nonlinear system are analytically assessed. It is found that the upper stability limit decreases as the step degree of nonlinearity increases; and it increases as the current degree of nonlinearity increases. It is also shown that this integration method provides favorable numerical dissipation not only for linear elastic systems but also for nonlinear systems. Furthermore, error propagation analysis reveals that the numerical dissipation can effectively suppress the severe error propagation of high frequency modes while the low frequency responses are almost unaffected for both linear elastic and nonlinear systems.