复杂地表的单程波动方程地震叠前正演

作者基于数学检波器和等时叠加原理,实现了复杂地表的单程波动方程地震叠前正演模拟。该方法采用虚拟的数学检波器接收地下的反射地震信号,灵活地将接收点布置在地表的任何地方,从而满足地表起伏的要求。此外,根据等时叠加原理, 该方法采用单程波动方程进行波场延拓和成像,计算简单快速。通过复杂正断层的数值模拟,得到了高信噪比的共炮集地震记录,并采用适用于起伏地形的深度偏移方法对该共炮集地震记录进行了叠前深度偏移,较好地实现了地震波的偏移归位,从而证明了这里提出的起伏地表的单程波动方程地震叠前正演方法是正确和有效的。     

起伏地表下基于改进BISQ模型双相介质中曲线网格有限差分法波场模拟

本文以基于改进BISQ模型的二维双相各向同性介质一阶速度-应力方程为基础,推导出了曲线坐标系下对应的方程,然后采用低频散、低耗散的同位网格MacCormack有限差分法来离散方程,并采用紧致的单边MacCormack差分格式结合牵引力镜像法来施加自由地表边界条件,实现了地震波场数值模拟.曲线网格有限差分法采用贴体网格来描述自由表面,地表的网格线紧贴地形,避免了台阶近似造成的数值散射.数值模拟结果表明,在双相介质起伏自由地表和分界面处,各类波型复杂的反射透射规律可以清晰展现,曲线网格有限差分法可以精确地解决地震波在含起伏地表的双相各向同性介质中的传播问题.     

分段光滑曲线边界波动方程数值模拟研究

矩形网格有限差分法在地震波传播数值模拟方面具有计算速度快的显著优势,但该方法在处理复杂边界问题上存在着效率低的严重缺陷.本文针对分段光滑曲线边界定义了尖点处的一种正则导数,给出了矩形网格情形分段光滑曲线网格边界点法向导数的一种插值计算方法.采用矩形网格有限差分法对复杂边界地球介质模型进行地震波场数值模拟,并采用波场系列快照技术揭示地震波在起伏地表和复杂介质中的传播规律.模拟结果表明：法向导数插值计算方法为矩形网格有限差分法处理复杂边界提供了有效途径,采用波场系列快照技术可以清晰地展现地震波在反射界面的反射和透射规律、在尖点的绕射规律以及在自由表面的直达波和多次反射规律.     

起伏地表下地震波传播数值模拟方法研究进展

起伏地表是地震数据的采集、处理和解释中普遍遇到的难题.起伏地表下的地震波传播数值模拟,对起伏地表观测的地震资料处理解释有重要意义.地震波场模拟和地震波走时场分别描述地震波的动力学和运动学信息,为研究地震波传播理论的两种重要途径.本文从地震波场和地震波走时场两方面回顾和总结了起伏地表下的地震波传播数值模拟方法的研究进展,并展示了该领域的一些最新研究成果,为使读者能从中找到突破点,为起伏地表这一勘探领域的经典难题做出贡献.     

SH波地表散射的局域边界元模拟

本文提出了一种计算不规则起伏地形中SH波散射的有效方法——局域边界元法.本方法基于传统边界元法,为计算复杂地表散射问题提供了一种更加高效的解决方案.根据地震波满足的边界积分方程中牵引力格林函数的特性,我们将自由边界分解成水平部分和起伏部分.通过公式推导,可将水平部分的位移由起伏部分的位移通过格林函数线性叠加表示,因此只需对起伏部分的位移进行直接求解,从而极大地减少了待求解的未知数个数,显著提高了计算效率.通过与半圆形山谷SH波平面波入射的解析解比较,验证了方法的正确性.数值模型比较显示,局域边界元模拟结果与传统边界元数值解完全吻合,但是大幅提高了计算效率.因此,局域边界元法可以作为模拟不规则地形中地震波散射的有效工具.     

起伏地表地震波正演数值模拟

常规起伏地表地震波数值模拟均将地表以上的介质视为真空介质来处理,而这与实际情况不符。为解决这一问题,将地表以上介质视为声学介质,使地震波在该介质中以350m／s的速度传播。以两层起伏地表速度模型为例,分别采用声波和各向同性弹性波波动方程进行正演数值模拟,并与常规基于真空介质假设的计算结果进行对比,结果表明,基于声学假设的模拟记录可以更加有效地模拟真实的数据采集,并且反射波同向轴具有更好的连续性。     

起伏海面对反射地震偏移成像结果的影响

实际海面受风浪的影响是个随机起伏的复杂曲面.一个随机起伏的自由表面对地震波形成相当复杂的散射,进而影响波场在靶区的二次照明与成像结果;此外,起伏海面具有小尺度随机起伏的特性,难以用贴体网格等处理大尺度起伏地表的常规方法和技术对其进行逼近和处理.鉴于此,利用不等距有限差分法实现小尺度起伏海面的波场自由表面边界条件,以此进行正演、波场照明分析;利用逆时偏移（Reverse Time Migration,RTM）进行起伏海面下的成像并对成像结果进行分析.不同模型的试算结果表明：起伏海面引起的复杂散射使靶区地下照明不均匀、成像界面发生弯曲和畸变,从而降低成像结果的分辨率和信噪比.     

基于时空双变网格的起伏地表变坐标系正演模拟方法（英文）

坐标变换法通过将物理空间的曲网格映射为计算空间的矩形网格,将起伏地表转化为水平地表,同时将物理空间的波动方程转化为计算空间的波动方程,在计算空间完成数值模拟,坐标变换的方法对处理起伏自由边界具有较好的适应性和应用效果。本文在传统坐标变换方法的基础上,根据计算区域速度差异采用不同的网格大小和采样时间步长,提出了一种基于时空双变网格的起伏地表坐标变换正演模拟方法。在编程实现算法的基础上,通过典型模型波场模拟试算结果分析可知:(1)变网格方法与常规方法波场模拟误差在0.5%左右;(2)变网格方法计算效率视不同的变网格区域面积及变网格大小可提高几倍量级,在本文模型和计算参数下提高约5倍。(3)在满足模拟精度及频散条件要求下,变网格方法较全局细网格算法能显著节约计算内存。为此,针对起伏地表数值模拟,本文方法具有较高的模拟计算精度和一定的适应性。     

基于起伏地形平化策略的弹性波逆时偏移成像方法

随着能源和资源勘查开采工作的深入,地形强烈起伏的盆山耦合地区的地震资料处理解释技术正日益成为山地地震勘探面临的重要挑战.逆时偏移方法作为精确的地震偏移成像方法之一,能对地下结构进行高精度成像.逆时偏移的核心是地震波场延拓,由于传统的地震波场延拓技术往往基于水平地表条件,相应的方法在直接处理强地形起伏条件下的地震资料时往往存在一定的精度损失.本文引入一种精度无损的处理起伏边界的模型参数化方法：基于贴体网格的地形"平化"策略发展了与地形有关的地震波波动方程数值模拟方法,采用零延迟归一化互相关成像条件实现了起伏地表条件下的弹性波场逆时偏移成像.对工业界的标准Marmousi模型和盐丘模型进行改造,获得了相应起伏地形条件下的复杂几何模型,开展了起伏地表下的地震偏移成像数值试验.结果表明基于贴体网格"平化"策略的逆时偏移成像方法具有较高的灵活性,可适应不同类型起伏地表采集的地震资料,显示出该方法在地震勘探领域的良好应用前景.     

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.     

起伏层状介质中曲线网格有限差分法与射线法波场模拟对比研究

针对处理起伏地表(或含地下不规则波阻抗界面)条件下发展起来的地震波场数值模拟算法的模拟结果与解析解(大多数情形下无法得到)无法进行对比,且其有效性和正确性难以验证的情况,本文提出了一种可以相互验证波场数值模拟结果与射线追踪数值模拟结果的正确性和有效性的佐证方法,验证了参考射线追踪法.其中,波场数值模拟中采用曲线网格DRP/opt MacCormack有限差分法,射线追踪模拟则采用分区多步三角网格最短路径算法.通过系统对比上述两种方法得到的波场快照、单炮地震记录,以及合成理论地震图的结果显示,本方法相互作证了两种方法所得结果的正确性和有效性.双层和三层起伏层状模型的对比分析结果表明,这种方法不但可以加深理解地震波在复杂介质中的传播规律,同时射线法的引入为清晰识别和标定地震波场数值模拟中各种不同震相提供了一种便捷的途径.      

起伏地表下弹性波场数值模拟的自由边界处理方法改进

针对起伏地表下的弹性波模拟问题,本文采用高阶交错网格有限差分法剖分网格;在前人的基础上,提出改进型真空法处理起伏地形自由界面:设置一虚拟层于自由界面上,对自由界面的弹性参数取平均;同时,按照参数在交错网格上的安放特点,只需处理剪切应力,并令其值为零;用速度平均法处理速度,把自由界面上方区域内的速度设置为零.本文模拟了几个工程勘探中典型地质模型的炮集记录.结果表明,地表起伏使地震波场复杂化,波型相互转化,产生地表散射,反射波同相轴扭曲、截断甚至淹没,信噪比降低.本文提出的改进型真空法能够确保算法的稳定性和精度,表现出良好的效果.     

复杂构造地震波场分析(英文)

在我国的西部地区,地震波场十分复杂,信噪比低。本文采用波动方程正演模拟的方法研究复杂波场的形成原因。在模拟物性差异较大介质中的地震波场时,密度的影响不可忽略,因此,本文用含密度项的声波方程的交错网格有限差分法模拟地震波场并进行分析。设计了一个具有起伏地表、低速覆盖层和高速地层出露的复杂构造,从瞬时波场分布分析了形成复杂波场的原因。低速层对地震波场的影响明显,低速层中产生很强的槽波,低速层顶底形成的多次反射向地下传播又形成了复杂的反射波场。为了验证波场模拟结果的可靠性,对模拟波场用与正演模拟不同的算法进行叠前深度偏移,得到了与已知构造相同的偏移叠加剖面。     

起伏地表组合震源地震波场定向方法

多个震源组合激发通过改变激发延时,可以得到沿某方向传播的地震波场,即定向地震波场激发技术,它可用于特定目标体的照明与探测之中.本文以水平地表的组合震源定向激发原理为基础,推导了倾斜地表情况下的组合震源定向激发公式,并计算绘制了其理论方向图.另外本文将组合震源波场定向方法推广至任意起伏地表,根据惠更斯菲涅尔原理,提出了旋转坐标方法,即将水平坐标旋转至定向波场传播方向法向的倾斜坐标,可方便地计算震源传播至定向波场波前面的走时,作为组合震源的激发延时.根据本文提出的方法,我们分别计算了倾斜地表条件与复杂地表条件定向地震波场的组合震源延时参数,通过波动方程数值模拟技术得到的波场快照验证了本文方法的有效性.     

网格剖分及其精度和计算量分析

网格剖分程度直接影响着地震波正演数值模拟的计算精度及其计算量.以均匀介质模型为例,分析不同网格大小对波场模拟精度和计算量的影响,得出精细化网格剖分是实现高精度地震波正演模拟的有效方法,然而其计算量较大.以均匀倾斜介质模型为例,探讨倾斜地层网格剖分问题,数值实例分析不同震源频率对不同网格剖分方案引起的波场传播精度的影响,...     

基于MC-PML的二维Rayleigh波正演模拟及频散特征分析

Rayleigh波正演模拟是认识Rayleigh波传播规律的重要手段,也是Rayleigh波反演的基础.然而,在浅地表高泊松比地质体的Rayleigh波正演模拟中,应力镜像与二阶速度展开的自由表面处理方法配合传统的C-PML技术会产生严重的数值不稳定问题.为此,本文首先从弹性波动方程出发,基于应力镜像与二阶速度展开法,推导了自由边界条件下应力分量与速度分量的更新公式;然后再借助MC-PML边界条件处理模型左右两边和底部的人工截断边界,以确保自由边界与吸收边界耦合区域的计算稳定;最终采用GPU并行编程架构,实现了基于MC-PML的Rayleigh波正演模拟技术．通过四组典型模型试验及频散分析结果表明:应力镜像与二阶速度展开的自由表面处理方法结合MC-PML技术能够准确刻画Rayleigh波传播规律,MC-PML技术不受自由表面影响,未见数值不稳定,频散能量谱的峰值连线与理论频散曲线的高度一致性进一步证实本文Rayleigh波正演模拟所采用的关键处理技术是正确的．     

起伏地表QR径向基函数有限差分及其在弹性波逆时偏移中的应用

弹性波逆时偏移不受倾角和偏移孔径的限制,能够实现任意复杂构造的高精度多波成像,是目前最精确的多分量资料偏移成像方法之一.逆时偏移算法的核心是波场延拓,传统波场延拓以水平基准面为边界条件,基于固定采样步长进行规则网格剖分,采用阶梯近似法处理起伏地表和复杂构造界面时会产生台阶散射,严重影响起伏地表复杂构造的成像精度.基于无网格节点模型,定量分析了弹性波模拟中径向基函数有限差分法的频散关系和稳定性条件.基于此,提出一种基于QR径向基函数的高精度有限差分方法,并提出一种优化的起伏地表自适应节点剖分方法,推导了精确的无网格自由边界条件和弹性波无网格混合吸收边界条件,形成了新的基于无网格的起伏地表弹性波数值模拟方法.此外,本文将此无网格径向基函数有限差分方法应用于精确的纵横波场矢量分解公式,实现了起伏地表弹性波逆时偏移成像.通过对高斯山丘模型,起伏凹陷模型和起伏地表Marmousi-2模型进行数值试算,验证了本文方法的有效性和可行性.     

基于时间辛格式的傅里叶有限差分地震波场正演（英文）

地震波场正演模拟是地震资料处理、解释中最为重要的技术之一。地震波场正演模拟在大时间步长、长时程的波场延拓中,存在计算不稳定的问题。本文基于声波方程的Hamilton表述,在波动方程求解中用辛差分格式进行时间网格离散,用傅里叶有限差分进行空间网格离散,提出一种新的保结构地震波场正演模拟方法一辛格式傅里叶有限差分法,在保证计算精度的同时提高计算的稳定性。利用声学近似处理空间-波数混合域的积分算子,将该方法推广至各向异性介质。给出各向同性和各向异性条件下的地震正演模拟的计算流程,并将本文方法用于BP盐丘、BP TTI等模型的波场正演模拟。数值算例表明本文开发的方法适用于速度变化剧烈的复杂介质地震波场正演模拟,计算精度高,数值频散小,在各向异性介质正演中能够有效避免qSV波残余,在大时间步长的迭代计算中稳定性好。本文为在辛算法的框架下实现高精度地震正演模拟提供了一种新的选择。     

VTI介质起伏地表地震波场模拟

起伏地表下地震波场模拟有助于解释主动源和被动源地震探测中穿过山脉和盆地的测线所获得的资料.然而传统的有限差分法处理起伏的自由边界比较困难,为了克服这一困难,我们将笛卡尔坐标系的各向异性介质弹性波方程和自由边界条件变换到曲线坐标系中,采用一种稳定的、显式的二阶精度有限差分方法离散(曲线坐标系)VTI介质中的弹性波方程;对...     

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...