地震波正演模拟中无单元Galerkin法初探

无单元Galerkin法作为一种新型有限元开始应用于地震勘探领域.地震波正演模拟结果的好坏取决于基函数类型、节点分布、节点编号方式、稳定条件以及边界条件等因素,通过对各个因素的分析可知:基函数的阶数越高,结果精度越高,但数据量和运算量就越大;不同的基函数联合使用时,会带来数值计算上的误差;节点可以不均匀分布,但必须满足空间采样要求;合理的节点编号有利于节约数据量和减少运算量;采用衰减边界条件,能有效克服无单元Galerkin法在边界上处理的难点.以上分析结果,对无单元Galerkin法在地震波正演模拟中的应用具有一定的指导意义.     

2.5维起伏地表条件下频率域地空电磁正演模拟

频率域地空电磁探测方法是指在地面布设人工场源,在空中测量电磁场的一种高效的地球物理勘探技术.该方法具有大范围、高通过性、快速测量的优势,尤其适合崎岖山地、沙漠、沼泽、海陆交互带等复杂地貌区域的资源勘查.但是这些地区的地形起伏通常较大,因此分析地形对地空电磁响应的影响具有重要意义.本文利用有限元法对频率域地空电磁响应进行了正演计算,分析了起伏地表条件下的频率域地空电磁响应特征.首先利用傅里叶变换将2.5维问题转化成二维问题,利用伽辽金加权余量法推导了相应的离散有限元方程组.采用任意四边形单元对区域进行不均匀网格剖分,源和异常体附近网格加密处理,保证计算精度,远离目标区域网格逐渐稀疏,模拟无穷远边界,降低对计算资源的要求.在单元内进行插值,将有限元方程组变换为线性方程组,采用总场算法,利用具有一定面积的伪δ函数表达源电流分布,源项近似为分布在以电偶极源为中心的25个节点上.通过求解线性方程组得到波数域电磁响应,再对波数域电磁场响应进行反傅里叶变换从而获得空间域2.5维频率域电磁场值.通过对比2.5维正演结果与均匀半空间解析解,验证了本文算法的精度,同时本文还对地空电磁场与地面电磁场的响应特...     

An elasto-visco-plastic model using the finite element method for crustal and lithospheric deformation

A novel numerical model based on solid deformation is presented in this paper. This thermo-mechanical model can simulate the tectonic evolution of crust and (lithospheric and asthenospheric) mantle under different conditions. Our implementation uses the finite element method (FEM) in order to solve the equations. As a Lagrangian approach is employed, remeshing techniques are implemented to avoid distortion problems when a certain deformation threshold is reached. The translation of the state between the old and new mesh is achieved by means of the information stored on Lagrangian particles, which minimizes the diffusion. The model is able to represent elastic, viscous and plastic behaviour inside the studied domain. Three types of creep mechanism (diffusion, dislocation and Peierls) are included. Two different quadrilateral isoparametric elements were implemented and can be employed to perform the calculations. The first one is an element with 4 nodes, selective reduced integration and a stabilization operator to diminish hourglass modes, which reduces the computational time needed. The second one has 8 nodes located in standard positions, uses full integration scheme and has no hourglass modes as it satisfies the Inf-Sup condition. Several test cases with known solutions were run to validate the different aspects of the implementation.     

基于电流密度连续性条件的直流电阻率各向异性问题自适应有限元模拟

直流电阻率法被广泛应用在工程和环境及水文地球物理、野外采矿、地热探测等领域.地下岩石常具有层理面和裂缝等具有方向依赖性的结构,岩石电导率常常呈现各向异性特征,因此研究复杂直流电阻率各向异性问题的高精度正演算法具有迫切的理论和学术需求.本文利用面向目标的自适应有限元算法和非结构化网格相结合的方式,解决了带地形任意复杂直流电阻率各向异性问题的高精度正演这一难题.有别于前人的研究成果,本文提出了一种特别的二次虚拟场算法实现带源的任意起伏地形问题模拟;另外,本文第一次基于电流密度连续性条件构建适合直流电阻率各向异性问题的后验误差估计算法,有效地驱动面向目标有限元网格自适应加密过程.最后,通过三组电阻率各向异性模型验证本文提出算法的正确性和适应性,测试结果表明：对于任意复杂直流电阻率各向异性问题,本文提出的算法具有精度高、适应性强等特点;另外,我们还发现电流密度连续性条件可用于设计直流电阻率问题的有效后验误差估计算法.     

基于OpenSees的混凝土结构连续倒塌分析中的从属节点建模技术

对重大工程结构进行强地震作用下的连续倒塌全过程分析并建立相应的设计与控制方法,已成为当前地震工程领域的发展趋势。目前,由于数值求解方面的困难,绝大多数针对极端作用下的结构连续倒塌的研究止步于数值临界状态的界定,在分析过程中不能实时地对结构构件的损伤状态进行监测并根据构件的损伤状态对分析模型进行修改。为了实现连续倒塌过程中构件的逐步失效,在OpenSees程序中,基于Beam with Hinges Element构建了端部带附属节点的Beam with Hinges Element,并根据构件失效情况对附属节点的多点约束进行控制。采用三次静力凝聚方法和Newmark-beta法,给出了对此改进建模技术可信的理论背景,方法的准确性通过一个简单框架算例得到了验证。     

Daubechies小波有限元求解GPR波动方程

基于可分离小波理论,由一维Daubechies尺度函数的张量积构造二维Daubechies小波基,并将它作为GPR波动方程求解的插值函数,导出了二维Daubechies小波有限元GPR方程离散格式;通过引入转换矩阵,实现小波系数空间与雷达场值之间转换.引入自由度凝聚技术,有效解决了小波有限元求解中小波单元内部自由度过多的问题,节约了计算量并方便与传统有限元法耦合.然后,详细阐述了Daubechies小波有限元联系系数计算方法,有效解决了小波有限元求解偏微分方程的难点与核心问题.最后,以两个典型GPR模型为例,对比了Daubechies小波有限元与传统有限元的雷达正演剖面图与单道波形图,结果表明:在相同的剖分方式及节点数目条件下,Daubechies小波有限元的紧支性与正交性一定程度上提高了求解效率,它与有限元法求解结果能较好地吻合,验证了Daubechies小波有限元算法的正确性.     

基于反演基质矿物模量和多约束条件的双相介质AVO正演方法（英文）

基于双相介质理论的AVO正演技术是储层性质描述和流体预测的有效技术手段之一,但是输入参数中基质矿物模量的准确性和双相介质模型的的合理性极大地影响双相介质AVO正演效果。因此,本文采用基于流体因子的基质矿物模量反演方法,自适应反演基质矿物体积模量。引入具有岩石物理意义的多约束条件,使得流体替换技术制作的双相介质模型具有岩石物理意义。保证获得的双相介质AVO特征反映实际地层响应,真实可靠。通过不同岩性岩样的对比分析,说明反演方法的优越性和准确性。同时LH地区实际资料应用,获得孔隙度和流体饱和度等重要岩性参数变化时双相介质AVO特征,特别是不同储层孔隙度在同一入射角对应快纵波和横波反射系数幅值的大小差异和突变角差异是分辨储层孔隙度大小的依据。     

直流电阻率三维正演的代数多重网格方法

多重网格方法在求解由偏微分方程的边值问题离散所得线性系统时,具有非常高的计算效率.但常用的几何多重网格法在处理带跃变系数的偏微分方程时存在一定缺陷,限制了其应用.本文应用代数多重网格（AMG）方法求解三维直流电阻率法正演模拟形成的有限差分线性方程组,通过求解二次场的方法消除了总场中由点电源导致的奇异性,从而获得快速、精确的三维电阻率数值模拟.对两个存在大的电性差异的模型进行了模拟计算,以验证代数多重网格法的收敛效率.计算结果表明,与不完全Cholesky共轭梯度（ICCG）方法相比,代数多重网格方法具有更高的计算效率及稳定性.而且,随着三维网格节点数的增加,代数多重网格方法计算的高效性更加明显.     

求解二维弹性半空间散射问题的波函数组合法

提出了一种新的波函数组合法,将体波与面波特征函数组合求解不规则河谷地形在不同波型以不同角度入射的非一致位移输入问题.新方法严格满足不规则河谷散射表面自由条件,克服了目前波函数函数展开法不能完备表达二维不规则地形散射问题的缺点.数值算例表明波函数组合方法具有精确、稳定、计算量小的特点,可以应用于结构-地基动力相互作用的非一致输入问题.     

含方形凹陷半无限非均匀介质波动问题FDM模拟

采用规则网格有限差分方法对二维平面弹性波动方程进行差分离散,得到相应的弹性波动方程的有限差分方程,再将弹性波动方程的差分格式与吸收边界、自由边界的离散形式结合形成弹性波动方程有限差分方程解决问题的主体,将其应用于含方形凹陷半无限非均匀介质的模型中进行数值模拟,得到此离散化模型中不同时刻不同节点的位移值。针对具体算例,运用上述方法结合科学计算软件MATLAB和结果后处理软件DIFEM ISOLINE PLOTER得到不同时刻的水平方向位移等值线图与接收器测量点处的合成位移记录,讨论非均匀介质、吸收边界、方形凹陷等对波动特性的影响。     

高精度频率域弹性波方程有限差分方法及波场模拟

有限差分方法是波场数值模拟的一个重要方法,但常规的有限差分法本身存在着数值频散问题,会降低波场模拟的精度与分辨率,为了克服常规差分算子的数值频散,本文采用25点优化差分算子,再根据最优化理论求取的优化系数,建立了频率空间域中弹性波波动方程的差分格式;为了消除边界反射,引入最佳匹配层,构造了各向同性介质中弹性波方程在不同边界和角点处的边界条件. 最后由弹性波波动方程和边界条件,通过频率域有限差分法,分别利用不同震源对弹性波在均匀各向同性介质、层状介质及凹陷模型中的传播过程进行了数值正演模拟,得到了单频波波场、时间切片和共炮点道集,为下一步的研究工作（如成像、反演）提供了研究基础.     

空间波数混合域磁异常场积分解三维数值模拟

本文提出一种空间波数混合域磁异常场三维数值模拟方法.该方法利用磁位三维空间域积分为卷积的特点,沿水平方向进行二维傅里叶变换,把空间域磁位满足的三维积分问题转化为不同波数之间相互独立的垂向一维积分问题.保留垂向为空间域,优势之一在于便于浅层单元剖分可适当加密,随着深度增加,单元剖分适当稀疏,可以准确模拟任意复杂地形和磁性体的磁异常,兼顾了计算精度与计算效率;优势之二在于一维积分垂向可离散为多个单元积分之和,每个单元采用二次形函数表征磁化强度,可得出单元积分的解析表达式,计算精度高、效率高.该方法充分利用一维形函数积分的高效和高精度、快速傅里叶变换的高效性及算法高度并行性,实现了磁异常场高效、高精度的数值模拟.设计棱柱体模型,将模型解析解与空间波数混合域法的数值解对比,结果表明该方法计算精度高、效率高.设计了组合棱柱体复杂模型,对比分析了标准FFT扩边法与Gauss-FFT法的计算精度与计算效率,总结了标准FFT的扩边系数选取策略.针对任意复杂地形条件下的磁异常模拟问题,本文提出一种适用于起伏地形条件下的磁异常场快速计算方法,并对其有效性进行了验证.     

A semi-analytical method for predicting the outflow hydrograph due to dam-break in natural valleys

The paper presents a semi-analytical method for predicting the flow rate hydrograph due to a hypothetical sudden and total dam failure in a natural valley. The method generalizes the approach proposed by Hunt for the dam-break problem in a rectangular frictionless sloping channel to a valley with a cross-section area expressed by a power-law function of water depth, in order to take into account the most common shapes of natural valleys. The parameters of the deriving model can be set by exploiting data usually available concerning the dam section geometry and the reservoir storage-depth curve. The application of the technique to three different reservoirs is discussed. The results show that the flow rate hydrographs obtained at the dam site agree with the ones calculated by means of a finite volume numerical code based on two-dimensional shallow water equations. The method requires moderate computational and data collecting effort, so it can be regarded as a useful alternative to other procedures commonly adopted in the practice.     

基于改进的接收点插值算法的频率域海洋可控源电磁法2.5维正演

在海洋可控源电磁法勘探中,接收站常置于海底.在进行海洋电磁场模拟时,由于海水和海底介质存在显著电性差异,这给海底接收点处场值的求取带来困难.本文提出一种新的接收点插值算法,该算法考虑到海底电场法向分量不连续性问题,用法向电流分量进行插值以准确求取海底任意接收点处电磁场值.本文利用交错网格有限差分法实现了二维介质中频率域海洋可控源法(CSEM)正演.对构造走向做傅里叶变换,将三维电磁模拟问题转换为波数域2.5维问题,即三维场源激励下针对二维地电模型的电磁模拟问题.使用交错网格有限差分法,基于一次场/二次场分离方法导出波数域二次电场离散形式,并进一步求得波数域电磁场.采用本文提出的改进的插值算法可求得海底任意接收点处波数域电磁场,采用傅里叶逆变换对波数域电磁场进行积分可得到接收点处空间域电磁场.模型算例表明,与常规的线性插值和严格插值算法相比,本文提出的改进的插值算法具有更高的精度.     

基于BP神经网络的网格结构损伤识别与试验研究

针对网格结构中杆件数量众多,但节点数总是远远小于杆件数的特点,损伤识别中采用了基于BP神经网络技术和面向节点的损伤初步定位方法的网格结构损伤识别的三步法。对双层柱面网壳结构模型在不同杆件去掉时的四种损伤情况下的振动特性进行了实测,并以实测低阶模态的频率变化率和少数测点的振型分量作为神经网络输入参数,对模型的各种损伤情况进行了识别。结果表明,所用的方法可以精简神经网络的结构,并提高其模式识别的能力。该方法可用于对大型复杂结构的损伤识别。     

三维复杂速度模型的交切法地震定位

地震定位是地震监测与减灾研究重要基础.基于均匀或横向均匀介质模型,利用震源轨迹确定震源位置的交切法具有稳健和效率高的优点,但定位精度较低,特别是震源深度.为提高震源定位精度,我们提出适用于三维复杂速度模型的地震定位交切法.将地壳速度模型由均匀或横向均匀介质模型扩展为三维复杂速度模型;均匀或横向均匀介质模型对应的原假设为球面或双曲面的震源轨迹通过最小走时树射线追踪技术予以确定.确定震源位置的震源轨迹以到时差作为约束条件;将震源定位于震源轨迹交汇最密集的点处,即总的到时差残差(RDT)最小的点处.定位结果的不确定性可通过RDT值较小节点的空间分布予以定性表示.考察了准确速度模型、扰动速度模型、扰动观测到时及地震在台网外等4种情况下改进方法的地震定位效果,结果表明改进的交切法可用于三维复杂速度模型的地震定位;综合利用P波与S波的到时差信息,可明显改善震源位置约束;使用多条震源轨迹进行定位,有助于减少由随机因素导致的定位误差.     

Using Orthogonal Array Sampling to Cope with Uncertainty in Ground Water Problems

Uncertainty in ground water hydrology originates from different sources. Neglecting uncertainty in ground water problems can lead to incorrect results and misleading output. Several approaches have been developed to cope with uncertainty in ground water problems. The most widely used methods in uncertainty analysis are Monte Carlo simulation (MCS) and Latin hypercube sampling (LHS), developed from MCS. Despite the simplicity of MCS, many runs are required to achieve a reliable result. This paper presents orthogonal array (OA) sampling as a means to cope with uncertainty in ground water problems. The method was applied to an analytical stream depletion problem. To examine the convergence rate of the OA sampling, the results were compared to MCS and LHS. This study shows that OA can be applied to ground water problems. Results reveal that the convergence rate of the OA sampling is faster than MCS and LHS, with a smaller error of estimate when applied to a stream depletion problem.     

大地电磁三维交错网格有限差分数值模拟的并行计算研究

为了更有效的提高大地电磁三维正演的计算速度,引入了并行处理技术.大地电磁三维交错网格有限差分数值模拟是按照不同频率来计算的,各频率之间求取电磁场值的过程是相互独立的.根据这一特点,可以将多个频率的计算任务平均划分为一个或者几个频率的计算子任务,分配到各个计算节点去并行执行,计算完成后将结果汇总.本文通过采用主从并行模式、分频并行计算的方案,在曙光TC5000A高性能并行平台上实现了基于MPI的大地电磁三维正演的并行计算.通过两个理论模型对实现的大地电磁三维正演并行算法进行试算,对比分析了多个节点机下程序的执行效率.测试结果表明,所实现的三维正演并行算法是正确的、高效的,为进一步的大地电磁三维反演并行算法研究奠定了重要基础.     

基于三分向台站波形的重复地下爆炸相关检测

在将相关检测方法应用于三分向台站记录数据时不能采用台阵数据检测时所使用的基于相关系数束慢度估计的虚假触发筛查方法来控制误检测.为此,本文根据重复事件的震中位置本身固定,各台站记录到的重复事件信号之间的到时差与相应参考事件的信号到时差基本相同的特性,根据两个以上三分向台站的相关检测触发到时差筛查相关检测虚假触发,从而解决了相关检测方法在应用于三分向台站数据时虚假触发过多的问题.利用新疆的三个三分向台站一个月的连续数据对该方法进行测试的结果表明,该方法能在接近零误检率的情况下对重复地下爆炸进行检测.     

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.