基于完全三叉树的快速推进法地震波走时计算

快速推进法(简称FMM)在地震波走时计算中有着精度高、效率高的特点,但窄带扩展每次都要寻找最小走时。当网格节点较多时,寻找最小走时非常耗时。在保证精度的前提下,为了提高计算效率,笔者对堆排序的排序方式做了改进,将完全三叉树排序方法引入到快速推进法地震波走时计算中。模型试算结果表明,基于完全三叉树快速推进法计算出的地震波走时与用完全二叉树方法的精度一致,且前者比后者效率提高约10%。     

波前扩展有限差分地震波走时算法的C++语言描述

回顾了波前扩展有限差分地震波走时算法及其主要优缺点,分析了该算法在程序实现过程中存在的一些问题。针对这些问题,给出了波前扩展有限差分地震波走时算法的C⁺⁺语言描述。目的是:（1）确保程序的稳定性。使用体波、首波、散射波相结合的走时算法,在保证走时计算精度的同时,较好地解决了前述算法在局部速度差异较大的情况下可能会出现负数开平方问题;（2）提高程序的执行效率。给出一种波前点的“列队”式存储方法,有效提高了波前最小走时点的查找效率;（3）为波前扩展有限差分地震波走时算法构建一个方便、可行的程序框架。对原始速度模型增加了边界,不仅方便了程序实现,而且省去了程序用于判断和处理模型边界所花费的时间。     

地震波走时计算的逆风差分算法

快速精确地旅行时计算在地震资料的叠前偏移与层析反演中起重要作用。利用逆足差分格式求解程函方程，首先在波阵面上寻找全局极小点，然后计算该点周围各点的地震波初至走时，同时，采用局部算法以确保计算的稳定性。该算法对于任意复杂地质模型都具有较高的精度。     

基于波前重建和李代数积分的地震波走时计算

地震波走时计算在数值模拟、层析反演和偏移成像中均有重要意义。将波前重建与李代数积分相结合,提出了一种新的适应横向变速介质的非对称走时算法,称之为wave-front construction-Lie algebra integral(WFC-LAI)算法。本算法利用一次波前重建计算成像射线走时进行坐标变换,将深度域单平方根算子透镜项转化为常数,在射线坐标系下计算李代数积分和指数映射,得到地震波走时的解析表达式。数值试验表明,该方法计算结果与线性横向变速介质中走时的理论值吻合。通过与波前重建结果对比,WFC-LAI算法对于求取横向变速介质中地震波走时是可行的,节省了存储空间,易于并行,有利于提高Kirchhoff积分叠前深度偏移的精度和效率。     

压缩三维走时表提高克希霍夫偏移计算效率

地震波走时是克希霍夫叠前深度偏移的重要参数。三维克希霍夫偏移成像由于需频繁读取大数据量的走时表文件,所以计算效率不高。这里提出一种通过压缩三维射线追踪走时表,来提高克希霍夫偏移计算效率的方法：首先规划一个具有规则网格控制点并覆盖所有走时表点集的最小长方体区域,然后以三维三次B样条函数为插值基函数进行最小二乘法曲面体拟合,求出规则网格控制点的数值并以数组形式存储入内存,采用稀疏化存储进一步节省了内存空间。在偏移成像时,再由这些规则网格控制点的数值,使用线性插值公式解编出走时表。实际资料算例验证了该走时表压缩方法不仅近似精度高,计算稳定度高,计算效率高,而且由于省去了频繁进行大数据量走时表文件的读写操作,所以克希霍夫偏移的计算效率提高了二倍以上。     

一种变网格差分的快速行进法

地震波旅行时精度直接影响着地震反演、叠前偏移成像、层析成像等各领域研究成果的可靠性,因此,研究如何提高地震波旅行时精度是很有意义的。在双重网格技术的基础上,引入一种基于变网格差分格式的快速行进法(FMM)计算地震波旅行时,通过正演模拟均匀模型、存在高速异常体模型、Marmousi模型来分析变网格FMM的优势及适用性。研究结果表明:均匀模型背景下,变网格FMM与双重网格FMM优势相当,但是在存在高速异常体模型背景下,双重网格FMM可能违背波前扩展的规律,从而导致较大的误差,而变网格FMM则不存在这样的问题; Marmousi模型试算验证了变网格FMM能适应各种复杂模型。因此,该方法是一种有效提高走时计算精度和效率的方法,不仅增强了FMM法的适用性,而且扩展了变网格技术的应用范围。     

基于NAD算法的声波方程时间四阶差分解法

波动方程数值模拟是研究地震波传播机理的重要工具,有限差分求解波动方程是当前地震波数值模拟的主要方法之一。当地下介质中的地震波速度较低或地震波高频成分丰富时,常规有限差分技术常常产生严重的数值频散误差,这种误差会降低数值模拟的精度,影响对地震波传播机理的分析。为压制地震波数值模拟时产生的数值频散误差,提高波场模拟精度,提出了基于NAD算子的时间四阶精度波动方程差分格式。根据对应的差分格式,分析了该差分格式的数值频散关系。与常规四阶精度差分算法的频散曲线相比,基于NAD时间四阶精度差分方法不但能够实现时间频散的有效压制,同时其基于更多网格点的位移分量和位移梯度分量空间微分求解方法还能够实现空间频散的有效压制。另外在相同模型条件下,基于NAD算法的声波方程时间四阶差分解法可采用大网格对模拟空间进行差分离散,减少网格数,提高计算效率。     

基于频率域高阶有限差分法的正演模拟及并行算法

在弹性波频率空间域有限差分数值模拟方面,差分网格及边界条件是影响弹性波模拟成功与否的关键,为了压制数值模拟中的网格频散,采用25点有限差分算子,建立了有限差分矩阵方程,且借鉴匹配层衰减边界条件思想,设计了弹性波频率空间域有限差分数值模拟算法。由于采用高阶有限差分法来提高差分格式的精度,将会导致计算量显著增加,为此,对频率空间域有限差分弹性波数值模拟方法,采用流水线技术与分治策略进行了并行算法研究,提高了计算效率,使得在合理的计算时间内更精确地模拟弹性波在弹性介质中的传播过程。     

高阶交错网格有限差分弹性波场模拟的精度分析

交错网格波场数值模拟是目前地震正演中广泛使用的方法,为对比分析不同阶数的差分格式下产生的计算效率和精度差异,重新推导了弹性波方程的4种时间4阶、空间2N阶的差分公式及系数,并计算了他们的稳定性条件。利用这4种差分格式进行弹性波场数值模拟,对比分析了波场快照、合成地震记录及CPU时间。结果表明:时间4阶、空间6+6阶精度的交错网格有限差分方法在进行地震波场数值模拟时具有较高的计算精度和计算效率。      

波动方程正演模型技术及其在地震资料综合解释中的应用

运用固体力学有限元素法的基本原理，推导出适合于描述地震波传播的弹性动力学有限元方程，在微机上实现了不同观测系统下的地震波传播过程中波型转换及波形变化的全波场模拟。模拟技术具有以下特点：①克服了差分法的精度不高、波前弥散、收敛区间小及常规有限元素法的计算大、运算速度慢等特点；②模拟常规人工地震、ＶＳＰ、逆ＶＳＰ及井间地震等各种观测系统下波传播机理，记录任意时刻波场、能量场、旋度场及散度场，分析波传播     

投影解析速度建模

当今地球动力学的研究已逐步引起重视 ,尤其是高新探测技术的发展 ,将会大大加快其研究步伐。地球物理勘探作为重要的探测技术之一 ,已在该领域做出了重要贡献 ,比如能源探测、环境保护、防灾减灾工作中都需要物探技术。文中就地震勘探领域中地震波成像前沿技术———深度偏移的核心问题———速度模型的建立展开深入的研究。在分析现有方法缺陷的基础上 ,提出投影解析速度建模方法。该方法建立在两个重要事实依据之上 :(1)地震波旅行时误差是由描述地下反射界面的深度误差和描述地层的速度误差共同引起的 ;(2 )在反演中要保证零炮检距旅行时不变。在局部平面波前假设和拉东投影原理下 ,导出由旅行时误差计算界面深度误差和速度误差的解析公式。该方法可保证界面深度和层速度同步快速收敛。与现有方法相比 ,该解析法可以明显提高计算效率 ,且应用效果相当明显。     

基于模拟退火法的弯曲射线追踪

提出了一种新的射线追踪方法——模拟退火法.新方法不仅较好地解决了传统射线追踪方法过分依赖初始模型的问题,而且对于复杂速度场模型也能保证在固定的发射与接收点之间构建令人满意的射线路径及其相应的走时,搜索到满足旅行时全局最小的射线路径.此外,新方法还可计算局部最小旅行时,并可方便地通过指定射线经过固定点来对射线路径进行限制...     

旅行时线性插值射线追踪提高计算精度和效率的改进方法

旅行时线性插值（LTI）射线追踪算法是基于线性假设的,在向前处理过程中仅用按行或按列扫描的方法来计算节点旅行时没有考虑逆向传播射线,导致其计算精度与网格剖分大小有关,在处理复杂介质时会使得追踪出来的射线路径不一定满足最短旅行时。因此,笔者提出了两点改进措施：在向前处理时需采用全方位循环的方法来计算节点最小旅行时;在网格边界加入次生节点。模型试算结果表明：采用全方位循环的LTI法考虑了来自各个方向的射线,可提高其对复杂模型的适应能力;在节点间距相同的情况下,网格边界插入次生节点的LTI法较传统的LTI法计算精度至少可以提高一个数量级,同时,计算速度也更快;随着节点间距剖分的越精细,计算耗时下降也越明显,计算速度较传统的方法可提高n~10n倍。     

粒子群优化复合形法求解复杂土坡最小安全系数

为提高复合形法的寻优成功率,对初始复合形以及第一次出现“最坏点映射失败”之复形的顶点进行变异粒子群优化算法操作,搜索得到较优解,并替换掉当前复形中的一个顶点。利用最大复形中心距替换准则,产生新的复合形。对新的复形继续进行基本复合形法的计算,构成了基于变异粒子群优化的改进复合形法。对两个复杂土坡的最小安全系数的搜索表明,改进的复合形法具有较强的全局搜索能力。     

对部分简单形体产生的自然电位进行定量分析

本文提出了一种新的特征点法,并在前人的基础上改进了一种数值计算方法(最小二乘法),以此来确定部分具有自然电位异常简单地质体的形态(形态系数)、埋藏深度、极化角和电偶极矩。特征点法通过剖面上三个特殊点(两个极值点和零电位点)的值以及它们相互间的距离便可快速求取地质体各参数。改进的最小二乘法则是在前人的基础上加入了零电位点的计算及其它处理方法,以此来获得准确性更高的地质体各参数。两种方法都被用来计算加入±5%随机误差的理论模型数据,并在土耳其的一个实际野外数据中得到测试。结果表明所求的参数与实际参数具有较好的一致性。