起伏地表条件下地震波场数值模拟有限积分变换有限差分方法

针对起伏地表条件下的地震波数值模拟问题,提出将起伏的地表映射到一个规则的长方形网格坐标系中,并在此基础上推导出变换域中的波动方程。根据导出来的波动方程应用有限余弦变换有限差分方法进行地震波场的数值模拟,以解决起伏地表条件下的数值模拟。     

有限二维饱和多孔介质因载荷诱发Biot固结的解析解

推导了有限矩形区域饱和多孔介质因表面载荷诱发的Biot固结的一个解析解。假设多孔介质为均匀各向同性和线弹性,并被单相流体所饱和;控制方程组采用不可压缩多孔介质模型;孔隙压力场采用狄利克雷边界条件,上下表面位移场符合物理边界,而左右侧面位移场边界条件则由人为特别给定。利用有限正余弦变换和拉普拉斯变换及数值反演获得了物理空间孔隙压力场和位移场的半解析解,其体现为双重级数和的封闭形式。最后以某软黏土层平面应变固结为例,利用有限元分析软件ABAQUS对所给出的解析解进行了验证,同时基于该解析解考察了孔隙压力场和位移场的时空演化规律。所给出的解析解可用于深入分析有限二维饱和多孔介质的流-固耦合力学行为。     

利用高阶交错网格有限差分法数值模拟VTI介质井孔声场

横向各向同性（TI）介质是岩石地球物理中常见的一种现象,研究其井孔声场传播特征对声波测井理论以及为声波测井解释提供依据具有重要意义。针对具有垂直对称轴的横向各向同性（VTI）介质,根据柱坐标系条件下的弹性波波动方程,推导了速度-应力交错有限差分公式,采用时间二阶、空间十阶的交错有限差分算法对VTI介质中的井孔声场进行数值模拟。给出了在均匀介质中井孔声场不同时刻的波场快照,以及不同各向异性系数的VTI介质中的波场快照,计算了井轴上声源激发出的声波全波列波形。结果表明,在其他条件不变的条件下,VTI地层的各向异性系数的增大对横波的传播影响不大,但会使得纵波在纵向上的传播速度相对变小,径向上变化不大。各向异性系数的增大会使声波测井全波列首波信号时差变大,声波幅度略变小。      

Mathematica软件在计算有限单元法系数矩阵中的应用

以一维分层连续介质大地电磁有限元模拟为例,应用Mathematica软件计算系数矩阵。节约了大量的推导时间。确保快速、准确地得到有限元系数矩阵。展示了mathematica软件在计算有限单元系数矩阵中的强大功能。     

一种求解应变软化岩体中球腔问题的数值方法

均匀地应力场中球形洞室开挖问题可以简化为空间轴对称问题,为分析和评价球形洞室开挖的稳定性,采用有限差分方法对平衡方程与变形协调方程进行离散,将洞室围岩潜在塑性区划分为一系列的球壳,并考虑岩体的应变软化行为,可以得到满足线性Mohr-Coulomb（H-C）准则和非线性Hoek-Brown（H-B）屈服准则的围岩体塑性区范围及相应的应力与变形分布。计算结果表明,随着离散步的增加,数值解逐渐收敛,文中解与已有文献的结果完全吻合,且计算效率更高。对一组强度参数遵循CWFS（黏聚力弱化与摩擦角强化）规律的围岩体内塑性区范围、变形与应力的分布进行了分析,并与常规的应变软化模型的计算结果进行了对比,CWFS模型的结果更合理一些。     

地下水流模拟中的强隐式法

大家知道,无论是用有限差分法还是用有限单元法来离散水流方程,其结果均归结为解矩阵方程问题。对于线性流动问题,如果所得矩阵方程是低阶的,且系数阵的性质较好,则直接解法是有效的方法。但是在实际水文地质计算工作中,例如在进行水资源评价、矿床疏干计算时,涉及的问题通常相当复杂,为了逼近实际情况,保证计算精度,需要用迭代法解高阶矩阵方程。强隐式法就是一种十分接近于直接解法的迭代方法。      

复杂地表起伏多重变加密网格有限差分法波动方程数值模拟

常规变加密网格有限差分波动方程数值模拟方法采用水平分层加密网格,该网格剖分策略在适应地形起伏和近地表速度结构变化特征方面效果较差。针对该问题,提出一种起伏多重变加密网格有限差分波动方程数值模拟方法。该方法根据地形起伏和近地表低速层到高速层的速度分布特征进行网格加密;采用不同网格中的变系数差分格式离散声波方程,在保证波场模拟精度的同时兼顾计算效率;同时,为了进一步保障地表附近波场模拟的精度,地表附近最细网格中的差分格式不做降阶处理,针对位于地表以上的虚像点的波场值,提出一种融入自由地表边界条件的法向虚像外推法。算例分析验证该算法对速度模型不同区域进行的网格多次加密显著提高了计算效率,以黄土塬实际模型为例,耗时为常规1 m×1 m网格耗时的43.3%,并可达到和细网格基本一致的模拟精度,模拟误差控制在10^-12范围内,同时表现出很好的近地表散射压制和边界吸收效果,且算法能稳定地适应实际复杂地表介质。     

地震波的有限差分法正演模拟

基于波动方程的地震波正演模拟能够准确揭示波在介质中传播的振幅、频率与相位变化,真实地反映出波的动力学特征。有限差分法因其精度高、计算效率高而成为波场数值模拟的一个重要方法。根据地震波的近似方程———声波方程,采用二阶有限差分网格数值算法,利用透明边界条件,设计典型地质模型,进行地面波场的地震记录模拟。通过稳定性条件分析、震源子波优选以及频散抑制,成功合成了倾斜地层模型与正断层模型的地面共炮点波场记录,直观地显示出直达波、反射波、绕射波等丰富的波场信息,获取各模型的波场快照。结果表明,有限差分法结合透明边界条件对于获取介质丰富的波场信息具有很大的优势。     

关于震源函数空间有限化重构问题的探讨

针对波动方程空间坐标进行有限积分变换的混合域方法(有限积分变换—有限差分方法)所具有的降低问题的维数及变换方向上大尺度延伸的优势很值得进行深入和详细的探讨。因此波动方程的非齐次项(震源)在有限积分变换即有限化之后能否无损重构问题成为讨论的重点。由于震源函数表达上的多样性和复杂性,本文选择了声波方程作为模拟的对象,并且主要讨论由δ函数构成的震源空间函数的处理方法。我们给出了两种处理方法,试算和改造。并且通过算例可以看到,这两种重构方法都是比较合适的。但是,对于试算法,每给一个不同于原模型的新模型都要重新试算数据,给出一个新的合适的参数,而改造原函数这种方法则是一种与模型无关的方法。     

二维起伏地表条件下坐标变换法直流电场数值模拟

针对有限差分方法处理不规则边界难的问题,引入曲化平的思想,实现了一种新的基于坐标变换法的起伏地表条件下直流电场数值模拟方法.通过坐标变换,将物理空间的直流电场满足的基本方程和边界条件变换到计算空间;在计算空间内,利用有限差分方法对变换后的方程和边界条件进行数值分析;最后,将计算结果由计算空间映射回物理空间.精度分析及计算实例表明:本文提出的算法精度高,计算误差主要集中在源附近,且当源离地表较近时平均相对误差在1.0%以下;计算结果满足起伏地表条件下电位及视电阻率的分布规律.     

二阶声波方程频域PML边界条件及频域变网格步长并行计算

研究了二阶声波方程频域PML边界条件和频域变网格并行计算技术。PML边界是一种较为理想的吸收边界方法,多用在求解时域应力速度方程中,但对于频域声波正演,二阶位移方程更常用。从一阶声波方程PML吸收边界条件导出频域二阶位移方程PML边界条件,模拟算例得到的频率切片、时间切片和地震记录对比都说明该边界条件吸收效果很好。频域单炮正演不同频率间是独立的,据此低频部分采用大网格计算,高频采用小网格,实现变网格步长计算技术,这是较时间域正演的一个优势,在保证模拟质量的同时,减少计算量和内存消耗。     

The behaviour of layered soil or rock containing a decaying heat source

Solutions are presented for the behaviour of layered soil or rock deposits which contain a heat source. Such a problem arises when high level nuclear waste is placed in deep underground depositaries, as the waste continues to generate heat for many years after placement. This heating of the surrounding soil or rock may lead to expansion and cracking with subsequent contamination of ground water. Results are presented for heat soureces with different decay rates and for heat sources in layers of material with different coefficients of expansion. An example using realistic data for rock is also given. The solution method involves applying Fourier or Hankel transforms to the field quantities and this reduces the two-dimensional or axisymmetric problem to one involving a single spatial dimension. In cases where the soil or rock is horizontally layered, the method has great advantages over other numerical methods such as finite element or finite difference techniques, since little computer storage and data preparation time is required. Solution of the time-dependent problem is carried out by applying Laplace transforms to the field variables, obtaining solutions and then using numerical means to invert the transformed solutions. This enables easy solution of problems involving time-dependent (i.e. decaying) heat sources.     

复杂地质构造波动方程数值模拟

利用全声波方程进行地震波场的数值模拟，虽然可以计算全声波波场值，但是也常常会出现层间多次波，给资料解释造成一定的困难。作者在本文中根据无反射声波方程，采用有限差分数值解法，实现了自激自收时间剖面的制作，避免了层间多次波的产生。本方法不但允许速度有纵向变化，而且允许速度有横向变化，这使得模拟复杂地质构造的地震响应成为可能。实际计算结果表明，该方法是一种行之有效的自激自收时间剖面的计算机数值模拟方法。     

Fluid dynamics model for salt-dome evolution

A fluid dynamics model for the evolution of salt domes and ridges is presented. The model assumes a rigid substrate, finite thickness of both strata with no slip and a rigid or free surface of overburden. Inertial terms in the Navier-Stokes equations are neglected due to the large viscosities considered and the initial perturbation is taken to be sinusoidal. Finite sine and cosine transforms are used to solve the flow equations and the resulting systems of equations reproduce the velocity field equation of Ramberg's model. Assuming an initial interface, the infinite series solution is truncated to obtain the constants of the integration from the boundary conditions. The interface is then moved to a new position. Thus, the new shape for the interface can be traced for any time.For small perturbations, we obtain results that are approximately those obtained by the linear theory. Results of the numerical solution of the model for both large and small perturbations are presented.     

A new solution for a partially penetrating constant‐rate pumping well with a finite‐thickness skin

A mathematical model describing the constant pumping is developed for a partially penetrating well in a heterogeneous aquifer system. The Laplace‐domain solution for the model is derived by applying the Laplace transforms with respect to time and the finite Fourier cosine transforms with respect to vertical co‐ordinates. This solution is used to produce the curves of dimensionless drawdown versus dimensionless time to investigate the influences of the patch zone and well partial penetration on the drawdown distributions. The results show that the dimensionless drawdown depends on the hydraulic properties of the patch and formation zones. The effect of a partially penetrating well on the drawdown with a negative patch zone is larger than that with a positive patch zone. For a single‐zone aquifer case, neglecting the effect of a well radius will give significant error in estimating dimensionless drawdown, especially when dimensionless distance is small. The dimensionless drawdown curves for cases with and without considering the well radius approach the Hantush equation (Advances in Hydroscience. Academic Press: New York, 1964) at large time and/or large distance away from a test well. Copyright © 2007 John Wiley & Sons, Ltd.     

2.5维声波数值模拟

利用Liner的2.5-D时间域声波方程和高阶有限差分近似,研究了2.5维声波方程在时间-空间域中的衰减特性。简单地质模型(水平二层介质)的数值计算结果证实了下列事实:在Liner的声波方程中的最后一项,即含有1/t2的一项对整个计算结果没有影响,因此可以忽略。这一结论与文献中已经发表的数值结果相吻合。同样的结论对于由Williamson和Pratt提出的2.5-D声波方程也适用。     

Modeling the 3D Terrain Effect on MT by the Boundary Element Method

By using the numerical method to model the ter-rain effect on the magnetotelluric field,few resultshave been obtained. The finite element method(FEM) was used by Chouteau and Bouchard (1988)and Wannamaker et al .(1986) ,andthe boundary el-ement method (BEM) was used by Xu and Zhou(1997) and Xu (1995) to model 2Dtopographyinflu-ences on magnetotelluric surveys . The BEM methodwas also used to model the 3Dtopographic effect onmagnetotelluric deep sounding (Xu et al .,1997 ;Xu,1995) .In t…     

三维地形大地电磁场的边界元模拟方法

提出了一种用边界元法计算大地电磁场三维地形影响的数值模拟方法.首先用矢量积分理论和电磁场边界条件, 将上半空间(空气)和下半空间(地下介质)两个区域电磁场边值问题变为仅对地形界面的两个矢量面积分方程, 其中一个计算磁场, 称磁场方程; 另一个计算电场, 称电场方程.然后将对地形界面的积分剖分为一系列的三角单元积分.在三角单元积分中, 假设单元中电磁场为水平均匀大地空间电磁场与地形影响的迭加, 并假设地形影响为常项, 这样既保证了计算精度又使得计算方法简便.通过分解和计算, 每一个矢量面积分方程分解为对应3个坐标方向的3个常量线性方程, 这些线性方程组成了对角占优的线性方程组, 可用SSOR方法求解.文中给出了2个三维地形上大地电磁视电阻率曲线的计算结果.      

不同岩性及含水率的岩石声波传播规律试验研究

利用智能声波仪对红砂岩、大理岩和花岗岩试样在干燥及饱和条件下进行了声波纵波透射试验,研究声波在岩石中传播的速度特征,同时利用傅里叶变换及小波变换研究声波在岩石中传播的波形、波幅衰减规律、波谱特征。结果表明： （1）红砂岩、大理岩和花岗岩在饱和状态下的纵波波速比其在干燥状态下略高。（2）岩石纵波速度受到岩石的致密程度、孔隙度、密度及硬度的影响。（3）在同样的激发信号下,饱水的砂岩、大理岩、花岗岩岩样声波信号能量集中在低频部分较多,而干燥岩样声波信号能量集中在高频部分较多。（4）饱水的3种岩样声波信号能量衰减较快,尾波不发育;干燥的3种岩样声波信号能量衰减较慢,尾波较发育。（5）穿过岩石的声波信号的波速、波形的时域特征、频域特征及时-频域特征能在一定程度上反映出岩石内部的孔隙及微裂隙的发育情况和岩石含水情况等特征。