基于可变同位网格的有限差分法地震波模拟

地震波数值模拟在地球内部结构反演和地表强地面运动研究中都有重要的地位.尽管近几十年来计算机技术有了迅速的发展,但仍然不能满足高频强地面运动模拟的需要,尤其是如盆地等带有地表起伏和速度变化剧烈的真实地质模型.在这种介质条件下,传统的数值计算将采用均一网格.     

有限差分法地震波数值模拟的几个关键问题

地震波数值模拟是研究地震波传播规律的重要手段,对指导地震资料的采集、处理和解释有重要意义.有限差分法由于其简单易于数值计算,在求解偏微分方程和近场波动的问题越来越受到关注.本文详细阐述了与有限差分法地震波数值模拟有关的几个重要问题,对有限差分法地震波数值模拟的发展历史、波动方程的差分离散、震源处理、稳定性分析、边界条件...     

旋转时空双变网格有限差分地震波场正演模拟

在交错网格有限差分算法中,模型网格剖分原则与正演计算效率密切相关.当模型存在小型非均质体或者低降速层等情况,为保证精度,满足稳定性条件,需缩小网格步长,导致局部过采样,计算效率低下.为保证模拟精度的同时保持高计算效率,通常采用变化的空间网格与时间步长相结合的高阶有限差分模拟方法对波场进行模拟.然而,时空双变算法存在着交错网格固有缺点,在模拟非均匀性较强的复杂介质波场传播时,需对介质参数进行平均或内插.同时,该算法在空间与时间上的变网格实现极为复杂.为压制变网格引起的虚假反射,提升模拟精度和计算效率,本文在时空双变网格算法的基础上,采用旋转差分角度的方式,提出了旋转时空双变交错网格算法.该方法既保留了旋转网格和双变网格的优势,又简化了时空双变算法流程,更利于推广和应用.

     

二维弹性及粘弹性TTI介质中地震波场数值模拟:四种不同网格高阶有限差分算法研究

本文利用交错网格、辅助网格、旋转交错网格、同位网格有限差分方法分别模拟了二维弹性TTI介质和二维黏弹性TTI介质中的地震波传播.在稳定性条件内,选用不同的网格间距及时间间隔,通过波场快照、合成理论地震图较为系统分析对比了这四种不同网格有限差分数值模拟在计算精度、CPU时间、相移、频散、以及保幅方面的优缺点.数值模拟结果表明:1)这四种不同网格有限差分算法都是很好的波场数值模拟算法;2)就CPU计算时间而言,旋转交错网格有限差分算法的计算效率最高;3)从计算精度来看,同位网格有限差分的计算精度最高;4)从振幅保护方面来看,四种网格的保护振幅的能力相当;5)相移方面,当网格间距增大时,交错网格和旋转交错网格有可能出现相移现象;6)频散方面,同位网格的频散现象不明显.     

一种全局优化的隐式交错网格有限差分算法及其在弹性波数值模拟中的应用

在数值模拟中,隐式有限差分具有较高的精度和稳定性.然而,传统隐式有限差分算法大多由于需要求解大型矩阵方程而存在计算效率偏低的局限性.本文针对一阶速度-应力弹性波方程,构建了一种优化隐式交错网格有限差分格式,然后将改进格式由时间-空间域转换为时间-波数域,利用二范数原理建立目标函数,再利用模拟退火法求取优化系数.通过对均匀模型以及复杂介质模型进行一阶速度-应力弹性波方程数值模拟所得单炮记录、波场快照分析表明:这种优化隐式交错网格差分算法与传统的几种显式和隐式交错网格有限差分算法相比不但降低了计算量,而且能有效的压制网格频散,使弹性波数值模拟的精度得到有效的提高.     

一种基于全局优化的交错网格有限差分法

在地震波场数值模拟中, 交错网格有限差分技术得到了广泛的应用, 但是在弹性模量变化较大时, 通常会因插值而导致模拟误差增大. 旋转交错网格可以很好地克服这个缺点, 因而适合于各向异性介质正演模拟. 但是对于同样大小的网格单元, 旋转交错网格需要的步长比常规交错网格要大, 这会使梯度和散度算子的误差增大因而更易产生空间数值频散. 针对这些问题, 本文提出了旋转交错网格与紧致有限差分相结合的方法, 并基于模拟退火算法进行全局优化, 压制数值频散, 拓宽波数范围. 数值模拟结果表明, 此方法可以有效地压制数值频散, 且具有较高的模拟精度.      

基于自适应网格的仿真型有限差分地震波数值模拟

在复杂山地和复杂海底条件下,地表和海底的剧烈起伏对地震波数值模拟提出了更高的要求.常规有限差分法采用矩形网格对模型进行网格剖分,由于矩形网格自身的限制,起伏地表或起伏海底只能由一系列阶梯状折线代替,从而引起人为虚假绕射波.此外,在模拟液-固界面的反射波时,如果界面与网格线不一致,则需要更密的网格才能得到精确的结果.为了解决上述问题,本文将自适应网格生成技术引入到起伏海底速度模型的网格剖分中,采用高阶仿真型有限差分法（MFD）对曲线坐标下的声波方程波进行了数值模拟.利用自适应网格生成技术对速度模型进行网格剖分不仅可以准确地描述模型边界,而且可以有效消除虚假绕射波.高阶仿真型有限差分法可以有效压制频散提高计算精度.模型试算结果表明,本文方法对复杂海底模型具有很好的适应性.     

利用高阶交错网格有限差分法模拟地震波在非均匀孔隙介质中的传播

烃类储集层是一种复合多相介质，在固体颗粒的空隙中含有气体或液体. 研究弹性波在该类地层中的传播规律对于油气勘探开发，特别对于全波列声波测井有重要意义. 为了提高孔隙弹性介质数值模拟的计算效率，本文采用改进显式交错网格有限差分算法取代常用的空间域四阶和时间域二阶的速度 - 应力有限差分算法，算法的空间域为八阶、时间域为二阶. 虽然计算的时间步长略小于空间域四阶的情形，但高阶有限差分算法可以选择较粗糙的网格，因此补偿了计算的低效；同时高阶交错网格有限差分算法的空间频散性比低阶算法小. 利用该算法计算了一个两层模型的波场，同时还模拟了等效弹性和孔隙弹性模型中波的传播. 结果表明慢波及其影响明显，尽管慢波衰减很快，但被某一界面反射后，转换形成的P波和S波仍以正常的方式传播，且比慢波衰减小.     

深度均匀采样梯形网格有限差分地震波场模拟方法

由于重力引起的岩石压实效应,一般来说,地震波传播速度由浅入深整体逐渐增大.梯形坐标系设计可耦合速度由浅入深逐渐增大的变化,该坐标系中均匀网格采样所对应的物理直角坐标系网格由浅入深逐渐增大,也即浅部低速区对应细网格,深部高速区对应粗网格.在梯形坐标系表征波动方程后利用有限差分求解,本文实现一种深度均匀采样、横向采样间隔随深度增加逐渐线性增大的有限差分地震波模拟方法.梯形坐标系波动方程离散后,仍采用常规均匀网格有限差分算法对其求解.由于横向网格大小由浅入深线性增加,本方法可避免不同大小网格区域过渡所产生的虚假反射.梯形坐标系波场模拟浅层精度高,深层横向响应范围广,可有效减少有限差分网格数量.本文提出的方法是在更广义的坐标系下利用有限差分求解波动方程,正交坐标系仅为该梯形坐标系之特例.本文旨在为大速度动态范围深地高效高精度地震波场模拟提供一种思路.

     

地震波有限差分模拟综述

本文从有限差分法数值模拟技术的各个方面对地震波有限差分模拟的发展和现状进行了论述.波场的数值模拟技术是认识地震波传播规律,检验各种处理方法正确性的重要工具,地震波的数值模拟是地震波传播规律研究的必要手段,贯穿于地震资料的采集、处理、解释的整个过程中.有限差分法数值模拟技术相对于射线方法具有更高的精度,同时比有限元方法计算量小,因此在实际应用中占很重要的地位.     

二维各向异性介质中地震波场的高阶同位网格有限差分模拟

本文将DRP/opt MacCormack有限差分格式用于模拟二维各向异性介质中的地震波传播.DRP/opt MacCormack是一种同位网格下的差分格式,避免了传统的交错网格在计算各向异性问题时由于变量插值而导致的误差.而且相对于低阶同位网格差分格式,它具有低色散、低耗散的优点.此格式将中心差分算子分成前向和后向两个空间单边差分,然后在4-6步Runge-Kutta时间积分中使用单边差分组合.在具有垂直对称轴的横向各向同性（VTI）模型下,通过对比DRP/opt MacCormack有限差分和谱元方法的模拟结果,验证了前者具有很高的精度和稳定性.由于实际地质条件下TI介质的对称轴通常是倾斜的(TTI),本文在二维三分量框架下模拟TTI介质中的地震波场.结果显示横波分裂和切平面/反平面运动耦合的特征.数值实验表明DRP/opt MacCormack是一种有效的研究各向异性介质中地震波传播规律的差分格式.     

井眼条件下弹性波传播问题的三维有限差分数值模拟

推导了二阶改进Higdon吸收边界条件．利用空间上具有四阶精度、时间上具有二阶精度的中心差分方法。数值模拟了几种复杂井眼条件下的波场．给出了正交各向异性介质地层条件和椭圆井眼条件下波场模拟的结果．考查并分析了单极子源和偶极子源条件下的波场特性，所得结论与弹性波传播理论一致．通过计算表明，利用改进的Higdon吸收边界条件，声波测井三维模拟程序可用于复杂井眼各向异性地层条件的波场传播模拟．     

漾濞MS6.4地震长周期强地震动的有限差分初步模拟

根据我国川滇地区的地质地貌特征、前人地质资料和2021年漾濞M_S6.4地震的震源参数初步反演结果,建立三维速度结构模型,采用三维有限差分法对漾濞地震的长周期地震动进行研究.对实际地震烈度和模拟烈度进行对比,同时在区域附近布置了36个观测点,给出其中6个观测点的三分量速度时程,并给出所有观测点阻尼比为5%的速度反应谱,结果表明:(1)模拟的速度峰值已超过25 cm/s,与实际漾濞地区附近的烈度为8度吻合;(2)受断层滑动分布影响,速度水平分量在西北方向分布范围更广,衰减速度明显慢于东南方向,并且在极震区,东北—西南方向的地震动衰减也较慢.方向性效应对峰值大小及其分布范围的影响显著;(3)观测点速度反应谱的特征周期分布在1~3 s范围内,可能会因为共振效应对区域附近的大型建筑物产生较为严重的破坏.需要对漾濞地震进行进一步研究,以期对漾濞地震的长周期地震动有更为细致的认识.     

Comparison between staggered grid finite difference method and stochastic method in simulating strong ground motions

Introduction There are various factors affecting the propagation of earthquake waves. Usually these fac- tors include the earthquake source, the path and the site effects. Simulations of the earthquake wave propagation and the strong ground motion are an adequate way to exhibit these factors (Virieux, 1986; Levander, 1988; Frankel and Vidale, 1992; Frankel, 1993; Graves, 1993, 1996a; Olsen et al, 1995; Pitarka et al, 1996; Pitarka, 1999). The most popular numerical method in use is the gri…     

利用曲线网格有限差分方法研究三维倾斜断层的破裂动力学

利用曲线网格有限差分方法,研究了三维倾斜断层的破裂传播过程.基于断层面生成贴体曲线网格,并通过坐标变换将含曲线网格的物理空间转换到含均匀直角网格的计算空间,实现了有限差分方法对复杂界面的处理.通过模拟地震断层的自相似破裂和自发破裂,并与已有发表的结果对比,发现拟合程度较高,验证了本方法的有效性和精确性.重点研究了不同倾角的倾斜断层破裂,最后展望了今后用本方法对非均匀介质中和任意起伏地表下的任意非平面断层破裂动力学的进一步研究.     

时间域数字滤波法地震仿真记录的Matlab实现

以速度型数字地震仪Ks-2000、数据采集器EDAS-24IP产出数据为例,通过时间域数字滤波法仿真为模拟地震仪记录,与EDAS-IAS软件仿真效果做对比,结果发现:Matlab软件环境下实现的时间域数字滤波法仿真结果与EDAS-IAS软件仿真结果没有明显差异。     

安新—宽城测深剖面的时域有限差分数值模拟

利用时域有限差分方法进行地震波模拟能够得到丰富的波场信息, 对研究复杂地质构造条件下的地震波波场十分有效。 该文在对时域有限差分方法进行概述的基础上, 以2002年4月施测的安新—宽城地震测深剖面资料为基础, 采用时域有限差分方法对该剖面进行二维全波数值模拟, 同时以理想匹配层作为模拟的吸收边界条件。 将模拟得到的合成地震图, 通过与野外实验得到的记录截面和射线追踪合成记录相比较和讨论, 验证了时域有限差分方法在模拟地震波传播过程的有效性。     

横向各向同性介质地震波场数值模拟研究

地震波场数值模拟是理解地震波在地下介质中的传播特点,帮助解释观测数据的有效手段,而提高计算精度和运算效率是所有波场数值模拟方法研究所追求的目标.有限差分技术是求解波动方程计算效率最高、应用最为广泛的方法之一.但传统的有限差分技术计算过程中的数值频散问题影响了该技术的计算精度与计算效率.本文通过交错网格高阶有限差分技术与通量校正传输方法（Flux|corrected transport method,FCT）相结合, 对横向各向同性介质（Transverse isotropic medium,TI）一阶速度|应力弹性波动方程组进行了数值求解研究.波场快照数值模拟结果表明,本文研究的数值模拟方法与波动方程二阶有限差分方法、交错网格四阶有限差分方法相比,在压制网格数值频散方面有明显的优势,计算精度提高,而且可以利用较大的空间步长,提高计算效率.     

Numerical simulation of seismic wave in elastic and viscoelastic TTI media*

Based on the two-dimensional (2D) three-component first-order velocity-stress equation, the high order staggered mesh finite difference numerical simulation method was used to simulate the elastic and viscoelastic tilted transversely isotropic (TTI) media. The perfect matched layer (PML) absorption boundary condition was selected to eliminate the boundary effect. The results show that: ① Under the condition of fixed elastic parameters of elastic TTI medium, when the polarization angle and azimuth are 60° and 45° respectively, the degree of shear wave splitting is significantly greater than the angle of 0°; ② The influence of viscoelasticity on TTI medium is mainly reflected in the amplitude. If the quality factor decreases, the attenuation of the seismic wave amplitude increases, causing the waveform to become wider and distorted. If the quality factor increases, the viscoelastic medium becomes closer to elastic medium; ③ For TTI medium with different polarization angle and azimuth angle in the upper and lower layers, the shear wave can multiple splits at the interface of medium. The symmetry of seismograms is affected by the polarization angle and azimuth angle of TTI medium; ④ Viscoelasticity has a great influence on reflected wave, transmitted wave and converted wave in the low-velocity model. When the viscoelasticity is strong, the weaker waves may not be shown.