交错网格与旋转交错网格对VTI介质波场分离的影响分析

利用交错网格有限差分和旋转交错网格有限差分进行各向异性介质弹性波场数值模拟时, 质点振动速度分量与应力张量的网格节点定义方式均不相同, 从而对各向异性波场分离效果产生不同的影响. 针对这一问题, 本文以具有垂直对称轴的横向各向同性(VTI)介质的波场分离为例, 首先分析了两种网格的参数定义方式以及VTI介质波场的分离过程; 其次, 详细研究和分析了这两种网格的参数定义方式对各向异性介质波场分离的影响, 并依据波前面连续性以及波场分离效果等方面, 通过数值模拟实验对该影响进行分析验证. 结果表明, 旋转交错网格的参数定义方式更有利于进行各向异性介质波场数值模拟和波场分离.      

裂缝诱导双相HTI介质地震波场错格伪谱法模拟与波场特征分析

裂缝诱导的双相具有水平对称轴的横向各向同性(HTI)介质模型是由一组平行排列的垂直裂缝嵌入到统计各向同性的流体饱和多孔隙岩石中而组成的,它综合考虑了裂缝型储层岩石的各向异性和孔隙性.高精度的地震波场数值模拟技术是研究该介质中地震波传播规律的主要方法.本文结合错格伪谱法和时间分裂法,求解描述该介质中地震波传播的一阶速度-应力方程.模拟了单层和双层模型中的地震波场,并对其进行了特征分析.研究结果表明:错格伪谱法能有效消除标准网格伪谱法波场模拟结果中出现的数值伪影现象,与时间分裂法结合能够获得稳定的、高精度的模拟结果;裂缝诱导双相HTI介质中的地震波场兼具裂缝各向异性介质和双相介质中传播的地震波的波场特征.     

基于交错网格Fourier伪谱微分矩阵算子的地震波场模拟GPU加速方案

作为高精度波形反演或逆时偏移的重要组成部分,地震波数值模拟对计算速度和效率提出了更高要求.GPU通用计算技术的产生及其内在数据并行性,为高效地震波数值模拟应用和研究得以有效开展奠定了基础.本文借助交错网格的Fourier伪谱微分矩阵算子和GPU上高效矩阵乘法,实现了复杂介质中地震波模拟的高效算法.数值试验表明,优化后的GPU计算相比CPU单核计算在大规模二维地震波场计算中获得至少100x以上的加速比.这对我们快速分析目标反射层在地震剖面中同相轴位置,制定优化采集方案具有重要意义.     

非均匀弹性介质中旋转交错网格有限差分与任意高阶间断有限元地震波场模拟方法研究

复杂介质中的地震波数值模拟对于地震勘探非常重要.实际应用中经常遇到介质参数剧烈变化的情况,必须选择合适的数值方法进行正演,使波场模拟精度和计算效率满足要求.本文研究了旋转交错网格有限差分法与任意高阶间断有限元法在非均匀弹性介质中波场模拟的精度与计算效率,分析了界面两侧介质参数相对变化量以及界面倾角对上述两种方法数值模拟结果的影响.对于水平界面,界面两侧介质参数一定范围内的改变对旋转交错网格有限差分法的振幅精度和相位精度没有影响;在介质参数存在强反差的情况下,任意高阶间断有限元法需要使用高阶多项式基函数来达到较高的相位精度.有限元法的相位精度优于有限差分法,但需要更多的计算量.对于倾斜界面,当单位波长内含有14个网格点时,界面倾角的变化对旋转交错网格有限差分法的振幅精度及相位精度没有影响,且其精度与任意高阶间断有限元法的精度相接近.     

伪谱法弹性波场数值模拟中的边界条件

边界条件问题长期以来一直是困扰地震波数值模拟研究者的一个难题,许多人都提出了有效的方法,但是该问题仍然需要研究.本文针对伪谱法地震波场数值模拟的特殊要求,即所有网格点相互耦合,且傅立叶变换的周期性使得方程在网格边界上很难得到一个吸收的替代方程,研究衰减边界条件中衰减系数的变化对边界反射波衰减效果的影响.数值实验结果说明,随着衰减系数的增大,振幅衰减加快,用很少的过渡带网格就可以使边界上的反射波能量很小.但是如果衰减率过大,就会在传播区和过渡带产生干扰波场.因此,在衰减系数的选择上应采取折中办法,即在取某一较小的衰减系数的前提下,设置较少的过渡带网格数使边界的能量反射最少.     

基于PML边界的时间高阶伪谱法弹性波场模拟

在地震正演模拟中,传统的有限差分法采用二阶差分算子近似时间偏导数,如果时间采样间隔选取较大,模拟波场会出现时间频散,甚至导致差分算法的不稳定.本文研究了基于完美匹配层(PML)边界弹性波二阶方程时间四阶精度解法,通过对空间采用傅里叶变换提高计算精度并压制空间频散;而在时间域将位移对时间的四阶导数转化为空间的导数.与传统的有限差分法相比较,由于精度的提高,时间频散得到有效的压制,本文提出的方法可以适应较大的时间采样间隔,提高计算效率.     

交错网格高阶差分法三维弹性波数值模拟

本文应用交错网格高阶有限差分方法模拟弹性波在三维各向同性介质中的传播。采用时间上二阶、空间上高阶近似的交错网格高阶差分公式求解三维弹性波位移-应力方程,并在计算边界处应用基于傍轴近似法得到的三维弹性波方程吸收边界条件。在此基础上进行了三维盐丘地质模型的地震波传播数值模拟试算。试算结果表明该方法模拟精度高,在很大程度上减小了数值频散,绕射波更加丰富,而且适用于介质速度具有纵向变化和横向变化的情况。     

基于CUDA的高阶旋转交错网格有限差分法的弹性波正演模拟

应用高阶旋转交错网格的有限差分法,求解了基于一阶的速度-应力弹性波方程,推导了时间二阶精度空间2M阶精度的高阶有限差分离散格式.为了提高弹性波正演模拟效率,论文探讨了常规的CPU串行计算、基于GPU平台的节点并行计算、基于GPU平台的分量、节点同时并行的3种正演模拟计算模式,给出了不同算法的流程示意图.通过对比3种算法的耗时及后两种算法的加速比,可清晰判定,基于GPU平台的节点并行算法较CPU平台的串行算法有明显加速,最大加速比可达到60倍,而基于分量、节点同时并行算法的最大加速比最大可到180左右,加速效果更为明显.最后应用Marmousi模型的15000次时间步迭代的正演计算,基于分量、节点GPU并行算法大约是节点并行计算耗时的1/3,说明了该并行设计能有效提高弹性波正演模拟的效率,节约计算耗时.     

弹性波变阶数旋转交错网格数值模拟（英文）

地震波场数值模拟方法对理解和分析地震波的传播规律具有着重要的意义。弹性波动方程能够模拟地下介质的实际情况,为偏移和成像提供有效的依据。在弹性波波场数值模拟中,旋转交错网格数值模拟(RSM)修改了标准交错网格数值模拟(SSM)方法,将同类的参数定义在同样的节点上,拓宽了稳定性条件的约束,但在低速区会出现较严重的频散。变阶数差分方法是自适应空间算子长度方法的一种变化和推广。它以理论频散误差研究为基础,结合实际波场传播的情况进行误差计算,对不同速度匹配不同的差分阶数。本文研究了变阶数旋转交错网格数值模拟(VRSM),即是将变阶数方法应用到RSM中,它可以很好地解决RSM在低速区域的数值频散问题,以及减少不必要的时间损耗;同时讨论了旋转交错网格的理论频散特性,并基于波场分离的方法分析了实际波场传播的频散误差,将原方法的应用范围由声波推广到剪切波,由理论值推广到时变值。在数值模拟试验中,VRSM将被应用于水平层模型和Overthrust模型。通过阶数分配以及相应波场传播效果和计算时间的分析,验证了该方法应用于复杂介质波场模拟中的实用性和有效性。实验的结果表明VRSM能够合理分配不同速度所对应的差分阶数,能保证计算的精确性,并合理控制计算的时间。     

基于改进BISQ机制的双相HTI介质波传播伪谱法模拟与特征分析

改进BISQ(Biot-Squirt)机制在不引入特征喷流长度的情况下,将含流体孔隙介质中Biot流动和喷射流动两种重要的力学机制有机地结合起来,且各相关参数具有明确物理意义和可实现性.本文将改进BISQ机制一维孔隙流体压力公式推广到三维具有水平对称轴横向各向同性介质(HTI介质)情况,结合裂缝各向异性理论,给出了基于改进BISQ机制的双相HTI介质模型及其二维三分量波传播方程,采用伪谱法求解该方程,进行了不同相界、不同频率以及双层地质结构情况下该类介质中波场的数值模拟与特征分析.数值模拟结果表明:伪谱法模拟精度高,压制网格频散效果好,可以得到高精度的波场快照和合成记录;基于改进BISQ机制的双相HTI介质模型兼具裂缝各向异性特征和孔隙弹性特征,其为从双相各向异性理论角度深入研究裂缝性储层的地震响应奠定了理论基础.     

不分裂卷积完全匹配层与旋转交错网格有限差分在孔隙弹性介质模拟中的应用

完全匹配层吸收边界在地震波模拟中已广泛使用,但常用的场分裂格式完全匹配层吸收边界(SPML)和传统的不分裂完全匹配层吸收边界(NPML)对极低频入射波或大角度入射波的边界吸收效果不好.一种无需分裂和显式卷积计算的完全匹配层吸收边界(CPML)不仅能够解决常规PML吸收边界的不足,而且具有存储量小、计算效率高、易于编程实现的特点.本文将这种完全匹配层(CPML)吸收边界引入到孔隙弹性介质速度-应力格式的旋转交错网格有限差分算法中,对完全匹配层吸收边界参数进行数值分析,得到一组优化的参数.孔隙弹性介质数值模拟结果表明这种不分裂卷积完全匹配层的吸收效果优于常规完全匹配层.     

可变网格与局部时间步长的交错网格高阶差分弹性波模拟

交错网格高阶差分方法是一种在保持效率的前提下提高弹性波模拟精度的有效方法.本文将可变空间网格与变化的时间步长技术引入到交错网格高阶差分弹性波模拟中,提出一种空间网格可任意奇数倍变化与时间步长任意变化的交错网格高阶差分弹性波模拟方法.一系列数值试验表明,该方法能够在保证模拟精度的同时,通过有效降低空间与时间维度上的过采样来显著提高弹性波模拟的效率.同时,该方法还能够精细刻画含孔缝洞介质以及横向变化剧烈介质的局部细微结构,减小弹性波模拟误差,提高介质细微结构处的弹性波传播模拟精度.     

基于Biot理论的双相各向同性介质弹性波交错网格有限差分数值模拟

双相介质模型是一种相对单相介质来讲更加接近于实际地层情况的介质模型,因此,地震波在双相介质中的传播路径和衰减情况比单相介质更具有考察意义.交错网格有限差分法在不增加计算量和存储空间前提下,把速度对时间的奇数次高阶导数转化为应力对空间的导数,将高阶差分和交错网格有机地结合到一起,与一般差分法相比有频散小、精度高、效率高的特点,因此具有一定的优越性.本文首先研究了交错网格的稳定性条件和完全匹配层(Perfectly Matched Layer,简称PML)的边界条件;其次,对双相各向同向介质中弹性波波场进行数值模拟,分析了弹性波传播时受震源主频和耗散系数的影响;最后重点模拟了弹性波在黏滞性的双相介质分界面上的传播规律和衰减情况.研究结果表明:快慢纵波及横波在分界面处发生了反射和透射现象,且存在波型之间的相互转换,这与实际采集的地震资料中情况相符;且运用双相介质进行数值模拟对了解地震波在实际地下传播规律具有重要意义,并且上下层介质都为黏滞型的双层模型更为贴合实际地层情况.     

横向各向同性介质紧致交错网格有限差分波场模拟(英文)

针对有限差分数值模拟的频散问题,本文将交错网格技术和紧致差分格式相结合,推导了横向各向同性介质一阶速度一应力波动方程的紧致交错网格差分格式;对比分析了紧致交错网格差分格式、交错网格差分格式以及紧致差分格式的截断误差主项,并利用Fourier误差分析方法分析了上述三种差分格式的近似精度;在此基础上,分别采用上述三种差分格式进行了波场数值模拟。结果表明,当差分方程阶数相同时,紧致交错网格差分格式截断误差最小,数值频散最弱,差分精度最高,证实了该方法的有效性。     

求解双相和黏弹性介质波传播方程的间断有限元方法及其波场模拟

间断有限元（Discontinuous Galerkin：DG）方法具有低数值频散、网格剖分灵活、能模拟地震波在复杂介质中传播等优点.因此,本文将一种新的DG方法推广到双相和黏弹性等复杂介质的地震波场模拟,发展了求解Biot弹性波方程和D'Alembert介质波动方程的DG方法.首先通过引入辅助变量将Biot双相介质弹性波方程和D'Alembert介质波动方程转化为关于时间-空间的一阶偏微分方程组,然后对该方程组进行DG空间离散,得到半离散化的常微分方程组.最后,对此常微分方程组,应用加权的Runge-Kutta格式进行时间推进计算.数值结果表明,DG方法可以有效地求解Biot双相介质弹性波方程和D'Alembert介质波动方程,并能很好地压制因离散求解波动方程而产生的数值频散,获得清晰的各种地震波震相.

     

黏弹性介质中瑞雷波有限差分数值模拟与波场分析

瑞雷面波经常被用来反演地表浅层横波速度,受到越来越广泛的关注。对瑞雷波的研究一般都基于完全弹性介质,而实际地层更接近黏弹性介质,对黏弹性介质中的瑞雷面波进行模拟更具实际意义。本文采用广义标准线性体模型来描述黏弹性介质,并采用交错网格有限差分法对考虑水平自由表面的黏弹介质进行正演模拟,再与弹性介质中的结果进行对比分析。首先采用非线性最优化算法根据期望常数品质因子直接求取松弛时间来拟合常Q模型,并给出广义标准线性固体的具体算例,实施自由表面条件时采用声学-弹性边界近似法,通过剪切模量不变来考虑自由表面上、下横向应力保持连续的条件。对于非自由表面,采用非分裂的多轴卷积完全匹配层来吸收波场。然后对几种典型的数值模型进行正演模拟计算,数值解与解析解的对比验证了本文方法的准确性与有效性,正演结果的对比表明波场尤其是面波频散会受黏弹性影响,因此有必要在面波勘探中考虑黏弹性因素。     

煤巷三维槽波全波场数值模拟与波场特征分析（英文）

当前煤巷地震槽波超前探测数值模拟主要以二维波场研究为主,难以精确模拟三维全波场特征和全空间观测方式接收的地震记录。本文应用三维弹性波动方程的交错网格有限差分算法模拟了在巷道迎头前方煤层中以纵波震源激发的三维全波场。采用取平均值的办法实现了交错网格地震波场模拟的振动速度三分量同点记录。查明了三维顶底板对称煤巷模型和非对称模型中传播的波型及其传播特征。研究发现巷道迎头前方煤层内Rayleigh型槽波能量较强,Love型槽波能量较弱,煤层内巷道迎头反射Rayleigh型槽波在煤层顶、底板中泄露能量较小,在煤层中传播距离较远;在巷道周围存在巷道面波和折射头波;在煤巷两侧煤层内接收的地震记录中Rayleigh型槽波能量较强,受头波和面波的干扰较弱,而Love型槽波能量较弱,受到相对强能量头波和面波干扰,难以识别;增加接收点在煤层中的深度可以有效降低面波对Rayleigh型槽波的干扰,但不能有效减弱面波对Love型槽波的干扰。基于以上波场认识,发现传统的采煤工作面Love型槽波构造探测方法难以适用于掘进煤巷构造超前探测,Rayleigh型槽波可以用于掘进煤巷构造超前探测。     

用于弹性波模拟的交错网格预处理和多次校正的Chebyshev谱元法

本文基于弹性波动方程,从其弱形式出发,利用Galerkin变分原理,通过对方程进行空间和时间上的离散,在空间域中引入预条件共轭梯度的逐元算法,在时间域中引入时间积分的交错网格预处理/多次校正算法,发展了弹性波模拟的Chebyshev谱元算法。针对均匀固体介质和具有倾斜分层的分区均匀固体介质模型,通过与有限差分算法结果相比较验证其精度的可信性,同时利用该算法模拟了弹性波在具有水平分层的任意起伏自由表面模型中的传播,并分析了其传播特点。研究表明,我们提出的交错网格预处理/多次校正算法的Chebyshev谱元算法,保留了有限元法的优势,并且采用了具有最优张量乘积技术的元到元的算法,能够处理带有起伏自由表面的复杂介质模型,它具有比有限元法收敛快,计算效率较高等优点,特别适合于复杂结构和复杂介质中的弹性波传播的数值模拟。     

模拟地震波场的伪谱和高阶有限差分混合方法

伪谱法是一种高效、高精度计算非均匀介质地震波传播的数值方法,但是由于它的微分算子的全局性,使得该方法不适用于分散内存的并行计算.本文将有限差分算子的局部性和伪谱法算子的高效、高精度相结合,发展基于两种方法的伪谱/有限差分混合方法.该方法在一个空间坐标方向上利用交错网格高阶有限差分算子,在另外的空间坐标方向上利用交错网格伪谱法算子,既保留了后者的高效、高精度优势,又便于在PC集群上实现并行计算.对二维模型的计算显示,混合方法能有效处理介质不连续面,在保证伪谱法计算精度的情况下,提供了一种并行计算的可能途径.     

交错网格中基于波数域插值的波场分离方法研究（英文）

应用多分量地震资料进行成像时通常需要先做波场分离,然后再对分离的波型进行成像。其中,波场分离可以在空间域或波数域实现。然而,由于用交错网格有限差分进行弹性波场数值模拟时,用来进行波数域波场分离的质点振动速度分量定义在不同网格节点上,本文提出了利用波数域插值方法来估算同一网格节点所需质点振动速度值;进而给出了先进行波数域插值后进行波场分离的波数域保幅波场分离方案。数值实验结果表明波数域插值方法具有较高的插值精度且保幅波场分离方法具有较好的保幅性,将本文方法进一步应用于弹性波逆时偏移可以获得保幅性较好的成像结果且对存在一定程度速度误差情况具有较好的适应性。