垂向非均匀介质中转换波转换点计算

转换点位置的计算是转换波资料处理中的一个关键问题. 本文提出了分别基于速度随深度线性变化、速度随垂直走时线性变化、慢度随深度线性变化和慢度随垂直走时线性变化四种等效垂向非均匀介质情况下转换点位置的计算方法. 研究了通过速度拟合、走时近似和相似系数谱三种方式选择合适的等效速度方法. 结合理论模型对非均匀介质转换点计算方法、渐进转换点计算方法、Thomsen近似公式和均匀介质解析计算方法的误差进行了分析,结果表明非均匀介质转换点计算方法能更准确地计算转换点位置.     

三维VTI介质中波动方程深度偏移的最优分裂Fourier方法

从含Thomsen各向异性参数的qP波相速度表示式出发,建立并求解三维VTI介质中的频散方程,得到三维VTI介质中的相移算子,进而将以相移算子为基础的最优分裂Fourier方法推广到三维VTI介质,发展了一个三维VTI介质的深度偏移方法.文中使用的各向异性介质的速度模型与现行的各向异性构造的速度估计方法一致,将各向同性、弱各向异性及强各向异性统一在一个模型中.文中提出的偏移算法对相移法引入了高阶校正项来补偿介质横向变化的影响,使该方法可应用于横向非均匀VTI介质的陡角度成像,文中给出的偏移脉冲响应很好地证明了这一点.     

三角网格有限元法声波与弹性波模拟频散分析

本文对声波与弹性波方程进行有限元法离散,构造有限元法频散关系的一般特征值问题,分析了时间离散格式为中心差分的三角网格有限元法声波与弹性波模拟的频散特性. 比较了三种质量矩阵即分布式质量矩阵、集中质量矩阵和混合质量矩阵对有限元法频散的影响;选取四种典型三角网格,分析了混合质量矩阵有限元（MFEM）频散的方向各向异性;数值频散、方向各向异性随插值阶数的增加逐渐减弱,当空间为三阶插值时,频散主要表现为随采样率的变化而几乎无明显方向各向异性, 其频散幅值也较小. 控制其他影响因素不变的情况下,研究了不同波速比介质中弹性波的数值频散. 最后给出了三角网格MFEM的数值耗散性.     

地震波探测地质构造复杂性的定量分析方法

波在传播过程中与非均匀介质的相互作用是多年来地球物理研究的理论问题之一。用地震波探测地下地质结构时,介质的复杂性是相对于地震波长而言的。地震成像的效果与地下速度横向变化和地层的倾角密切相关。基于地震成像算子,研究地下非均匀介质复杂性的定量分析方法,实现定量表征地震成像过程中成像算子的角谱与地下介质地质非均质谱的相干作用。首先,将复杂地质构造表示为慢度非均质谱和倾角非均质谱,以此量化速度横向变化和地层倾角变化分布。其次,通过频散方程分析建立地震成像算子的角谱函数,以此描述其成像精度随慢度和传播角度的变化规律。最后,通过地下复杂构造的地质非均质谱与地震成像算子角谱的点积运算来定义该成像算子对给定地区复杂构造介质的成像效率碾其值越大,说明地震波的探测能力越强,复杂构造的地质复杂性就越小。因此,与地震成像效率相对应的非均匀介质变化的复杂系数可定义为φ=1－η,从而实现对地下复杂介质地震探测复杂性的定量评估。     

利用Rayleigh波反演浅土层的剪切波速度结构

根据均匀半空间Rayleigh波相速度与介质剪切波速度之间的关系,对某一频率面波的影响深度内各层介质进行"均匀"化,使其等效于均匀半空间．并利用模型进行正演,以确定在这种均匀化的前提下,面波勘探深度与波长的关系．应用相匹配滤波技术从实测面波信号中分离出基阶Rayleigh波信号,对它进行多重滤波和叠加处理,精确地计算出5．0-30．0Hz之间的基阶面波相、群速度频散．使用"均匀"化的方法,从相速度频散曲线中获得反演的初始模型,利用群速度频散反演得到35m以上各土层的剪切波速度结构．结果表明,反演结果与钻孔资料较为吻合     

Born序列频散方程和Born-Kirchhoff传播算子

传统的Kirchhoff传播算子结构简洁,适用于描述横向均匀介质中波的传播.Ray-Kirchhoff传播算子较为精确地描述了波在非均匀介质中传播的运动学特征,其理论上的先天不足依赖于介质的复杂性.本文通过Born序列逼近波在非均匀介质中传播的大角度波分量,提出一种Born-Kirchhoff传播算子,将传统Kirchhoff传播算子的适用范围扩展至非均匀介质,同时描述波的运动学和动力学特征,其精度取决于Born序列逼近的阶数.利用Born序列频散方程,可以精确分析各阶Born-Kirchhoff传播算子对波长、传播角和非均质性的尺度依赖特征,其中,一阶Born-Kirchhoff传播算子的精度高于传统的相屏传播算子.波数域的Born-Kirchhoff传播算子对于高波数波是奇异的,导致波数域数值计算发散,但其空间域版本是非奇异的,无条件数值稳定,可通过Kirchhoff求和数值实施.本文给出各阶Born-Kirchhoff传播算子及其频散方程,可用于不同程度非均匀介质中的波传播模拟,复杂构造地震成像和速度估计.本文利用零阶和一阶Born-Kirchhoff传播算子计算简单二维模型的合成地震图,并与边界元法进行了比较.     

基于Pade逼近的Cole-Cole频散介质GPR有限元正演

针对Cole-Cole频散介质中的复介电常数是jω的分数次幂函数,传统的时域有限元法难以离散及计算时间域分数阶导数,本文采用Pade逼近算法将含有时间分数阶导数的Cole-Cole频散介质电磁波方程推导为一组整数阶辅助微分方程,提出了一种适用于Cole-Cole频散介质的GPR有限元正演模拟算法.在复数伸展坐标系下,通过在频率域Cole-Cole频散介质电磁波方程中引入2个中间变量,并将其变换到时间域,从而以变分形式将PML边界条件加载到Cole-Cole频散介质GPR有限元方程组中,并给出了详细的求解公式.在此基础上,编制了基于Pade逼近的Cole-Cole频散介质GPR有限元正演程序,利用该程序对均匀模型进行计算,并与解析解进行对比,验证了本文构建的GPR有限元正演算法的正确性和有效性.设计了一个复杂Cole-Cole频散介质GPR模型,利用本文构建的GPR有限元正演算法进行模拟并与非频散介质模型的模拟结果进行对比,分析了电磁波在Cole-Cole频散介质中传播衰减增强、子波延伸,分辨率降低等传播规律,有助于实测雷达资料更可靠、更准确的解释.模拟结果表明,基于Pade逼近的GPR有限元正演算法可用于复杂Cole-Cole频散介质结构模拟,且具有较高的计算精度.     

黏弹介质中勒夫波频散问题的统一解及其动态特征分析

目前完全弹性介质中面波频散特征的研究已较为完善,多道面波分析技术(MASW)在近地表勘探领域也取得了较好的效果,但黏弹介质中面波的频散特征研究依然较少.本文基于解析函数零点求解技术,给出了完全弹性、常Q黏弹和Kelvin-Voigt黏弹层状介质中勒夫波频散特征方程的统一求解方法.对于每个待计算频率,首先根据传递矩阵理论得到勒夫波复频散函数及其偏导的解析递推式,然后在复相速度平面上利用矩形围道积分和牛顿恒等式将勒夫波频散特征复数方程的求根问题转化为等价的连带多项式求解问题,最后通过求解该连带多项式的零点得到多模式勒夫波频散曲线与衰减系数曲线.总结了地层速度随深度递增和夹低速层条件下勒夫波频散特征根在复相速度平面上的运动规律和差异.证明了频散曲线交叉现象在复相速度平面上表现为:随频率增加,某个模式特征根的移动轨迹跨越了另一个模式特征根所在的圆,并给出了这个圆的解析表达式.研究还表明,常Q黏弹地层中的基阶模式勒夫波衰减程度随频率近似线性增加,而Kelvin-Voigt黏弹地层中的基阶模式勒夫波衰减程度随频率近似指数增加,且所有模式总体衰减程度强于常Q黏弹地层中的情况.     

轴对称有耗介质电磁问题的时域有限元方法

从Ｍａｘｗｅｌｌ方程出发推导出非均匀介质中含时间的Ｇａｌｅｒｋｉｎ能量泛函的弱化公式,然后应用线性插值原理得到普通的二阶常微分方程。采用中心差分离散,并引入一个比例因子　,分离时间与空间变量,得到了随时间步长变化的递推迭代公式,从而将差分与有限元方法相结合,并对非均匀介质中时域有限元的稳定性进行了讨论,给出了其稳定性条件。在均匀无耗介质和有耗介质中,用单匝磁偶极天线的瞬态响应的时域有限元数值计算分别与现有文献作了比较,给出轴对称非均匀介质中有井眼的瞬态测井响应。     

轴对称各向异性介质波动方程深度偏移的对称非平稳相移方法

由所建立的三维qP波相速度表示式出发,导出并解析求解各向异性介质中的频散方程,得到三维各向异性介质中的相移算子,进而将以相移算子为基础的对称非平稳相移方法推广到各向异性介质,发展了一个三维各向异性介质的深度偏移方法. 文中使用的各向异性介质的速度模型与现行的各向异性构造的速度估计方法一致,将各向同性、弱各向异性及强各向异性统一在一个模型中. 所建立的各向异性介质对称非平稳相移波场延拓算子可以同时适应速度及各向异性参数横向变化;文中给出的算例虽然是针对二维VTI介质的,但所提出的算法同样适用于三维TI介质.     

Dispersion function of Rayleigh waves in porous layered half-space system

Rayleigh wave exploration is based on an elastic layered half-space model. If practical formations contain porous layers, these layers need to be simplified as an elastic medium. We studied the effects of this simplification on the results of Rayleigh wave exploration. Using a half-space model with coexisting porous and elastic layers, we derived the dispersion functions of Rayleigh waves in a porous layered half-space system with porous layers at different depths, and the problem of transferring variables to matrices of different orders is solved. To solve the significant digit overflow in the multiplication of transfer matrices, we propose a simple, effective method. Results suggest that dispersion curves differ in a lowfrequency region when a porous layer is at the surface; otherwise, the difference is small.     

层状黏弹性介质中Rayleigh波频散曲线“交叉”现象分析

Rayleigh波勘探方法在探测近地表横波速度、动力学特征等环境与工程地球物理领域获得了广泛应用.这种方法以弹性层状介质理论为基础,然而实际介质具有黏弹性,研究面波在层状黏弹性介质中的传播特征,将为近地表面波勘探提供有益帮助.在某些弹性层状介质模型中,例如存在低速夹层和强波阻抗差异地层模型,Rayleigh波相邻两条频散曲线彼此会非常靠近,产生看似彼此"交叉"的现象,即"osculation"现象,但对于黏弹性介质中的这种现象并没有进行相关的研究.本文利用Muller法计算层状黏弹性介质Rayleigh波频散方程,基于层状介质模型中Rayleigh波频散和衰减曲线连续的性质,结合本征位移曲线特征,分析二层黏弹性介质模型中Rayleigh波频散曲线"交叉"现象以及"交叉"点附近的波动特性.结果表明:与弹性介质相比,黏弹性介质中Rayleigh波的波动特性存在明显差异,随着介质对地震波的损耗越来越强,将导致Rayleigh波频散曲线发生"交叉"现象.     

地壳介质各向异性弹性本构关系讨论

论述了地壳介质中存在的各类向异性及其弹性本构关系,推导了应变能变换公式、ＥＤＡ薄层各向异性弹性常数及非对称面上ＥＤＡ构成的单斜对称弹性常数的计算公式;讨论了几种各向异性对称系统的本征方程并给出了弹性波的角散表达式,最后选取合理的参数对波的角散现象作了数值模拟。     

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.     

Effect of anelastic patchy saturated sand layers on the reflection and transmission responses of a periodically layered medium

Based on analytic relations, we compute the reflection and transmission responses of a periodically layered medium with a stack of elastic shales and partially saturated sands. The sand layers are considered anelastic (using patchy saturation theory) or elastic (with effective velocity). Using the patchy saturation theory, we introduce a velocity dispersion due to mesoscale attenuation in the sand layer. This intrinsic anelasticity is creating frequency dependence, which is added to the one coming from the layering (macroscale). We choose several configurations of the periodically layered medium to enhance more or less the effect of anelasticity. The worst case to see the effect of intrinsic anelasticity is obtained with low dispersion in the sand layer, strong contrast between shales and sands, and a low value of the net‐to‐gross ratio (sand proportion divided by the sand + shale proportion), whereas the best case is constituted by high dispersion, weak contrast, and high net‐to‐gross ratio. We then compare the results to show which dispersion effect is dominating in reflection and transmission responses. In frequency domain, the influence of the intrinsic anelasticity is not negligible compared with the layering effect. Even if the main resonance patterns are the same, the resonance peaks for anelastic cases are shifted towards high frequencies and have a slightly lower amplitude than for elastic cases. These observations are more emphasized when we combine all effects and when the net‐to‐gross ratio increases, whereas the differences between anelastic and elastic results are less affected by the level of intrinsic dispersion and by the contrast between the layers. In the time domain, the amplitude of the responses is significantly lower when we consider intrinsic anelastic layers. Even if the phase response has the same features for elastic and anelastic cases, the anelastic model responses are clearly more attenuated than the elastic ones. We conclude that the frequency dependence due to the layering is not always dominating the responses. The frequency dependence coming from intrinsic visco‐elastic phenomena affects the amplitude of the responses in the frequency and time domains. Considering intrinsic attenuation and velocity dispersion of some layers should be analyzed while looking at seismic and log data in thin layered reservoirs.     

波场模拟中的数值频散分析与校正策略

波动方程有限差分法正演模拟,对认识地震波传播规律、进行地震属性研究、地震资料地质解释、储层评价等,均具有重要的理论和实际意义.但有限差分法本身固有存在着数值频散问题,数值频散在正演模拟中是一种严重的干扰,会降低波场模拟的精度与分辨率.针对TI介质波场模拟的交错网格有限差分方法,本文从空间网格离散、时间网格离散和算子近似等三个方面对其产生的数值频散进行了分析,并结合其他学者的研究成果给出了TI介质波场模拟中压制数值频散的方法与策略：在已知介质频散关系时,对差分算子可实施算子校正;通过提高差分方程的阶数来提高波场模拟精度;采用流体力学中守恒式方程的通量校正传输方法来压制波场模拟中的数值频散;在实际正演模拟时,采用交错网格高阶有限差分方程,不仅在空间上采用高阶差分,而且在时间上也要采用高阶差分,否则只在单一方向上（空间或时间）提高方程的阶数对压制数值频散也不会取得理想的效果.     

Surface and plate waves in biaxially-stressed elastic media

Summary The propagation of waves of small amplitude in an incompressible elastic medium subjected to a large homogeneous equibiaxial stress is investigated. The dispersion equation for surface waves on a semi-infinite medium is obtained explicitly, and the dispersion equation for waves in a slab of finite depth. In the latter case, approximate values, valid for waves whose lengths are much greater than the slab thickness, are determined for the phase-velocities of the different modes.     

Love waves in an inhomogeneous fluid saturated porous layered half-space with linearly varying properties

The paper is concerned with the propagation of the Love waves in an inhomogeneous transversely isotropic fluid saturated porous layered half-space with linearly varying properties. The analysis is based on Biot's theory. Firstly, the dispersion equation in the complex form for the Love waves in an inhomogeneous porous layer is derived. Then the equation is solved by an iterative method. Detailed numerical calculation is presented for an inhomogeneous fluid saturated porous layer overlying a purely elastic half-space. The dispersion and attenuation of the Love waves are discussed. In addition, the upper and lower bounds of the Love wave speed are explored.     

黏弹性介质中瑞利波频散曲线和衰减系数曲线的反演

瑞利波具有能量大、信噪比高等特点,可以用来反演介质内部的力学信息,近年来在浅层地球物理勘探、深层地震学研究以及超声波无损检测等多个领域都有较广泛的应用。目前大多数瑞利波的应用中都假设介质是弹性的,然而实际中岩石、土壤和金属等介质都在一定程度上体现出了黏弹性。当介质的黏弹性较强时仍然采用弹性假设研究其中瑞利波的反演将增大误差,因此有必要考虑黏弹性介质中的瑞利波反演,但是目前这方面的研究仍不够深入。本文研究黏弹性介质中瑞利波频散曲线和衰减系数曲线的反演问题,给出其在半空间中联合反演的方法,并对该方法的误差进行分析。