A parallel laboratory for simulation and visualization of seismic wavefields

The use of parallel computers makes simulation of elastic waves feasible throughout large structures by means of recent advances in domain decomposition methods. We introduce a competitive parallel algorithm for the propagation of elastic waves in complex heterogeneous media using finite-element discretization. This parallel method, called the multiblock method , performs more efficiently than classical domain decomposition techniques based on substructuration, such as the Schur complement technique. It reduces considerably the amount of communication amongst processors because the interface problem between subdomains is solved by taking advantage of Huygens' principle for wave propagation. We provide some numerical examples and detailed studies on the efficiency and performance of the algorithm, proving that it is competitive and less costly, from the computational viewpoint, than algorithms based on the Schur technique.     

地震海啸传播过程数值模拟研究

运用数值模拟的方法,对常水深4 000 m,8.0级纯倾滑直立断层触发的地震海啸,在大洋中传播的前2 000 s各时刻的形态以及峰值进行研究.结果表明,地震海啸产生后的前1 000 s左右的时间内,存在数值震荡,幅值先快速衰减,再逐渐增大,此后,幅值随着时间的推移缓慢衰减.     

Numerical simulation of seismic wavefields in TTI media using the rotated staggered-grid compact finite-difference scheme

Numerical simulation in transverse isotropic media with tilted symmetry axis(TTI) using the standard staggered-grid finite-difference scheme(SSG)results in errors caused by averaging or interpolation. In order to eliminate the errors, a method of rotated staggered-grid finite-difference scheme(RSG) is proposed. However, the RSG brings serious numerical dispersion. The compact staggered-grid finite-difference scheme(CSG) is an implicit difference scheme, which use fewer grid points to suppress dispersion more effectively than the SSG. This paper combines the CSG with the RSG to derive a rotated staggered-grid compact finite-difference scheme(RSGC). The numerical experiments indicate that the RSGC has weaker numerical dispersion and better accuracy than the RSG.     

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.     

Velocity adjustable TMD and numerical simulation of seismic performance

A new type of velocity adjustable tuned mass damper (TMD) consisting of impulse generators and clutches is presented. The force impulse is generated by a joining operation of electromagnets and springs and MR dampers are used as clutches. Rules for velocity adjustment are established according to the working mechanism of TMD. The analysis program is developed on a VB platform. Seismic response of SDOF structures with both passive TMD and velocity adjustable TMD are analyzed. The results show that (1) the control effectiveness of passive TMDs is usually unstable; (2) the control effectiveness of the proposed semi-active TMDs is much better than passive TMDs under typical seismic ground motions; and (3) unlike the passive TMD system, the proposed velocity adjustable TMDs exhibit good control effectiveness even when the primary structure performance becomes inelastic during severe earthquakes.     

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Ｔｈｅｃｏｎｖｏｌｕｔｉｏｎａｌｄｉｆｅｒｅｎｔｉａｔｏｒｍｅｔｈｏｄｆｏｒｎｕ┐ｍｅｒｉｃａｌｍｏｄｅｌｉｎｇｏｆａｃｏｕｓｔｉｃａｎｄｅｌａｓｔｉｃｗａｖｅ┐ｆｉｅｌｄｓＺＨＯＮＧ－ＪＩＥＺＨＡＮＧ（张中杰），ＪＩ－ＷＥＮＴＥＮＧ（滕吉文）ａｎ...     

提高浅层地震反射静校正精度的一种方法与数值模拟

浅层地震反射法是一种常用的勘探方法.在浅层地震资料处理中,静校正的精度直接影响速度反演的结果和叠加剖面的质量,在地形平缓时,固定基准面静校正可以满足勘探精度的要求,但在复杂地形条件下,其存在较大误差,即使采用浮动基准面,仍会由于地表一致性假设而残余静校正量,不能消除地形起伏引起的影响,为了提高浅层地震反射静校正的精度必须在常规静校正后进行一次剩余静校正,本文给出起伏地形条件下,滑动基准面(过共中心点的水平面即为该共中心点的滑动基准面)的剩余静校正量,该校正量与炮检距、反射层埋深、地层波速以及炮点和接收点高程有关,适用于单一介质和层状介质情况,本文通过对典型地形起伏的3个水平均匀层状介质理论地质模型的速度谱计算和分析,阐明在复杂地形条件下,应用本文提出的剩余静校正方法可以消除地形起伏的影响,提高静校正精度,在此基础上做动校正可以得到高质量的水平叠加剖面.     

井地地震CT成像数值模拟研究与应用

由井地地震CT成像原理决定,其在提高生产效率、降低生产成本和扩大勘察范围上具有突出优势.本文针对井地观测系统,重点通过对ART和SIRT重建方法进行数值模拟对比研究,分析得出二者在井地地震CT应用中的优缺点及适用条件,提出了如何提高影响成像质量的射线分布密度、均匀性和正交性.最后选择收敛快速稳定的SIRT算法应用于实际,取得良好的生产效果,很好的验证了井地CT成像技术的正确性,可行性和实用性.     

基于多辛结构谱元法的保结构地震波场模拟

近年来构造高精度、高效且具有长时程跟踪能力的保结构算法已逐渐成为地震波模拟算法发展的重要方向之一. 本文基于谱元法(SEM)进行空间域离散结合新推导的三阶辛算法(NTSTO)进行时间域离散,构造了一种具有时-空保结构特性的新算法. 本文给出的多组数值试验对比结果表明,本算法无论在内存消耗、稳定性及计算耗时,还是长时程跟踪能力方面都有上佳的表现; 另外,本文给出的起伏地表多层介质模型的数值算例验证了该算法处理复杂几何形状和复杂介质时的有效性. 该多辛结构谱元法的发展将为长时程地震波传播的计算及模拟提供更为广泛而有效的选择.     

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...     

大型结构地震反应值模拟中的波动输入

解耦的时域有限元数值模拟技术在考虑土－结构相互作用的大型结构地震反应分析中的应用日趋成熟。为完善其中的波动输入技术，本提出 了一种波动输入时步数值模拟的简便方法，替换对自由场的频域计算，从而使结构反应分析可以完全通过时步数值模拟实现。同时，通过数值实现，对这一实施方案的有效性进行了检验。     

用于地震波场模拟的PML边界衰减因子研究(英文)

在地震波场数值模拟中,为了消除由人为边界产生的边界反射,需要引进边界吸收条件。本文从声波方程完全匹配层吸收边界的经典方法出发,基于高斯函数任意阶光滑的特点,提出了一种高斯型衰减因子,分析比较该因子与一般衰减因子的性质,并基于均匀与层状速度模型分别进行了数值模拟计算。数值结果显示,当选择相同的PML边界吸收层层数时,高斯型衰减因子的吸收效果明显优于一般的衰减因子,边界反射更少,信噪比更高;对比最近提出的正弦型衰减因子,在信噪比接近的情况下,高斯型衰减因子所需的PML吸收层层数更少。     

浅层地震勘探中有限元数值模拟方法的应用研究

针对目前广泛用于解决工程地质问题的浅层地震勘探特点,通过对浅层小尺度介质进行地震波数值模拟,揭示地震波在不同浅层介质模型中的波场特征和传播规律.为浅层地震勘探野外数据采集前合理选择观测系统提供指导性的方案,并能对地震勘探成果解释的合理性给予客观评价.在分析各种数值模拟方法特点的基础上,选择具有精度高、易模拟复杂结构的有...     

井间地震波动方程正演数值模拟及其应用

井间地震正演模拟是在给定地层参数及边界条件的情况下求波动方程数值解的过程.本文详细推导了井间二维声波方程四阶差分方程;根据假设的包含楔形体和丘状体的理论地层模型,对其波场进行了模拟计算分析;据胜利油田垦71区块两口井的实际声波测井资料建立了精细速度模型,对其正演模拟的合成记录波场进行分析,并把合成记录反射波成像与实际的过井三维地震剖面进行了对比,验证了所设计观测系统的合理性.     

Theoretical basis and numerical simulation of parallel seismic test for existing piles using flexural wave

This paper presents theoretical analysis of the parallel seismic (PS) method for evaluating existing piles using the flexural mode wave exited by a horizontal impact on the lateral surface of a pile. A simplified theoretical model of the flexural wave for PS method was established to elaborate the theoretical basis. A correction factor was then obtained and proposed to correct the pile depth obtained from the PS method, thus providing a more accurate estimation. A three dimension (3-D) finite element (FE) model was developed and the existence of the flexural waves on branch F(1, 1) in the pile shaft has been verified. Two time domain methods were used to calculate the flexural wave velocity in the pile. One was based on the pile tip reflection signal using a model where pile head reflection was minimized, and another method used the slope of the upper fitted line in the PS test. The flexural wave velocities from both methods match well with the predicted flexural wave group velocity determined from the dispersion curve of a 1-D rod embedded in the soil. The accuracy in estimation of pile tip depth is improved by applying the correction factor. A series of parametric studies were carried out to demonstrate the effectiveness of using flexural wave for PS test and the correction factor proposed in this study.     

高性能集群系统在地震波数值模拟中的应用

随着地震领域研究工作不断深入,为了进行大规模信息处理和求解复杂模型,研究人员对具有大规模计算能力的并行计算平台需求已十分迫切。本文详细介绍了在Linux平台下,利用开源软件OSCAR(Open Source Cluster Application Resources)搭建高性能计算集群系统的方法;测试表明,构建的系统具有运行稳定,节点增减便利,提交、管理作业简单,性能参数可监控等诸多优点。该系统不仅提供了可靠的高性能计算平台,还使得进一步开发和应用国内外同行基于最新研究成果发布的各种大型并行计算开源程序变得简单方便,如加州理工学院等机构编写的基于谱单元法的大型盆地内场地地震动数值模拟程序SPECFEM3D。     

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.     

基于新的差分结构的时-空域高阶有限差分波动方程数值模拟方法

传统的高阶有限差分波动方程数值模拟方法采用高阶差分算子近似空间偏导数,能有效抑制空间频散.然而,传统的有限差分法仅采用二阶差分算子近似时间偏导数,这使得地震波场沿时间外推的精度较低.当采用较大的时间采样间隔,传统的有限差分法模拟波场会出现明显的时间频散,甚至不稳定.本文基于新的差分结构和中心网格剖分,发展了一种空间任意偶数阶精度、时间四阶和六阶精度的时空域有限差分方法.基于对离散后的频散关系进行泰勒展开,本文推导了时空域高阶有限差分算子的差分系数.相速度分析表明时间四阶、六阶精度的差分方法能显著地减小传统时间二阶精度差分方法的时间频散.在相同的精度下与传统差分法比较,本文发展的时间四阶、六阶有限差分方法的计算效率比传统方法高.均匀和非匀均介质中的波场数值模拟实验进一步证实本文研究的时空高阶有限差分方法的优越性.