求解3D弹性波方程的并行WNAD方法及其TI介质中的波场模拟

准确模拟TTI介质中弹性波的传播是研究地震各向异性、AVO反演的基础. 在二维加权近似解析离散化(WNAD)算法的基础上, 本文发展的并行WNAD算法是一种研究三维横向各向同性(TI)介质中弹性波传播的、快速高效的数值模拟方法. 我们首先介绍三维WNAD方法的构造过程, 然后与经典的差分格式——交错网格(SG)算法进行了比较. 理论分析和数值算例表明, WNAD算法比交错网格算法更适合在高性能计算机上进行大规模弹性波场模拟. 同时, 本文利用并行的WNAD方法研究了弹性波在TTI介质中的传播规律, 观测了TI介质中弹性波传播的重要特征:横波分离、体波耦合和速度各向异性等. 在TTI介质分界面处, 弹性波产生更加复杂的折射、反射和波型转化, 使得波场非常复杂, 研究和辨别不同类型的波能够加深我们对由裂隙诱导的各向异性介质的认识.     

基于八阶NAD算子的保辛分部Runge-Kutta方法及其波场模拟(英文)

基于声波方程扩充的哈密尔顿系统,本文给出了空间精度为八阶的近似解析离散化(NAD)保辛分部Runge-Kutta方法,简称八阶NSPRK方法。该方法采用八阶精度的近似解析离散算子近似空间高阶偏微分算子,并使用二阶精度的辛分部Runge-Kutta方法进行时间离散。我们从理论和数值计算两个方面研究了八阶NSPRK方法的稳定性条件和数值频散关系,并同四阶NSPRK方法、八阶Lax-Wendroff(LWC)方法和八阶交错网格(SG)方法进行了比较。结果表明八阶NSPRK方法压制数值频散的能力显著优于传统数值计算方法。与四阶NSPRK方法和传统四阶辛格式(SPRK)方法相比,八阶NSPRK方法具有最小的数值误差和最高的计算效率:在达到同样消除数值频散的前提下,八阶NSPRK方法的计算速度约为四阶NSPRK方法的2.5倍、为四阶SPRK方法的3.4倍;八阶NSPRK方法的存储量仅为四阶NSPRK方法的47.17%、为四阶SPRK方法的49.41%。在双层介质、非均匀介质和Marmousi等复杂速度模型中,八阶NSPRK方法模拟得到的波场快照非常清晰,无可见数值频散。这些结果表明,八阶NSPRK方法在粗网格条件下能有效地压制数值频散,从而能够极大地节省计算内存,提高计算速度。总体而言,八阶NSPRK方法是一种在地震探测领域和地震学研究中有着巨大应用潜力的数值计算方法。     

求解弹性波动方程的频率域近似解析离散化波场模拟方法

为提高频率域弹性波动方程数值求解的计算效率,本文引入近似解析离散化(NAD)方法将其进行数值离散并得到大型线性代数方程组.在详细分析了相应系数矩阵的稀疏分块结构与数学性质之后,本文提出采用不精确旋转分块三角预处理子加速Krylov子空间迭代方法来快速求解该线性方程组,并利用数值试验证实这种方法在弹性波场模拟方面的数值效...     

间断有限元方法的数值频散分析及其波场模拟

数值求解波动方程是大尺度正演波场模拟、基于波动方程的地震偏移和反演成像的关键.本文针对求解二维声波方程的Runge-Kutta 间断有限元（RKDG）方法的数值频散问题,从理论推导和数值分析的角度进行了深入研究,并将其与近似解析离散化方法（Optimal Nearly Analytic Discrete Method,简称ONAD 方法）、Lax-Wendroff 修正方法、交错网格（Staggered-Grid,简称SG）方法的数值频散进行了比较研究.结果表明：RKDG方法以及近似解析离散化方法在压制数值频散方面要好于上述其他方法,特别是空间精度为3阶的RKDG方法,即使当空间步长取波长的一半,即一个波长内取2个网格点时,最大的频散误差也不超过1.67%.同时,我们也通过波场模拟对比研究了不同数值方法的数值频散问题,进一步直观地验证了数值频散的理论分析结果.     

弹性波场数值模拟的隐式差分多重网格算法

为了得到稳定的弹 性波数值模拟,而不得不选择隐式差分方程;为了提高解的精度,又不得不增加节点数目, 但同时也降低了隐式迭代求解的收敛速度. 为此,本文使用隐式差分的多重网格算法进行弹 性波数值模拟,多重网格算法通过粗网格收敛较快的迭代过程求出近似解,以近似解为初值 使用细网格进行精确的迭代求解,从而加速了隐式迭代求解的过程,能够以较高计算速度、 精度、稳定性完成弹性波传播过程的数值模拟.     

黏滞声波地震波场模拟的SG-ONADM混合方法

交错网格方法（SG）和最优近似解析离散化方法（ONADM）是两类典型的地震波场数值模拟方法.两类方法各有其优势,相对于ONADM方法,SG方法在单个时间层内的计算更为简单;相对于SG方法,ONADM方法可以在较大空间步长条件下有效压制数值频散.结合两种方法的优势,本文提出了一种新的地震波场模拟方法（SG-ONADM）.该方法对控制方程中的一阶偏导数采用SG方法给出的一阶偏导数近似公式,高阶偏导数采用ONADM方法给出的高阶偏导数逼近公式.理论分析及数值算例表明,SG-ONADM方法保留了两种方法的优势,不仅能在较大空间步长条件下有效压制数值频散,同时具有较低的内存需求量;在对同一计算区域进行波场模拟时,SG-ONADM方法的计算效率要高于SG方法和ONADM方法.最后,我们使用SG-ONADM方法进行黏滞声波波场模拟,研究了黏滞声波在复杂介质中的传播.

     

四阶龙格-库塔方法的一种改进算法及地震波场模拟

提出了求解波动方程的四阶龙格-库塔方法的一种改进算法.首先将原四阶龙格-库塔方法合并为两级格式, 然后在第一级中引入加权参数以获得加权算法. 针对这种改进方法,研究了它的稳定性条件; 对一维问题导出了频散关系, 给出了数值频散结果,并与四阶的 Lax-Wendroff (LWC) 方法和位移-应力交错网格方法进行了对比; 对二维问题, 使用我们的改进方法、四阶LWC和交错网格三种方法进行了声波波场模拟, 并进行了计算效率分析和不同方法计算结果的比较; 最后选取两个层状介质模型进行了声波和弹性波波场模拟. 数值结果表明,本文的改进方法具有非常弱的数值频散和高的计算效率, 是一种在地震勘探领域具有巨大应用潜力的数值方法.     

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.     

非均匀介质中地震波应力场的WNAD方法及其数值模拟

通过对近似解析离散化(NAD)方法的分析,给出了一种求解声波和弹性波方程的带权重的近似解析离散化(WNAD)方法,并用WNAD方法、Lax-Wendroff 修正格式(LWC)和二阶中心差分方法计算了二维波动方程初值问题的应力场数值误差.结果表明WNAD方法具有更高的数值精度.用WNAD方法、LWC和四阶交错网格法对二维非均匀介质中弹性波传播的应力场进行了数值模拟.应力场快照和地表地震记录表明,即使是在粗网格条件下WNAD方法的模拟结果仍无可见的数值频散和源噪声.另一方面,由于WNAD方法同时计算了地震位移和梯度场,使得应力的计算更为便捷和精确,而且WNAD方法中波位移梯度局部连接关系的使用使得应力在间断处能够自动近似地满足应力连续性.     

求解声波方程的辛可分Runge-Kutta方法

本文基于声波方程的哈密尔顿系统,构造了一种新的保辛数值格式,简称NSPRK方法.该方法在时间上采用二阶辛可分Runge-Kutta方法,空间上采用近似解析离散算子进行离散逼近.针对本文发展的新方法,我们给出了NSPRK方法在一维和二维情况下的稳定性条件、一维数值频散关系以及二维数值误差,并在计算效率方面与传统辛格式和四阶LWC方法进行了比较.最后,我们将本文方法应用于声波在三层各向同性介质和异常体模型中的波传播数值模拟.数值结果表明,本文发展的NSPRK方法能有效压制粗网格或具有强间断情况下数值方法所存在的数值频散,从而极大地提高了计算效率,节省了计算机内存.     

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.     

Optimal implicit staggered‐grid finite‐difference schemes based on the sampling approximation method for seismic modelling

We propose new implicit staggered‐grid finite‐difference schemes with optimal coefficients based on the sampling approximation method to improve the numerical solution accuracy for seismic modelling. We first derive the optimized implicit staggered‐grid finite‐difference coefficients of arbitrary even‐order accuracy for the first‐order spatial derivatives using the plane‐wave theory and the direct sampling approximation method. Then, the implicit staggered‐grid finite‐difference coefficients based on sampling approximation, which can widen the range of wavenumber with great accuracy, are used to solve the first‐order spatial derivatives. By comparing the numerical dispersion of the implicit staggered‐grid finite‐difference schemes based on sampling approximation, Taylor series expansion, and least squares, we find that the optimal implicit staggered‐grid finite‐difference scheme based on sampling approximation achieves greater precision than that based on Taylor series expansion over a wider range of wavenumbers, although it has similar accuracy to that based on least squares. Finally, we apply the implicit staggered‐grid finite difference based on sampling approximation to numerical modelling. The modelling results demonstrate that the new optimal method can efficiently suppress numerical dispersion and lead to greater accuracy compared with the implicit staggered‐grid finite difference based on Taylor series expansion. In addition, the results also indicate the computational cost of the implicit staggered‐grid finite difference based on sampling approximation is almost the same as the implicit staggered‐grid finite difference based on Taylor series expansion.     

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.     

Elastic wave modelling method based on the displacement–velocity fields: an improving nearly analytic discrete approximation

In this paper, we present an improvement to our previously published nearly analytic discrete method (NADM) to solve acoustic and elastic wave equations. We compare the numerical errors of the improved NADM with the original NADM and also the fourth-order Lax–Wendroff correction and present examples of three-component wave fields in 2D transversely isotropic media with strong velocity contrasts. Comparing with the original NADM, we find that the improved method requires significantly less storage space and can increase the time accuracy from second order of the original NADM to fourth order, while the space accuracy remains the same as that of the original one. Theoretical analyses and numerical results suggest that our improved NADM is suitable for large-scale numerical modelling as it can effectively suppress numerical dispersion and source-generated noises caused by discretising wave equations when too-coarse grids are used.     

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.