横向各向同性介质拟声波方程及其在逆时偏移中的应用

地下岩石的速度各向异性影响地震波的传播与成像.横向各向同性(TI)介质为最普遍的等效各向异性模型.引入TI介质拟声波方程可以避免复杂的弹性波方程求解以及各向异性介质波场分离,以满足对纵波成像的实际需要.本文从垂直横向各向同性(VTI)介质弹性波方程出发,推导出正应力表达的拟声波方程以及相应的纵波分量的表达式,进而分析从频散关系得到的拟声波方程的物理意义,而后将拟声波方程扩展到更一般的倾斜横向各向同性(TTI)介质中.波前快照与群速度平面的对比验证了拟声波方程可以很好地近似描述qP波的运动学特征.在此基础上,将拟声波方程应用在逆时偏移中并与其特例声波近似方程进行对比,讨论了计算效率、稳定性等实际问题.数值试验表明VTI介质情况下采用声波近似方程可以提高计算效率,而TTI介质qP-qSV波方程则在效率相当的情况下可以保证稳定性.SEG/HESS模型和逆冲模型逆时偏移试验验证了本文TI介质拟声波方程的实用性.     

基于第二代小波自适应网格的二维声波方程波传模拟

本文利用第二代小波多尺度分解和快速变换的特点,构造自适应计算网格.对初始计算网格上的数值解进行第二代小波变换,得到数值解对应的小波系数空间.小波系数的大小表示相邻网格上数值变化率,小波系数大的区域网格点上的数值解变化梯度大.当小波系数大于等于预设的阈值时,在小波系数对应的网格点周围插入新的计算网格点,通过阈值可以实现网格的细化,得到多尺度下层层嵌套的细化自适应网格;由有限差分法得到相应网格点的空间导数.比较数值算例得到的波场快照和计算时间,验证了该方法的有效性.     

VTI介质解耦合声波方程数值模拟

Alkhalifah提出的声学近似方程对于各向异性VTI介质地震资料分析处理是一种较为高效的方法,但由于算法本身所产生的伪横波干扰,以及所带来的稳定性问题制约了该技术在实际生产中的应用.本文介绍了纵横波分离的VTI介质解耦合声波近似方程,以解决伪横波干扰问题.并针对数值求解问题,研究了伪解析法在VTI介质声波近似解耦方程数值模拟中的应用.对比数值模拟结果,该方法准确描述了VTI介质qP波波场特征的同时,消除了伪SV波干扰,使得波场传播更稳定,数值频散也更小.     

双相各向异性介质中弹性波方程的有限元解法及波场模拟

基于双相各向异性介质模型,首先推导了双相各向异性介质中弹性波传播的动力学方程及其Galerkin变分方程和有限元运动方程,然后给出了孔隙弹性波方程的有限元数值解法以及二维双相PTL介质中波场模拟的人为吸收边界条件. 最后,利用本文给出的有限元方法对双相PTL介质和双相各向同性介质中的弹性波传播进行了数值模拟. 结果表明:有限元方法和吸收边界条件有效、可行,在理想相界条件下,不论是从固体位移,还是从流体位移的波场快照都能看到明显的慢速拟P波;在黏滞相界情况下,能否观察到慢速拟P波,与含流体地层介质的耗散性质有关.对实际含流体介质,从流体位移分量的波场快照比从固体位移波场快照更容易观察到慢速拟P波.     

波动方程数值模拟的三种方法及对比

波动方程数值模拟方法是研究地震波场传播的一种重要手段,本文采用交错网格高阶有限差分方法分别对双程声波方程和双程弹性波方程进行了波场数值模拟,并且根据定位原理采用傅立叶有限差分算子进行了单程波方程数值模拟,在分析定位原理的基础上,对其计算过程稍作修改,将延拓到地面的波场直接由每个检波点接收,无需横向叠加过程,得到了单程声波方程共炮记录.基于不同波动方程的数值模拟结果表明,双程波方程结果包含直达波、多次波等干扰波,信噪比低;单程波数值模拟结果只包含了介质分界面的一次反射波,信噪比高,但对于大角度入射波误差较大,并且对于同一个地质模型而言,双程弹性波方程计算速度最慢,双程声波方程次之,单程声波方程计算速度最快.因此对于复杂地质模型,三种模拟方法可以取长补短,综合应用.     

分段光滑曲线边界波动方程数值模拟研究

矩形网格有限差分法在地震波传播数值模拟方面具有计算速度快的显著优势,但该方法在处理复杂边界问题上存在着效率低的严重缺陷.本文针对分段光滑曲线边界定义了尖点处的一种正则导数,给出了矩形网格情形分段光滑曲线网格边界点法向导数的一种插值计算方法.采用矩形网格有限差分法对复杂边界地球介质模型进行地震波场数值模拟,并采用波场系列快照技术揭示地震波在起伏地表和复杂介质中的传播规律.模拟结果表明：法向导数插值计算方法为矩形网格有限差分法处理复杂边界提供了有效途径,采用波场系列快照技术可以清晰地展现地震波在反射界面的反射和透射规律、在尖点的绕射规律以及在自由表面的直达波和多次反射规律.     

黏弹TTI介质中旋转交错网格高阶有限差分数值模拟

以Carcione黏弹各向异性理论为基础,给出了适用于黏弹性具有任意倾斜对称轴横向各向同性介质(黏弹TTI介质)的二维三分量一阶速度-应力方程,采用旋转交错网格任意偶数阶精度有限差分格式求解该方程,并推导出了二维黏弹TTI介质完全匹配层(PML)吸收边界条件公式和相应的旋转交错网格任意偶数阶精度有限差分格式,实现了该类介质的地震波场数值模拟.数值模拟结果表明:该方法模拟精度高,边界吸收效果好,可以得到高精度的波场快照和合成记录;并且波场快照和合成记录能较好地反映地下介质的各向异性特征和黏弹性特征.     

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.     

基于Biot-Squirt方程的波场模拟

Biot流动和喷射流动是含流体多孔隙介质中流体流动的两种重要力学机制,对地震波和声波的传播均产生重要影响. Dvorkin和Nur提出了同时包含Biot流动和喷射流动力学机制的统一的BISQ(Biot-Squirt)模型,基于这一模型,尽管有关弹性波在多孔隙介质中的衰减和频散问题已被广泛研究,然而,基于BISQ波传播方程的波场数值模拟至今仍未见报道. 本文从同时包含两种力学机制的孔隙弹性波方程出发,利用FCT有限差分法对含流体孔隙各向同性介质中的地震波和声波进行了数值模拟,并与基于Biot流动的Biot理论之模拟结果进行比较. 数值模拟结果表明:同时包含Biot流动和喷射流动影响的地震波和声波速度比仅包含Biot流动作用的地震波和声波速度慢,慢P波的衰减比根据Biot理论模拟的慢P波衰减更强.     

带正则化校正的TTI介质qP波方程及其逆时偏移方法和应用

各向异性研究对地下介质精确成像有着重要的意义,在当前计算机硬件迅速发展及宽方位地震数据采集日益普遍的情况下,成像必须考虑介质的各向异性.逆时偏移是基于双程波动方程的较为精确的数值解的成像方法,所以相对于其他地震成像方法,它具有很大的优势,譬如不受反射界面的倾角限制、偏移速度结构合适时能够使回转波及多次波正确成像.在各向同性介质中,可使用标量波方程来模拟波场.而在各向异性介质中,P波和SV波是相互耦合的,即不存在单纯的标量波传播,通常利用能代表耦合波场中P波分量运动学特征的拟声波(qP波)进行偏移成像.本文中,我们推导出了TTI介质下qP波控制方程.该方程可采用显式有限差分格式进行求解.通过声学近似,若沿对称轴方向的剪切波速度为零,对于对称轴方向不变且ε≥δ的模型来说,可得到稳定的数值解.但对于TTI介质来说,由于沿对称轴方向各向异性参数是变化的,声学近似会引起波场传播及数值计算的不稳定.因此,我们提出了正则化有限横波的方法,很好地解决了这一问题.最后,给出了Foothill模型的测试结果及某探区实际资料试算结果,展示了采用这个方程进行复杂TTI模型正演和高质量逆时偏移成像结果,证实了该方法的正确性和实际资料应用中的有效性.     

数字化地震波形小震P波、S波震源参数对比研究

目前,国内在数字化地震资料研究中,主要应用S波来研究震源参数.本文充分利用上海数字化地震台阵(网)资料,挑选了2001～2004年华东地区发生的9个震级较大的中等地震,反演了单台记录垂直向纵波(P波)及横波(S波)震源谱,根据布龙模型,计算每个地震单台拐角频率、地震矩、零频谱值、震源破裂半径、应力降等参数,求出每个地震的震源参数(P波和S波)的平均值及其均方差,对这9个地震的P波、S波震源参数计算结果进行了对比.结果表明,用P波段数据进行震源参数的研究是可行的.     

Identifying storm-induced wave origins using SAR wave mode data

Because of weak dissipation effects, swells generated by fierce storms can propagate across an entire ocean basin; therefore, observing swell generation and decay and retrieving storm characteristics from a swell by satellite remote sensing are possible. In this study, based on the dispersion relation and geometrical optics principle, we used SAR wave mode data from 2003 to 2010 provided by GlobWave to track swells with peak wavelengths of more than 300 m to locate a storm-generated far-traveling swell and present the swell field related to this “static” origin. Through a comparison with ECMWF wind datasets, we conducted validations and explored some conditions that cause misjudgments in swell origins. Finally, we obtained the spatiotemporal distribution characteristics of satellite-observed swell origins (i.e., the fierce wind condition) and their evolution. This work can be used as a reference for wave models, providing early swell warnings, determining air-sea surface interactions, and determining global climate change.     

Tube wave to shear wave conversion at borehole plugs

In hydraulic fracturing experiments, perforation shots excite body and tube waves that sample, and thus can be used to characterize, the surrounding medium. While these waves are routinely employed in borehole operations, their resolving power is limited by the experiment geometry, the signal‐to‐noise ratio, and their frequency content. It is therefore useful to look for additional, complementary signals that could increase this resolving power. Tube‐to‐body‐wave conversions (scattering of tube to compressional or shear waves at borehole discontinuities) are one such signal. These waves are not frequently considered in hydraulic fracture settings, yet they possess geometrical and spectral attributes that greatly complement the resolution afforded by body and tube waves alone. Here, we analyze data from the Jonah gas field (Wyoming, USA) to demonstrate that tube‐to‐shear‐wave conversions can be clearly observed in the context of hydraulic fracturing experiments. These waves are identified primarily on the vertical and radial components of geophones installed in monitoring wells surrounding a treatment well. They exhibit a significantly lower frequency content (10–100 Hz) than the primary compressional waves (100–1000 Hz). Tapping into such lower frequencies could help to better constrain velocity in the formation, thus allowing better estimates of fracture density, porosity and permeability. Moreover, the signals of tube‐to‐shear‐wave conversion observed in this particular study provide independent estimates of the shear wave velocity in the formation and of the tube wave velocity in the treatment well.     

复杂介质中平面波模拟的单程波方法

地震勘探中平面波分解技术在地震资料处理与反演领域均得以广泛应用,通过正演算法模拟平面波记录有助于理解和检验平面波分解的效果和精度.本文给出一种用以模拟复杂介质中平面波的数值算法,考虑了振幅随入射角度的变化.与前人研究的平面波模拟算法相比,该算法基于波动方程的单程波解法,不但适用于横向非均匀介质,在地层倾角水平条件下还能够准确模拟振幅随入射角关系.通过Marmousi模型的计算实例,证明了本文方法的可行性.     

Probabilistic assessment of rogue wave occurrence in directional wave fields

Ocean Dynamics - In this study, the relation between rogue wave occurrence statistics and properties of the directional wind-wave spectrum is investigated. The study is conducted by means of the...     

Accuracy of kinematic wave and diffusion wave approximations for time-independent flows

Errors in the kinematic wave and diffusion wave approximations for time-independent (or steady-state) cases of channel flow were derived for three types of boundary conditions: zero flow at the upstream end, and critical flow depth and zero depth gradient at the downstream end. The diffusion wave approximation was found to be in excellent agreement with the dynamic wave approximation, with errors in the range 1–2% for values of KF (? 7.5), where K is the kinematic wave number and F₀ is the Froude number. Even for small values of KF (e.g. KF²₀ = 0.75), the errors were typically less than 15%. The accuracy of the diffusion wave approximation was greatly influenced by the downstream boundary condition. The error of the kinematic wave approximation was found to be less than 13% in the region 0.1 ? x ? 0.95 for KF = 7.5 and was greater than 30% for smaller values of KF (? 0.75). This error increased with strong downstream boundary control.     

Inversion of shear wave interval velocity on prestack converted wave data

Seismic velocity is important to migration of seismic data,interpretation of lithology and lithofacies as well asprediction of reservoir.The information of shear wave velocity is required to reduce the uncertainty for discrimi-nating lithology,identifying fluid type in porous material and calculating gas saturation in reservoir prediction.Based on Zoeppritz equations,a numeral and scanning method was proposed in this paper.Shear wave velocitycan be calculated with prestack converted wave data.The effects were demonstrated by inversion of theoreticaland real seismic data.     

青藏高原班公湖-怒江缝合带域岩石密度结构及意义

班公湖-怒江缝合带分隔了青藏高原拉萨地块和羌塘地块, 该带域岩样采集与分析对于该区地球物理资料深化解释、拉萨地块和羌塘地块拼贴碰撞过程的理解等均具有重要意义. 1995年在措勤盆地中采集了3条剖面、从奥陶纪至第四系不同地质年代地层岩石标本共计2500块. 通过岩石密度测试, 获得了研究区不同地质年代岩石密度测量结果. 结果表明, 岩石由老到新密度变化范围为278～253 g/cm3;各相邻地质时代间岩石密度差基本上为010 g/cm3, 白垩与侏罗、二叠与三叠之间岩石密度差最大为012～013 g/cm3 在措勤盆地内不同构造单元间岩石密度存在明显的纵横向非均一性.     

改进的二维数值波浪水槽在波浪破碎中的应用

Song和Banner（2002,简称SB02）利用二维数值波浪水槽（Drimer和Agnon开发,并被Segre改进,简称DAS）研究了深水及中等水深下波群破碎,并依据波群内部能量调制和演变特性提出一个新的波浪破碎阈值.本文利用两个DAS改进模型对SB02的波浪破碎结果进行检验和比较,并研究底面斜坡坡度对SB02破碎判据的影响,其中第一个改进模型（简称MDAS1）修正了DAS中某些积分的计算错误,第二个改进模型（简称MDAS2）在自由表面上用三阶元取代原来的线性元.研究表明： MDAS1和DAS的结果非常一致;而MDAS2和MDAS1相比,波浪临界破碎时的造波板振幅、破碎时刻和局部能量极大值的最大平均变化率δ_max都会发生变化,但MDAS2仍然符合SB02提出的破碎阈值.由MDAS1模拟中等水深下波群在坡度为1∶500、1∶300、1∶150和1∶100斜坡上的破碎结果表明：随着斜坡变陡,波群的局部能量极大值μ增大,δ_max在临界非破碎情况下微弱变小,在临界破碎情况下急剧增大,SB02提出的破碎阈值在中等水深下坡度小于1∶100的斜坡上仍然有效.