三维方位各向异性介质数值模拟及波场分析

采用交错网格技术将速度-应力方程中的速度对时间的导数转化为应力对空间的导数, 将弹性波动方程表示为与二阶双曲方程等价的一阶应力-速度公式, 以实现三维三分量地震波场模拟。对获得的波场快照、VSP记录图像和地面记录图像进行波场分析, 发现在波场图像中存在明显的拟P波、拟快横波和慢横波, 还出现了横波分裂、横波分裂盲区及波面三分叉等地震波在方位各向异性介质传播时产生的特殊现象。研究结果表明, 用交错网格三维模拟方法研究方位各向异性介质对方位各向异性介质中地震波传播反演能起到很强的辅助作用。     

基于ADIPI的单程波三维VSP正演模拟方法

三维VSP正演模拟在三维VSP观测系统设计、三维VSP波场分析及三维VSP偏移成像方法研究中均有重要的作用。以三维单程波动方程为基础,采用基于正交方向加插值(ADIPI)的傅里叶有限差分(FFD)算子,实现了三维VSP正演模拟。克服了对三维算子的双向正交分裂所导致的方位各向异性误差,既保证了模拟精度,又提高了计算效率,还可根据实际需要单独模拟上行波或下行波。模型试验结果证明了方法的有效性。      

基于傅氏变换有限差分的三维波动方程正演模拟并行算法

傅氏变换有限差分(即FFD)混合波场延拓法波动方程正演模拟精度高,但三维FFD因其计算复杂、数据存储巨大而难以推广。这里提出三维FFD一步法正演模拟并行算法,把一个串行的大规模频率循环分割成并行的多个小规模频率循环,并发执行多个波场延拓来提高运算速度,并通过由给定的资源设定并行数,以及适时重排三维数据,大大增强了算法的适应性和时效性。通过对比并行和非并行正演实验,验证了算法的有效性。     

基于球面波势函数基本解方法的弹性波三维散射与动应力求解

针对弹性波三维散射和动应力集中问题,提出一种基于球面波势函数的基本解方法(SWP-MFS)。方法基于单层位势理论,采用膨胀波和矢量剪切波球面波势函数构造散射波场,根据边界条件建立边界积分方程并配点求解。精度检验表明,该方法具有良好的数值精度及稳定性。以无限空间中三维夹杂体及空洞对平面P、SV波的散射为例,进行方法展示,并揭示了三维夹杂体周围弹性波散射的一些重要规律。结果表明:三维夹杂体随其内部介质刚度降低,位移谱曲线震荡越加强烈。三维球形空洞在P波和SV波水平入射下应力集中规律不同,前者在顶部和底部及附近更明显,后者在纵截面两45°角线附近更明显。与以往的集中力源函数相比,新的波场构造基本解更为简洁易用,为三维弹性波动分析提供了一种新型无网格数值方法。     

频率域单程方程三维叠前正演中的波场替换

利用定位原理进行三维叠前正演,仅靠单程声波方程的延拓即可形成复杂地质条件下的正演记录,运算效率高无多次反射出现。但速度模型中对于过大或过小的速度常使波场在延拓时有频率和波数成分的损失,这种损失引起波场畸变并严重影响正演记录的质量。本文采用波场替换技术,在每次延拓时用零相位子波形成一个同时保留了原波场的动力学特征与空间位置信息的新波场,然后用新波场取代原畸变波场并参与正演记录合成。在频率域单程方程三维叠前正演中特别适合做波场替换,因为震源脉冲与接收响应(均可视为点脉冲)的延拓波场在形态上相似,而且在延拓波场中每道记录之振幅包络只有一个极值点。理论试算结果表明,采用波场替换技术后最终正演记录质量比替换前有了很大改善。      

波动方程显式短算子三维正演模拟

通过对三维波动方程的显式差分法的研究,并对模小于1.0的稳定性约束作线性化处理时引入加权因子,提出了一个基于二次规划方法的一维显式短算子设计方法.与以往的显式算子设计方法的不同之处,在于对传播区内算子的模也引入了最大值限制,这样可更严格地保证深层波场延拓的稳定性.同时,给出了基于一维显式算子及McClellan变换的三维波场深度延拓方法,大大减少了计算量,提高了计算速度,并能更好地处理介质横向非均匀性.     

非线性波浪变形计算的三维边界元方法

采用0-1混合型边界元剖分计算域边界面,以提高边界元方法模拟三维波场波浪变形问题的数值计算精度。采用Spongelayer阻尼消波和Sommerfeld放射条件相匹配的边界处理方式,以消除计算域内的反射波。借助时域内的波面位置追踪,实现了三阶Stokes波在数值波动水槽中的波浪变形计算,其结果吻合于理论值。     

2.5维各向异性介质中多波波场正演模拟与波场分析

完全3维弹性波数值模拟计算时间长,并且占用庞大的计算资源,这不利于在计算机配置不高的情况下进行科学研究,而二维弹性波数值模拟又达不到三维模拟的精度;同时,当模型、波场空间分布比较复杂时,传统的3维波动方程拟谱法模拟结果比较差.因此,在较高数值精度的一阶应力-速度弹性波动方程的基础上,采用傅氏变换仅计算y方向的偏导数,利用有限差分方法计算x、z方向和时间的偏导数,即利用2.5维数值模拟方法,实现在二维介质中计算三维弹性波场.最后通过数值模拟实现了在各向异性介质中多波波场的数值模拟,验证了2.5维方法是一种高精度、高效率、且能适应复杂模型的正演模拟方法,通过波场分析进一步认识了波在各向异性介质中的传播规律.     

地震波斜入射情形下水平成层半空间自由场的时域计算

在应用有限元模拟地震工程中的波动散射问题时，为了计算边界节点的运动和实现波动能量的输入，必须首先确定边界节点的内行波场即背景水平成层半空间的自由场。利用显式有限差分法的内节点位移计算公式和基于水平成层介质波动传播特点建立的相邻节点间自由场运动的关系式，给出了计算水平成层半空间自由场的时城方程(以入射侧边界节点为例)。本方法是显式有限元意义上的数值精确解，可应用于近场波动数值模拟中内行波场与散射波场的时城同步模拟。     

波动方程角度域共成像道集

针对基于波场深度递推的波动方程叠前深度偏移成像方法难以准确地给出如Kirchhoff积分叠前深度偏移成像方法的偏移距域共成像道集的不足,在分析研究现有的各种波动方程偏移成像共成像道集方法的基础上,利用波场外推的单平方根算子和波场的窗口Fourier框架展开与重构方法,提出一种局部角度域共成像道集方法——成像点处反射角共成像道集方法.把这种角度域共成像道集方法应用于国际标准的Marmousi模型数据和一条实际二维地震数据都取得了理想的结果.提出的波动方程反射角度域共成像道集方法可为进一步的叠前偏移数据振幅随角度变化分析和偏移速度分析工作提供基础.     

复杂地质构造波动方程数值模拟

利用全声波方程进行地震波场的数值模拟，虽然可以计算全声波波场值，但是也常常会出现层间多次波，给资料解释造成一定的困难。作者在本文中根据无反射声波方程，采用有限差分数值解法，实现了自激自收时间剖面的制作，避免了层间多次波的产生。本方法不但允许速度有纵向变化，而且允许速度有横向变化，这使得模拟复杂地质构造的地震响应成为可能。实际计算结果表明，该方法是一种行之有效的自激自收时间剖面的计算机数值模拟方法。     

不同损伤程度下岩石力学参数变化的声波测试

声波波速变化可有效表征岩体损伤程度。通过对岩样进行人工预损,利用声波检测标定岩样的不同损伤程度,然后通过三轴压缩试验来研究不同损伤程度下岩石的力学特性,建立了声波速度下降幅度与岩体力学参数变化幅度间的关系。研究表明,当岩样的声波速度下降5%～8%时,黏聚力c值降低15%～25%,内摩擦角? 值则升高14%～32%,因此,用声波速度的下降幅度来描述岩体参数的变化是可行的。根据现场实测的岩体损伤区内的声波速度的变化值,可以从一定程度上估计岩体参数的跌落情况,从而更进一步地说明损伤区内岩体的承载力。     

定向延迟组合激发正演照明方法及应用

基于波动方程照明分析原理和组合震源激发理论,对二维声波波场进行规则网格有限差分正演模拟,并给出组合震源照明度的计算方法,对于多个震源组合激发,通过改变相邻两个震源之间的激发时间,激发所产生的地震波场会沿着某一确定的方向传播,可以增强地下特定的区域的地质体的照明分析。模型试验结果表明,震源数目越多,激发的地震波最大能量指向越集中,改变震源之间的延迟时间,可以调整波场的传播方向,该方法对于分析简单的二维模型以及复杂的逆冲推覆构造模型和marmousi模型的照明能量分布均适用,对于指导炮点的设计有借鉴意义。     

二维声波方程稳健迭代速度反演

从二维声波方程初、边值问题出发,通过引进一个广义幂指数误差分布函数,以及对波动方程的Ｌｉｐｐｍａｎ－Ｓｃｈｗｉｎｇｅｒ方程的解进行Ｂｏｎ近似,导出一个残差加权迭代最小二乘（稳健迭代）算法,进而实现对地下介质剖面的速度结构以演计算。模拟计算表明,本方法具有较高的精度和较强的抗干扰能力,是求解声波方程反演问题的一种有效方法,同时也为地下介质的速度分布成像提供一种新的技术。     

等时叠加波动方程叠前正演

非零炮检距地震正演模拟在复杂区叠前地震资料处理和解释中有着重要意义。通常使用射线追踪法和全程波动方程法来实现这一模拟。通过提出等时叠加原理和数学检波器表达式，形成了非零炮检距地震正演的新一类方法——单程波动方程法。该方法与射线追踪法相比能保持波的动力学特征，正演结果与实际地震记录相似性好。并且在计算过程中，人工干预的程度低，操作简便。与全程波动方程法相比，该方法计算效率高，且不产生直达波、多次波等干扰，信噪比高，与目的层相对应的一次波突出，波型识别难度不大。因此，单程波动方程法特别适合于复杂油气藏反射地震资料的正、反演研究。     

二维随机介质对声波传播影响

地层的形成是随机性和不确定性,用基于随机理论的方法来描述更为适合。利用随机介质建模的方法来描述地下介质中的小尺度非均匀性。为了考察小尺度非均匀性介质中声波的传播特性,建立了不同尺度的二维随机介质模型,利用有限差分法模拟随机介质中的声波场。分别对比不同自相关长度条件下地震记录及其波形与振幅谱,研究这些特征量与随机介质模型的自相关长度的关系。结果表明,自相关长度作为描述小尺度非均匀性尺度的参量,对声波在随机介质中传播影响很大。     

复杂地表地震资料叠前深度偏移成像

分析了复杂地表地区复杂地震波场的形成原因,探讨了基于高角度时空域单程波动方程适用于起伏地表之下构造成像的逆时叠前深度偏移方法。从声波方程有限差分法合成起伏地表上的炮集记录知,当激发点位于低速层中,共炮点道集中低速层表面和高速层表面接收到的信号强度相差较大:低速层表面的信号很强,而高速层表面的信号很弱,低速层中产生了较强的槽波。将该逆时叠前深度偏移方法应用于起伏地表地震波场的偏移处理。虽然在偏移成像前既没有压制与低速层有关的槽波,又没有压制随机噪声,但偏移剖面上界面清晰、位置正确,断层面也得到了很好的聚焦。