声波方程频率域有限元参数反演

推导出频率域有限元声波正演方程,为了消除边界反射,将Clayton-Engquist旁轴波动方程吸收边界条件引入频率域,并对有限元刚度矩阵和质量矩阵进行压缩存储,利用广义共轭梯度法求解有限元方程获得正演解.在此基础上,推导出在某一频率下波场数据残差δU与单元物性参数修改量δλ之间关系的Jacobi矩阵,反演方法允许利用地面二维炮集全波场资料与给出初始模型参数的正演值的差值δU,迭代求得δλ.由于计算机内存的限制,方法计算不允许有过多数目的未知数个数,因此还提出了对同一介质物性单元的Jacobi矩阵元素进行压缩组装的措施,从而使反演的未知量个数减少,结合采用共轭梯度迭代法,使得只需利用有效波频段的少数一些频率即可进行迭代反演.正演和反演理论模型的数值模拟结果表明方法是有效的.     

声波方程频率域有限元参数反演

推导出频率域有限元声波正演方程,为了消除边界反射,将Clayton-Engquist旁轴波动方程吸收边界条件引入频率域,并对有限元刚度矩阵和质量矩阵进行压缩存储,利用广义共轭梯度法求解有限元方程获得正演解.在此基础上,推导出在某一频率下波场数据残差δU与单元物性参数修改量δλ之间关系的Jacobi矩阵,反演方法允许利用地面二维炮集全波场资料与给出初始模型参数的正演值的差值δU,迭代求得δλ.由于计算机内存的限制,方法计算不允许有过多数目的未知数个数,因此还提出了对同一介质物性单元的Jacobi矩阵元素进行压缩组装的措施,从而使反演的未知量个数减少,结合采用共轭梯度迭代法,使得只需利用有效波频段的少数一些频率即可进行迭代反演.正演和反演理论模型的数值模拟结果表明方法是有效的.     

基于改进声波方程和MCPML边界的频率域高精度正演模拟

数值频散和边界反射是频率域模拟时需要解决的两个重要问题.然而,受计算效率和分解阻抗矩阵时的内存占用量的制约,提高有限差分算子长度或增加有限差分网格数目均不是提高频率域模拟精度的最优解决方案.本文首先分析了数值频散产生的理论机制,在此基础上,推导了一种"波数补偿"的声波方程表达式来压制数值频散,并给出其物理意义,有效地改善了数值频散问题,提高了模拟精度;在边界问题上,本文采用多轴卷积完全匹配层（MCPML）边界条件代替传统的完全匹配层（PML）边界条件,快速吸收边界内的残余能量,压制边界反射.结合改进声波方程和MCPML边界条件,给出了一种高精度的频率域声波方程有限差分格式.数值模拟结果表明,在不增加计算量和内存占用量的前提下,本文研究的方法、正演精度高、波场模拟清晰、无干扰反射,是一种可靠高效的频率域模拟方法.     

基于加权平均导数的频率-空间域正演模拟及GPU实现

传统基于旋转坐标系的频率-空间域正演模拟方法仅适用于方形网格,而实际生产中矩形网格广泛存在,本文提出一种适用性广的正演差分算子,不仅适用于方形网格而且适用于矩形网格. 通过综合运用平均导数法、加速项加权平均、模拟退火法压制频散和减少单个波长所需网格点数,从而提高算法精度和减少计算量. 在该方法的基础上采用不完全LU分解作为求解Helmholtz方程的预条件,并利用图形处理器加速计算速度,很大程度上提高了频率域正演的效率.     

基于静主元消元法的频率域波动方程正演(英文)

频率域波动方程正演是求解一个大型线性稀疏方程组问题,其受到计算效率和内存存储问题的限制。常规的高斯消元法不能满足大型数据的并行计算,本文提出基于静主元消元法(GESP)进行稀疏矩阵LU分解和多炮有限差分正演,该方法不仅提高了稳定性,更有利于单频点内LU分解的分布式并行计算。通过Marmousi模型模拟试验,单频波场和转化到时间域地震剖面的试验表明模拟精度和计算效率得到提高,节约并充分利用内存,为波形反演奠定基础。     

频率域全波形反演中关于复频率的研究

Laplace-Fourier域全波形反演可以利用简单的初始模型,从缺失低频信息的地震数据中得到长波长速度模型.Laplace-Fourier域全波形反演等价于本文的复频率全波形反演,但二者的实现方式不同,因此研究复频率全波形反演,可以为二者的对比研究并发展更有效的方法奠定重要基础.本文首先比较用线性增加模型作为初始模型时几个包含不同高低频成分的频率组的反演效果,再比较结合复频率之后各个频率组的反演效果,从简单模型和复杂模型的测试中都可以看出这种复频率+频率反演的方式对反演效果有明显改善.     

基于非规则网格声波正演的时间域全波形反演

全波形反演是地震资料处理中速度建模的有力工具,相比层析成像等速度建模方法它能够得到速度场的更高频成分.本文给出了基于声波方程格子法正演的时间域全波形反演方法,该方法用非规则、非结构化的三角网格来离散计算区域及模型参数,能实现网格粒度与反演分辨率在空间上的自动匹配,内存需求少,计算效率高;采用L-BFGS优化方法,以分频段变网格的方式实施多尺度反演.以二维Overthrust模型进行了速度反演数值测试,显示了该方法的高效性和潜力.     

用于声波方程数值模拟的时间-空间域有限差分系数确定新方法

声波方程数值模拟已广泛应用于理论地震计算,同时构成了地震逆时偏移成像技术的基础.对于有限差分法而言,在满足一定的稳定性条件时,普遍存在着因网格化而形成的数值频散效应.如何有效地缓解或压制数值频散是有限差分方法研究的关键所在.为精确求解空间偏导数,相继发展了高阶差分格式优化方法和伪谱方法.近期,为更好地缓解数值频散,提出了时间-空间域有限差分方法,该方法采用了泰勒展开近似方法来确定有限差分格式系数,因而只能保证在一定的小范围内很好的拟合波场传播规律.为进一步压制数值频散效应,本文引入了时间-空间域特定波数点满足频散关系的方法,根据震源、波速和网格间距确定波数范围,同时考虑了多个传播角度,然后建立方程确定了相应的有限差分格式系数,使得差分系数能在更大范围符合波场传播规律.通过频散分析和正演模拟,验证了本文方法的有效性.     

起伏地形下线源频率域电磁场二维正演模拟

为了研究地形对线源频率域电磁测深测量结果的影响,本文介绍了起伏地形下的线源频率域电磁场的二维正演模拟方法.在正演模拟过程中采用有限单元法,首先为了模拟起伏地形,用三角形单元对研究区域进行网格剖分;然后再对每个单元进行线性插值、积分、总体合成;最后通过求解线性方程组得出地表的电磁响应.文章最后给出了山谷与山脊模型的数值模...     

频率域航空电磁法一维正演与探测深度

计算了偶极一偶极方式均匀半空间的频率域航空电磁响应及层状模型的相对异常响应,阐明了大地电导率、磁化系数,以及飞机飞行高度、探测装置、收发距对电磁响应的影响,计算结果说明了频率域航空电磁法的探测能力和探测条件．分析了三层模型的相对异常响应,给出了基于层状模型确定探测深度的方法．在水平共面方式下,收发距8m,飞行高度30m时,在3～4ppm噪声水平条件下,100Ωm大地探测深度为120m．     

基于广义旋转法双九点格式标量波方程数值模拟

前人虽然基于传统旋转法提出了四阶精度最优17点差分格式,用于提高频率域地震波场数值模拟精度,但其仅适用于等网格间距的情形.这大大限制了该格式的使用范围.为了进一步提高17点有限差分格式的数值精度并将其推广到矩形网格,本文基于二阶精度有限差分算子利用广义旋转法提出了双九点格式,由于其差分格点与前人17点格式在分布上一样,所以也可称为二阶精度最优17点格式,但由差分格式构造原理上来讲,称其为双九点格式更妥.前人四阶精度17点格式仅为本文等网格间距情形时的特殊情况,本文方法单位波长网格点数仅需要2.2个即可.本文格式在继承传统旋转法良好几何旋转性质的同时,拥有平均导数方法适用于矩形网格的特点,和平均导数法所得的广义17点格式相比,本文格式数值精度更高,数值频散抑制性能和差分算子对称性更好.同时,本文双九点格式方法和思想对于后人借助传统九点格式的构造方法将其扩展到17点格式求解各类波动方程具有十分重要的意义.

     

Optimized experimental design for seismic full waveform inversion: A computationally efficient method including a flexible implementation of acquisition costs

Optimized experimental design aims at reducing the cost of a seismic survey by identifying the optimal locations and amounts of sources and receivers. While the acquisition design in the context of seismic imaging applies criteria like fold, offset and spatial sampling, different attributes such as the sensitivity kernels are more relevant for seismic full waveform inversion. An ideal measure to quantify the goodness of an acquisition design relies on the eigenvalue spectrum of the approximate Hessian matrix, but this technique is computationally too expensive for practical use. A more affordable goodness measure has been proposed in the past, but we demonstrate that this measure is inappropriate for target‐oriented optimized experimental design. To address those issues, we derived a sequential receiver‐based procedure using a goodness measure based on the determinant of the approximate Hessian matrix. We show with numerical tests that it efficiently provides an optimized design for target‐oriented as well as for extensive full waveform inversion. This design allows a better reconstruction of the subsurface than an evenly spaced acquisition geometry. Furthermore, the optimization algorithm itself can easily be parallelized, therefore making it attractive for applications to large‐scale three‐dimensional surveys. In addition, our algorithm is able to incorporate variable costs, representing any kind of acquisition‐related costs, for every individual source location. The combined optimization with respect to the information content of sources and to the true cost will allow a more comprehensive and realistic survey planning and has a high potential for further applications.     

变密度声波方程多参数全波形反演策略

多参数全波形反演中各参数之间的相互耦合增加了反演的非线性程度.通过分析各参数之间的相互影响,提出合理的多参数反演策略是解决该问题的有效途径.本文从变密度声波方程出发,首先研究了密度在速度反演中的重要作用,然后分析了速度对密度反演的影响程度,进而提出了一种有利于速度、密度分步联合反演的策略.第一步,利用给定的初始模型对速度、密度进行同时反演,得到比较可靠的速度反演结果;第二步,利用第一步反演得到的速度和给定的初始密度作为初始模型,继续进行双参数同时反演,这样可以同时得到比较可靠的速度、密度反演结果.为了进一步提高反演精度,将第二步反演得到的速度、密度作为初始模型,再进行下一轮双参数联合反演.二维理论模型实验结果充分说明了本文提出的这种反演策略的有效性.     

Acoustic full waveform inversion of synthetic land and marine data in the Laplace domain

Elastic waves, such as Rayleigh and mode‐converted waves, together with amplitude versus offset variations, serve as noise in full waveform inversion using the acoustic approximation. Heavy preprocessing must be applied to remove elastic effects to invert land or marine data using the acoustic inversion method in the time or frequency domains. Full waveform inversion using the elastic wave equation should be one alternative; however, multi‐parameter inversion is expensive and sensitive to the starting velocity model. We implement full acoustic waveform inversion of synthetic land and marine data in the Laplace domain with minimum preprocessing (i.e., muting) to remove elastic effects. The damping in the Laplace transform can be thought of as an automatic time windowing. Numerical examples show that Laplace‐domain acoustic inversion can yield correct smooth velocity models even with the noise originating from elastic waves. This offers the opportunity to develop an accurate smooth starting model for subsequent inversion in the frequency domain.     

一种优化的频率域三维声波有限差分模拟方法

为提高频率域有限差分（FD,finite-difference）正演模拟技术的计算精度和效率,基于旋转坐标系统的优化差分格式被广泛应用,但是只应用于正方形网格的情况.基于平均导数法（ADM）的优化差分格式,应用于正方形和长方形网格模拟.这些频率域有限差分算子,各自具有不同的差分格式和对应的优化系数求解表达式.本文基于三维声波方程发展了一种新的优化方法,只要给定FD模板形式,可直接构造频散方程,求取FD模板上各节点的优化系数.此方法的优点在于频率域FD算子的优化系数对应各个节点,可扩展优化其他格式.运用此优化方法,计算得到了不同空间采样间距比情况下27点和7点格式的优化系数.数值实验表明,优化27点格式与ADM 27点格式具有相同的精度,优化7点格式比经典的7点格式具有更小的数值频散.

     

频率域波动方程正演基于多重网格预条件的迭代算法研究

频率域全波形反演是重要的地震成像方法,而频率域波动方程数值模拟是频率域全波形反演的基础.对于大规模的问题,由于受存储和计算量的限制,基于LU分解的直接方法一般不再适用,而是采用迭代方法.基于多重网格预条件的双共轭梯度稳定化方法是一种重要的迭代方法.本文重点讨论了多重网格预条件求解过程中的松弛因子选择方法,研究结果表明,(1)对于一般选取的松弛因子,随模型复杂性的增加,所能计算的重数逐渐下降,方法的实用性也随之下降;(2)对于复杂模型,采用局部模式分析方法选取松弛因子,提高了所能计算的重数,保证了多重网格方法的收敛性和实用性.这些研究成果对基于多重网格预条件的迭代算法的实际应用具有重要意义.     

基于声学全波形反演的油气藏地震成像方法

岩性油气藏在我国天然气勘探开发中占有非常重要的位置,其分布区域的成像是合理布设井位,提高钻井成功率的关键之一.本文首先基于地下介质的声学近似和波场回传理论,利用频率域单程声波方程延拓计算地震波场,进行全波形反演,获得地层密度和体积模量的定量成像,并依据油气藏物性特征和流体饱和多孔介质岩石物理模型,简要讨论了孔隙度和饱和度与密度及体积模量的关系,明确了地震油气藏成像新概念.在此基础上,定义了基于流体体积模量和孔隙度的成像函数,进行油气藏成像.理论模型计算表明该方法是可行的.通过对西部地区某气田二维地震数据处理,实现了致密砂岩气藏成像,钻井结果证实了气藏区域成像位置的准确性和方法的有效性.     

黏弹性VTI介质微地震正演模拟与震源机制全波形反演

微地震矩张量能够描述储层岩石破坏的细节,有助于了解水力压裂储层的地质力学特征,震源机制矩张量反演对于非常规油气开发具有重要的作用.水力压裂通常在页岩油气储层中进行,震源区介质表现出速度和衰减各向异性,需要研究衰减各向异性介质中微地震信号的传播规律.基于观测到的微地震记录,通过波形反演能够获得矩张量,忽视震源区介质的衰减和速度各向异性会导致震源机制反演结果的误差.本文提出了一种考虑地层各向异性吸收衰减作用的震源机制全波形反演方法,对于黏弹性VTI介质,采用GPU并行的伪谱法计算合成地震记录,通过全波形反演方法匹配合成波形和记录波形,借助优化算法获得震源机制矩张量反演结果.本文通过实验测试验证了该方法的有效性,分析了震源区各向异性速度和衰减参数、噪声以及观测系统等对于微地震震源机制各分量及成分反演结果的影响,研究表明考虑模型中的黏弹性各向异性对于获得可靠的震源机制反演结果非常重要.

     

The Numerical Modeling of 3-D Elastic Wave Equation Using a High-Order,Staggered-Grid, Finite Difference Scheme

This article provides the application of the high-order, staggered-grid, finite-difference scheme to model elastic wave propagation in 3-D isotropic media. Here, we use second-order, temporal-and high-order spatial finite-difference formulations with a staggered grid for discretization of the 3-D elastic wave equations of motion. The set of absorbing boundary conditions based on paraxial approximations of 3-D elastic wave equations are applied to the numerical boundaries. The trial resuits for the salt model show that the numerical dispersion is decreased to a minimum extent, the accuracy high and diffracted waves abundant. It also shows that this method can be used for modeling wave propagation in complex media with the lateral variation of velocity.