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.     

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.     

二维地震波场的组合型紧致有限差分数值模拟

地震波场数值模拟在地球物理勘探和地震学中具有重要的支撑作用.本文将组合型紧致差分格式用于声波和弹性波方程的数值模拟中.根据泰勒级数展开和声波方程,建立了位移场时间四阶离散格式,并将组合型紧致差分格式用于位移场空间导数的求取,然后对该差分格式进行了精度分析、误差分析、频散分析和稳定性分析.理论研究结果表明：①该差分格式为时间四阶、空间六阶精度,与常规七点六阶中心差分和五点六阶紧致差分相比,具有更小的截断误差和更高的模拟精度;②每个波长仅需要5.6个采样点,且满足稳定性条件的库郎数为0.792,可以使用粗网格和较大时间步长进行计算.所以该方法具有占用内存少、计算效率高和低数值频散等优势.最后,本文进行了二维各向同性完全弹性介质的声波和弹性波方程的数值模拟,实验结果表明本文提出的方法具有更高的计算精度,能够大幅度的节约计算量和内存需求,对于三维大尺度模型问题具有更好的适应性.     

基于横向各向同性BISQ方程的弹性波传播数值模拟

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. 近年来，利用同时处理这两种力学机制的BISQ(Biot-Squirt)模型，弹性波衰减和频散的问题已被广泛研究；然而基于BISQ方程的波场数值模拟尚未见到公开的报道．本文从BISQ方程出发，利用交错网格方法对横向各向同性孔隙介质中不同频率和相界情况，以及双层介质中的弹性波传播进行数值模拟，研究了在同时考虑两种流动机制作用情况下地震波和声波的传播特性及传播过程中出现的各种波动现象．      

横向各向同性介质紧致交错网格有限差分波场模拟(英文)

针对有限差分数值模拟的频散问题,本文将交错网格技术和紧致差分格式相结合,推导了横向各向同性介质一阶速度一应力波动方程的紧致交错网格差分格式;对比分析了紧致交错网格差分格式、交错网格差分格式以及紧致差分格式的截断误差主项,并利用Fourier误差分析方法分析了上述三种差分格式的近似精度;在此基础上,分别采用上述三种差分格式进行了波场数值模拟。结果表明,当差分方程阶数相同时,紧致交错网格差分格式截断误差最小,数值频散最弱,差分精度最高,证实了该方法的有效性。     

井眼条件下弹性波传播问题的三维有限差分数值模拟

推导了二阶改进Higdon吸收边界条件．利用空间上具有四阶精度、时间上具有二阶精度的中心差分方法。数值模拟了几种复杂井眼条件下的波场．给出了正交各向异性介质地层条件和椭圆井眼条件下波场模拟的结果．考查并分析了单极子源和偶极子源条件下的波场特性，所得结论与弹性波传播理论一致．通过计算表明，利用改进的Higdon吸收边界条件，声波测井三维模拟程序可用于复杂井眼各向异性地层条件的波场传播模拟．     

Biot介质中P波与井孔的耦合

依据全频域的Ｂｉｏｔ理论,推导了在Ｂｉｏｔ的流体饱和孔隙介质中,平面Ｐ波垂直井轴入时与井孔相互作用所产生的井内声压场的解析表达式．通过数值计算,对井内声压场出现的共振响应进行了分析．重点研究在不同频率段渗透率对井内声压的影响及偏离井轴记录时声压的变化．结果表明,在井内测量地震波声压,全频域都有明显影响;测量大于５００ＨＺ的地震信号,检波器偏离井轴放置以及方位不同的影响不能忽略;渗透率变化对井内声压的影响程度最大不超过弹性固体情况（零渗透率）下相应声压的１／５．     

Biot介质中P波与井孔的耦合

依据全频域的Ｂｉｏｔ理论，推导了在Ｂｉｏｔ的流体饱和孔隙介质中，平面Ｐ波垂直井轴入时与井孔相互作用所产生的井内声压场的解析表达式．通过数值计算，对井内声压场出现的共振响应进行了分析．重点研究在不同频率段渗透率对井内声压的影响及偏离井轴记录时声压的变化．结果表明，在井内测量地震波声压，全频域都有明显影响；测量大于５００ＨＺ的地震信号，检波器偏离井轴放置以及方位不同的影响不能忽略；渗透率变化对井内声压的影响程度最大不超过弹性固体情况（零渗透率）下相应声压的１／５．     

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.     

弹性介质中瑞雷面波有限差分法正演模拟

为研究瑞雷面波的形成机理及传播规律,促进瑞雷面波资料处理方法的发展,本文根据弹性波方程,采用交错网格有限差分数值求解算法,对浅层各向同性弹性介质进行了包括瑞雷面波和体波在内的全波场模拟. 提出了变系数吸收边界条件并将之应用于正演模拟,使边界条件的处理简单而高效,同时给出了角点的处理方法. 对工程勘察中常见的连续和层状介质模型进行了模拟,获得了更加接近实际情况的地震记录. 结合模拟记录,探讨了瑞雷面波的形成条件,同时讨论了震源埋深对面波能量的影响.     

Numerical simulation of elastic wave propagation based on the transversely isotropic BISQ equation

Introduction More real models are being developed by the modern seismology. As we all know, the earth is not a simple elastic body. Oil and gas reservoir, ground surface, seashore zone, sea bottom layer, etc, are porous solid media with fluids. It has been confirmed that there are two main fluid flow mechanisms in these media (Dvorkin, Nur, 1993), i.e., the Biot flow mechanism (Biot, 1956, 1962) based on the macroscopic property and the Squirt-flow mechanism (Mavko, Nur, 1979) based on the …     

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.     

基于纵横波分离FCT弹性波正演频散压制

有限差分方法被广泛应用于地震波数值模拟和传播.传统有限差分法采用Taylor级数展开实现空间偏导数的差分, 但该方法会因为网格离散化而产生数值频散, 降低地震波模拟的精度.优化差分系数正演方法能在一定程度上压制部分频散, 然而纵、横波速度取值差异较大, 在弹性波有限差分正演模拟中, 在满足纵波最大速度确定的稳定性条件下, 浅层低速横波波场往往会产生明显的频散现象.为了削弱弹性波场正演数值频散, 提高数值模拟精度, 本文首先采用优化差分网格系数降低数值频散, 然后再采用通量校正传输(Flux-Correction Transport, FCT)法来进一步压制弹性波场有限差分数值频散.常规的FCT法是对弹性波场直接进行频散压制, 但由于弹性波场中纵、横波速度差异明显, 横波波场频散明显强于纵波, 为了压制横波波场的数值频散, 往往需要选取较大的频散压制参数, 但这会使频散较弱的纵波产生假象.因此本文提出基于纵横波分离FCT弹性波正演频散压制方法, 对分离之后的纵横波场分别选择合适的频散压制参数进行通量校正, 可以有效压制数值频散, 削弱纵波FCT产生的假象.通过理论分析和数值算例发现, 本文方法能有效削弱弹性波场有限差分数值频散, 相对于常规FCT方法没有假象产生.

     

具有离散裂缝空间分布的二维固体中地震波传播的有限差分模拟

结合有限差分方法和等效介质理论,模拟了离散分布裂缝介质中地震波的传播. 基于等效介质理论,利用二维有限差分实现封闭裂缝的离散分布;裂缝可以处理成固体岩石中的高度柔性界面,并可以用线性滑动或者位移间断模型进行裂缝的物理描述. 对于含有多组裂隙的破裂固体,其有效柔度可以认为是固体骨架背景柔度和裂缝附加柔度之和. 在一阶近似条件下,固体骨架和裂缝参数可以通过有效各向异性系数联系起来,有效各向异性系数决定了各向异性（裂缝效应）对于地震波传播的影响. 通过与射线理论方法的对比检验,说明本文提出的模拟方法的有效性,并通过几个数值算例说明本方法可有效模拟不同的裂缝分布效应. 结果表明,即使在裂缝密度很小的情况下,具有相同裂缝密度的不同的空间分布可以产生不同的波场特征. 同时,也验证了不同裂缝尺度对波长的不同影响,以及裂缝尺度具有幂率分布（分形）时,尺度对波场的影响. 最后得出结论：在运用建立在等效介质理论基础上的地震各向异性概念来描述裂缝固体的特征时,要倍加小心,等效介质理论中尚未合理处理的裂缝尺度和空间分布对波的传播特征具有重要的影响.     

Implementation of a high-order combined compact difference scheme in problems of thermally driven convection and dynamo in rotating spherical shells

We present an improved solution method for modeling thermally driven convection and dynamo in a rotating spherical shell. In this method, we introduce a high-order three-point combined compact difference scheme (CCDS) on non-uniform grid points in radius, while spherical harmonic expansion is conventionally performed in the angular direction. The governing equations in the spectral form are time-stepped together with the implicit CCDS up to the second derivative. To improve stability of the scheme, a boundary closure scheme is developed on non-uniform mesh. Numerical comparison with a published benchmark solution at moderate Ekman and Rayleigh numbers demonstrates that accuracy and convergence of the CCDS is fairly good and superior to the existing finite difference scheme using more stencil. With this scheme, we could more accurately solve problems of convection and also dynamo action in planetary core with less grid points.     

数值差分格式及格点设置对土壤温度模拟结果的影响

土壤温度是反映气候系统和生态系统能量循环的重要地球物理学参量,土壤温度的模拟精度直接影响着气候系统模式以及陆面物理过程模式的模拟结果.为了提高模式对土壤温度的模拟能力,本文利用土壤热扩散方程的傅里叶解析解定量研究了差分方案、格点设置以及时间步长对土壤温度模拟结果的影响;提出了一种优化的格点设置方案,并利用巴丹吉林沙漠观测数据检验了该方案的性能.研究结果表明:三种差分方案中,显式方案的模拟误差最小,Crank-Nicolson方案其次,隐式方案的模拟误差最大;每一种格点设置方案均存在一个使模拟结果误差最小的最优化时间步长;常用格点设置方案的最优化时间步长为5358 s,最小标准差为0.156 K,优化方案的最优化时间步长为1694 s,最小标准差为0.0465 K;取时间步长为1800 s时,采用常用格点设置方案,巴丹吉林沙漠10 cm深度土壤温度模拟结果的标准差为1.61 K,而采用优化方案,模拟结果的标准差降至0.21 K,改进效果明显.     

数值差分格式及格点设置对土壤温度模拟结果的影响

土壤温度是反映气候系统和生态系统能量循环的重要地球物理学参量,土壤温度的模拟精度直接影响着气候系统模式以及陆面物理过程模式的模拟结果.为了提高模式对土壤温度的模拟能力,本文利用土壤热扩散方程的傅里叶解析解定量研究了差分方案、格点设置以及时间步长对土壤温度模拟结果的影响;提出了一种优化的格点设置方案,并利用巴丹吉林沙漠观测数据检验了该方案的性能.研究结果表明:三种差分方案中,显式方案的模拟误差最小,Crank-Nicolson方案其次,隐式方案的模拟误差最大;每一种格点设置方案均存在一个使模拟结果误差最小的最优化时间步长;常用格点设置方案的最优化时间步长为5358 s,最小标准差为0.156 K,优化方案的最优化时间步长为1694 s,最小标准差为0.0465 K;取时间步长为1800 s时,采用常用格点设置方案,巴丹吉林沙漠10 cm深度土壤温度模拟结果的标准差为1.61 K,而采用优化方案,模拟结果的标准差降至0.21 K,改进效果明显.