基于LS-RSGFD方法优化的横向各向同性(TI)介质一阶qP波高精度数值模拟

为克服各向异性介质弹性波数值模拟中存在着计算量大和波场分离困难等局限,研究了声学近似的VTI介质和TTI介质一阶qP波数值模拟方法.首先对VTI介质弹性波方程进行声学近似,推导了VTI介质一阶qP波方程;然后基于精确的TTI介质频散关系,引入一个包含各向异性控制参数σ的新辅助波场,推导了稳定的TTI介质二阶耦合qP波波动方程,并通过引入波场的伪速度分量,推导了等价的一阶应力-速度形式.结合旋转交错网格有限差分(RSGFD)和基于最小二乘优化的有限差分(LS-FD)两种各具优势的方法,研究了最小二乘旋转交错网格有限差分(LS-RSGFD)方法,并用其数值求解VTI和TTI介质一阶qP波方程,然后通过构造其LS-RSGFD格式,实现了高精度的各向异性介质qP波波场数值模拟.数值模拟结果表明:TI介质一阶qP波方程能够准确地模拟各向异性介质中qP波的运动学特征,引入控制参数σ能够有效地减弱不稳定性问题,保证非均匀TTI介质中qP波场的稳定传播;利用优化的LS-RSGFD方法可以得到高精度的合成地震记录,同时还可以相对地提高计算效率.     

VTI介质qP波方程高精度有限差分算子

波动方程有限差分法是一种使用广泛的地震波数值模拟方法.但是有限差分法本身固有存在着数值频散问题,会降低地震波场模拟的精度与分辨率.为了克服常规有限差分算子的数值频散,本文针对VTI介质地震波数值模拟问题,构造了频率-空间域qP波波动方程高精度有限差分优化算子,根据最优化理论中高斯-牛顿法确定了高精度有限差分算子的优化系数.利用常规差分算子和高精度优化差分算子对归一化相速度的频散关系精度进行了对比分析,并对均匀各向同性介质和均匀VTI介质中的qP波地震波场进行了有限差分数值模拟,通过频散关系精度分析和波场数值模拟结果表明：有限差分优化算子具有较高的波场数值模拟精度,有效压制了传统有限差分算子数值模拟中的数值频散现象,提高了有限差分算子精度,为VTI介质频率-空间域qP波正演模拟奠定了基础.     

二维弹性及粘弹性TTI介质中地震波场数值模拟:四种不同网格高阶有限差分算法研究

本文利用交错网格、辅助网格、旋转交错网格、同位网格有限差分方法分别模拟了二维弹性TTI介质和二维黏弹性TTI介质中的地震波传播.在稳定性条件内,选用不同的网格间距及时间间隔,通过波场快照、合成理论地震图较为系统分析对比了这四种不同网格有限差分数值模拟在计算精度、CPU时间、相移、频散、以及保幅方面的优缺点.数值模拟结果表明:1)这四种不同网格有限差分算法都是很好的波场数值模拟算法;2)就CPU计算时间而言,旋转交错网格有限差分算法的计算效率最高;3)从计算精度来看,同位网格有限差分的计算精度最高;4)从振幅保护方面来看,四种网格的保护振幅的能力相当;5)相移方面,当网格间距增大时,交错网格和旋转交错网格有可能出现相移现象;6)频散方面,同位网格的频散现象不明显.     

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.     

基于优化有限差分和混合吸收边界条件的三维VTI介质声波和弹性波数值模拟

传统有限差分系数是通过泰勒级数展开求取的,这样导致所计算的频散曲线在大波数区域会产生较强的数值误差.针对二阶空间偏导数的显式有限差分离散,本文发展了一种新的优化差分系数方法：首先将泰勒级数展开与多点采样方法结合应用于空间频散关系,基于最大范数建立直观有效的优化目标函数,采用Remez算法求解该目标函数,从而获得最优化差分系数.利用优化有限差分方法求解三维垂直对称轴横向各向同性（VTI）介质中的声波和弹性波方程.另外,本文将二维混合吸收边界条件推广到三维VTI介质中,用于吸收人工截断边界反射;基于各向异性特征,合理调整了边界区域的速度值来提高吸收效果.考虑到三维情况下计算效率的问题,本文波场外推过程中采用图形处理器（GPU）取代传统的中央处理器（CPU）.数值精度分析表明,相比较于传统的泰勒级数展开方法,优化有限差分方法在大波数区域对频散误差的压制效果更明显.在三维均匀和修改的Hess VTI模型中的数值模拟实验证明了本文方法具有更高的精度与效率,混合吸收边界条件在三维VTI介质中具有良好的边界吸收效果.     

横向各向同性介质弹性波多分量叠前逆时偏移

随着油气勘探程度的提高,隐蔽油气藏在增储上产方面起到了重要作用,因此发展基于各向异性介质的多分量偏移方法是非常必要的.本文基于横向各向同性（VTI）介质,从二维弹性波速度\|应力方程出发,通过在时间上的二阶差分和空间上的交错网格高阶差分对方程进行离散,得到弹性波交错网格高阶差分的多分量逆时偏移算子.在激发时间成像条件的应用过程中引入Poynting矢量进行成像并消除逆时偏移所引起的低频干扰,在此基础上实现了VTI介质中二维弹性波叠前多分量逆时深度偏移.理论模型的偏移处理表明,该方法能够对地层进行准确成像,并可以消除逆时偏移所引起的低频噪声.     

三维VTI介质qP波方程频率空间域有限差分高阶加权算子

波动方程有限差分法是波场模拟的一个重要方法,为解决常规有限差分法存在着数值频散的问题,本文从具有垂直对称轴的三维横向各向同性(VTI)介质频率-空间域qP波动方程出发,在常规差分算子的基础上构造了适合三维VTI介质的频率空间域有限差分优化算子,然后利用最优化理论中的Gauss-Newton法求解了优化算子的系数,使差分方程的相速度与波动方程的相速度尽量吻合,从而在理论上使网格数值频散达到极小,精度对比分析及数值测试表明,有限差分优化算子具有较高的波场数值模拟精度,有效地压制了数值频散现象,为三维VTI介质频率一空间域qP波正演模拟研究提供了理论基础.     

二维各向异性介质中地震波场的高阶同位网格有限差分模拟

本文将DRP/opt MacCormack有限差分格式用于模拟二维各向异性介质中的地震波传播.DRP/opt MacCormack是一种同位网格下的差分格式,避免了传统的交错网格在计算各向异性问题时由于变量插值而导致的误差.而且相对于低阶同位网格差分格式,它具有低色散、低耗散的优点.此格式将中心差分算子分成前向和后向两个空间单边差分,然后在4-6步Runge-Kutta时间积分中使用单边差分组合.在具有垂直对称轴的横向各向同性（VTI）模型下,通过对比DRP/opt MacCormack有限差分和谱元方法的模拟结果,验证了前者具有很高的精度和稳定性.由于实际地质条件下TI介质的对称轴通常是倾斜的(TTI),本文在二维三分量框架下模拟TTI介质中的地震波场.结果显示横波分裂和切平面/反平面运动耦合的特征.数值实验表明DRP/opt MacCormack是一种有效的研究各向异性介质中地震波传播规律的差分格式.     

固体中非线性纵波一维数值模拟

分别采用四阶精度和六阶精度的中心差分格式，限定扰动（振幅）的取值在10-3m以内，进行了一维固体中非线性纵波传播的数值模拟，并通过两种格式对比性研究来保证差分格式的稳定性和收敛性．讨论了边界所输入正弦波的振幅、频率及介质非线性系数对非线性波的影响．模拟结果与位于生存周期之内近似解析解相符，并证实非线性波在传播过程中会发生波形畸变、产生倍频效应及谐波能量积累，而且这些非线性波动特征随输入振幅、频率和介质非线性系数（绝对值）的增大而增强．      

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.     

Numerical analysis of one-dimensional nonlinear acoustic wave

Numerical investigations on one-dimensional nonlinear acoustic wave with third and fourth order nonlinearities are presented using high-order finite-difference (HFD) operators with a simple flux-limiter (SFL) algorithm. As shown by our numerical tests, the HFDSFL method is able to produce more stable, accurate and conservative solutions to the nonlinear acoustic waves than those computed by finite-difference combined with the flux-corrected-transport algorithm. Unlike the linear acoustic waves, the nonlinear acoustic waves have variable phase velocity and waveform both in time-space (t-x) domain and frequency-wavenumber (f-k) domain; of our special interest is the behaviour during the propagation of nonlinear acoustic waves: the waveforms are strongly linked to the type of medium nonlinearities, generation of harmonics, frequency and wavenumber peak shifts. In seismic sense, these characteristics of nonlinear wave will introduce new issues during such seismic processing as Normal Moveout and f-k filter. Moreover, as shown by our numerical experiment for a four-layer model, the nonlinearities of media will introduce extra velocity errors in seismic velocity inversion.     

基于精细积分法的三维弹性波数值模拟(英文)

波动方程有限差分法是地震数值模拟中的一种重要的方法,对理解和分析地震传播规律、分析地震属性和解释地震资料有着非常重要的意义。但是有限差分法由于其离散化的思想,产生了不稳定性。精细积分法在有限差分法的基础上,在时间域采用解析解的表达形式,在空间域保留任意差分格式,发展成为半解析的数值方法。本文结合并发展了以往学者的成果,推导了任意精细积分法的三维弹性波正演模拟计算公式,并对其稳定性进行了数值分析。在计算实例中,实现了精细积分法二维和三维弹性波模型的地震正演模拟,对计算结果的分析表明,精细积分法反射信号走时准确,稳定性好,弹性波场相较于声波波场,弹性波波场成分更为丰富,包含了更多波型成分(PP-和PS-反射波、透射波和绕射波),这对实际地震资料的解释和储层分析有重要的意义。实践证明,该方法可直接应用到弹性波的地质模型的数值模拟中。     

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.     

地震槽波的数学-物理模拟初探

针对地震槽波在低速层的传播特性,开展了煤层内地震槽波勘探的数值模拟和物理模拟研究的初探工作.在数值模拟研究方面,采用交错网格有限差分法对煤层中的地震槽波进行三分量全波场模拟.基于波场快照和人工合成地震记录研究了不同模型中的波场特征和各种波型的传播规律.在物理模拟方面,通过选用不同配比的环氧树脂和硅橡胶类材料构建地震槽波物理模型,利用透射法和反射法观测系统获得了清晰的地震槽波记录以研究槽波的地震学特征.研究表明,在煤层内槽波的地震波场中,Love型槽波的能量小于Rayleigh型槽波的SV分量,大于Rayleigh型槽波的SH分量.相对于Love型槽波和Rayleigh型槽波的SH分量,Rayleigh型槽波的SV分量在围岩中的泄露能量较强.在煤层界面附近的围岩中,地震波仍以槽波形式传播,随着距离的增加能量逐渐衰减.随着煤层变薄,煤层槽波主频向高频方向移动,频散现象增强,传播速度增大.     

2008年青海大柴旦Mw6.3地震地面运动模拟

2008年11月10日在青海柴达木盆地北缘发生了大柴旦M_W6.3地震,为了研究该地震的区域地震波传播与地面运动特征,本文利用地质资料和地壳速度结构研究成果,构建了柴达木盆地及周边区域三维传播介质模型,采用有限差分方法模拟了大柴旦地震波场传播过程以及地面运动分布特征.结果表明,柴达木盆地对波场传播有明显影响,表现为地震波传入盆地后在边界产生次生面波,盆地沉积物对地震波具有围陷作用,地震地面运动在盆地内振幅增大、持时延长.模拟结果给出的地震地面运动峰值速度分布以及理论地震图均和观测结果符合较好,反映数值模拟较好地给出了观测地面运动的主要特征以及传播介质模型的合理性.     

THE APPLICATION OF PML BOUNDARY CODITIONS IN THE SIMULATION OF SEISMIC WAVE BY THE HIGH-ORDER STAGGERED-GRID FINITE DIFFERENCES AT THE TRANSVERSELY ISOTROPIC MEDIA

In the realm of the numerical simulation, finite difference method and finite element method are more intuitive and effective than other simulation methods. In the process of simulating seismic wave propagation, the finite differences method is widely used because of its high computational efficiency and the advantage of the algorithm is more efficient. With the demand of precision, more and more researchers have proposed more effective methods of finite differences, such as the high-order staggered-grid finite differences method, which can restore the actual process of wave propagation on the premise of ensuring accuracy and improving the efficiency of operation. In the past numerical simulation of seismic wave field, different models of isotropic medium are mostly used, but it is difficult to reflect the true layer situation. With the research demand of natural seismology and seismic exploration, the research on anisotropic media is more and more extensive. Transversely isotropic(TI)media can well simulate the seismic wave propagation in the formation medium, such as gas-bearing sandstone, mudstone, shale et al., the character of TI media is reflected by introducing the Thomsen parameters to reflect its weak anisotropy of vertical direction by using Thomson parameter. Therefore, studying the process of seismic wave propagation in TI media can restore the true information of the formation to the greatest extent, and provide a more reliable simulation basis for the numerical simulation of seismic wave propagation. In the geodynamic simulation and the numerical simulation of the seismic wave field, under the limited influence of the calculation area, if no boundary conditions are added, a strong artificial boundary reflection will be generated, which greatly reduces the validity of the simulation. In order to minimize the influence of model boundaries on the reflection of seismic waves, it is often necessary to introduce absorbing boundary conditions. At present, there are three types of absorption boundary conditions: one-way wave absorption boundary, attenuation absorption boundary, and perfectly matched layer(PML)absorption boundary. In terms of numerical simulation of seismic waves, the boundary absorption effect of PML is stronger than the first two, which is currently the most commonly used method, and it also represents the cutting-edge development direction of absorption boundary technology. The perfectly matched layer absorbing boundary is effectively applied to eliminating the reflective waves from model boundaries, but for transversely isotropic medium, the effect of the absorbing is not very well. For this reason, the elastic dynamic wave equations in transversely isotropic media are derived, and we describe a second-order accurate time, tenth-order accurate space, formulation of the Madariaga-Virieux staggered-grid finite difference methods with the perfectly matched layer(PML)are given. In addition, we have established vertical transversely isotropic(VTI)media and arbitrary inclined tilted transversely isotropic(TTI)media models, using a uniform half-space velocity model and a two-layer velocity model, respectively. By combining the actual geoscience background, we set the corresponding parameters and simulation conditions in order to make our model more research-oriented. When setting model parameters, different PML thickness, incident angle, source frequency and velocity layer models were transformed to verify the inhibition of boundary reflection effect by PML absorption boundary layer. The implementations of this simulation show that the formula is correct and for the transversely isotropic(TI)media of any angular symmetry axis, when the thickness of the PML layer reaches a certain value, the seismic wave reflection effect generated by the artificial boundary can be well suppressed, and the absorption effect of PML is not subject to changes in incident angle and wave frequency. Therefore, the results of our study indicate that our research method can be used to simulate the propagation process of seismic waves in the transversely isotropic(TI)media without being affected by the reflected waves at the model boundary to restore the actual formation information and more valuable geological research.     

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.     

叠前逆时偏移影响因素分析

反射地震勘探中的偏移成像技术是获取地下介质构造形态最有效的手段之一.在叠前深度域偏移方法中,目前工业界采用的方法包括基于射线理论的波动方程积分解法和基于波动理论的微分波动方程单程波解法,这两类方法难以处理地震波横向速度变化剧烈的高陡倾角构造成像问题.近年来勘探地震学研究领域发展起来的叠前逆时偏移采用了双程波求解微分波动方程的算法,这种方法具有相位准确、不受介质横向速度变化和高陡倾角构造的影响、成像精度高、可以利用回转波正确成像等优点,从理论上弥补了当前工业界常规地震偏移所面临的成像缺陷.然而,叠前逆时偏移成像方法从理论走向实用尚需解决如下问题:计算速度和数据存储空间的节省、初始速度模型的建立、震源子波的选择、数值模型边界条件的定义和假像的消除等等.对于计算速度和存储量大的问题,随着计算机硬件的快速发展,将会不断得到改善,同时可以采取一些计算技术和存储策略来加以缓解.本文主要针对初始速度模型的建立、震源子波的选择、数值模型边界条件的定义和假像的消除这些因素,利用简单模型进行了分析.对于反射波造成的传播路径上的假像,给出了一种振幅补偿滤波方法.对勘探地球物理学界给出的SEG/EAGE二维盐丘模型、Marmousi模型和本研究设计的崎岖海底模型进行了叠前逆时偏移成像,均取得了较好的成像效果.     

再论地震数据偏移成像

利用地震波正向传播方程对属于波形线性反演问题近似求解方法的地震数据偏移成像进行重新推导,得到了适合散射地震数据的散射偏移成像方法和适合反射地震数据的反射偏移成像方法.以地震波传播的散射理论为出发点,首先根据描述一次散射波正向传播的线性方程研究建立散射地震数据的偏移成像方法理论;利用高频近似对产生散射波场的地下速度扰动函数的空间变化进行近似,推导出地下反射率函数,再由散射波传播方程推导出基于反射率函数的反射波传播方程,然后根据描述一次反射波正向传播的线性方程研究建立反射地震数据的偏移成像方法理论.本文指出和修正了Claerbout偏移成像方法中的不足,提出的地震数据偏移成像方法是对当前偏移成像方法理论的完善,使反射地震数据偏移成像具有了更坚实的数学物理理论基础,得到的偏移成像结果相位正确、位置准确、分辨率提高.