Elastic wave modelling method based on the displacement–velocity fields: an improving nearly analytic discrete approximation

In this paper, we present an improvement to our previously published nearly analytic discrete method (NADM) to solve acoustic and elastic wave equations. We compare the numerical errors of the improved NADM with the original NADM and also the fourth-order Lax–Wendroff correction and present examples of three-component wave fields in 2D transversely isotropic media with strong velocity contrasts. Comparing with the original NADM, we find that the improved method requires significantly less storage space and can increase the time accuracy from second order of the original NADM to fourth order, while the space accuracy remains the same as that of the original one. Theoretical analyses and numerical results suggest that our improved NADM is suitable for large-scale numerical modelling as it can effectively suppress numerical dispersion and source-generated noises caused by discretising wave equations when too-coarse grids are used.     

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.     

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.     

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.     

基于时空域自适应高阶有限差分的声波叠前逆时偏移

叠前逆时偏移在理论上是现行偏移方法中最为精确的一种成像方法,其实现过程中的核心步骤之一是波动方程的波场延拓,而波场延拓的本质是求解波动方程,所以精确、快速地求解波动方程对逆时偏移至关重要.本文采用一种基于时空域频散关系的有限差分方法来求解声波方程,分析其频散和稳定性,实现波场数值模拟,并将分析和模拟结果与传统有限差分法进行对比.分析结果和模型数值模拟结果都表明时空域有限差分法模拟精度更高、稳定性更好.将时空域高阶有限差分法应用到叠前逆时偏移波场延拓的方程求解中,然后再利用归一化互相关成像条件成像,理论模型数据偏移处理获得了精度更高的成像.同时,在逆时偏移波场延拓的实现中,采用自适应变长度的空间差分算子求解空间导数的有限差分策略,在不影响数值模拟和成像精度的前提下,有效地提高了计算效率.     

两种类型共炮点域相关型叠前深度偏移方法分析

研究不同偏移方法的成像机理是实现复杂构造高精度成像的前提,研究了两类共炮点域的相关型叠前深度偏移成像方法：基于单程波动方程的叠前深度成像方法和基于双程波动方程的叠前深度成像方法,同时对比了它们在计算效率、数据存储量、成像精度、成像机理、速度敏感性等方面的差异及其共性。以复杂构造模型为例,采用了傅里叶有限差分法（FFD）和逆时成像法（RTM）,这两种方法实现了121个共炮点道集的叠前深度偏移成像处理。计算结果表明,当速度准确时,两种深度域波动方程成像方法均可以恢复出各个地质反射界面,其中逆时偏移对陡倾角成像效果显著,当速度存在百分比误差和随机扰动情况时,逆时成像结果要差于单程波方法,因此,逆时偏移方法对速度的敏感性较大,且低频噪声较为严重。     

A central difference method with low numerical dispersion for solving the scalar wave equation

In this paper, we propose a nearly‐analytic central difference method, which is an improved version of the central difference method. The new method is fourth‐order accurate with respect to both space and time but uses only three grid points in spatial directions. The stability criteria and numerical dispersion for the new scheme are analysed in detail. We also apply the nearly‐analytic central difference method to 1D and 2D cases to compute synthetic seismograms. For comparison, the fourth‐order Lax‐Wendroff correction scheme and the fourth‐order staggered‐grid finite‐difference method are used to model acoustic wavefields. Numerical results indicate that the nearly‐analytic central difference method can be used to solve large‐scale problems because it effectively suppresses numerical dispersion caused by discretizing the scalar wave equation when too coarse grids are used. Meanwhile, numerical results show that the minimum sampling rate of the nearly‐analytic central difference method is about 2.5 points per minimal wavelength for eliminating numerical dispersion, resulting that the nearly‐analytic central difference method can save greatly both computational costs and storage space as contrasted to other high‐order finite‐difference methods such as the fourth‐order Lax‐Wendroff correction scheme and the fourth‐order staggered‐grid finite‐difference method.     

页岩气地震勘探中页岩各向异性的地震模拟研究

页岩的强各向异性特征挑战地震波传播数值模拟方法的精度极限, 特别是易引起频散的高频波(>100 Hz)传播的数值模拟.鉴于目前我国页岩气地震勘探主要以常规地震声波资料为主,本文首先介绍了一种VTI介质声波方程的任意偶数阶有限差分数值模拟方法,并讨论其稳定性条件和吸收边界条件.任意偶数阶的差分解可有效提高计算精度,压制数值频散噪声.针对页岩较强的各向异性特征,本文比较了不同模型的声波方程和VTI介质声波方程计算得到的地震响应.数值结果表明,各向异性对地震波的运动学(相位)和动力学(振幅)特性影响作用明显.因此,在页岩气地震勘探资料处理的各个环节必须充分考虑各向异性的影响,采取有别于常规油气勘探的处理流程和技术.     

地震叠前逆时偏移算法的CPU/GPU实施对策

相较于单程波偏移算法而言,逆时偏移成像方法以其物理基础为依托优势,几十年来一直备受国内外地球物理学家的青睐.目前的逆时偏移(RTM)若直接采用双程波动方程进行延拓,尽管可以回避上下行波的分离处理,然就已有算法而言,其计算量和I/O(输入/输出)量却是最大的.针对此问题,本文在分析现行逆时偏移的多种算法基础上,提出利用CPU/GPU(中央处理器/图形处理器)作为数值计算核心,建立随机边界模型,从而克服存储I/O难题和提高计算效率.在实际的数据测试中,本文的方法可以大幅度的提高计算效率和减少存储单元,从而促使其高效地应用于生产实际.     

一种全局优化的隐式交错网格有限差分算法及其在弹性波数值模拟中的应用

在数值模拟中,隐式有限差分具有较高的精度和稳定性.然而,传统隐式有限差分算法大多由于需要求解大型矩阵方程而存在计算效率偏低的局限性.本文针对一阶速度-应力弹性波方程,构建了一种优化隐式交错网格有限差分格式,然后将改进格式由时间-空间域转换为时间-波数域,利用二范数原理建立目标函数,再利用模拟退火法求取优化系数.通过对均匀模型以及复杂介质模型进行一阶速度-应力弹性波方程数值模拟所得单炮记录、波场快照分析表明:这种优化隐式交错网格差分算法与传统的几种显式和隐式交错网格有限差分算法相比不但降低了计算量,而且能有效的压制网格频散,使弹性波数值模拟的精度得到有效的提高.     

横向非均匀介质中弹性地震波传播的数值模拟

应用混合变量弹性动力学方程和线性常微分方程组的矩阵指数解法，将层状介质中广泛应用的弹性波传播矩阵解法推广至横向非均匀介质，给出了一种可计算复杂地质体中弹性波传播的广义传播矩阵数值解法。该方法可模拟任意震源及所产生的各种体波、面波，数值结果表明具有很高的计算精度。     

基于正则化方法的高频地波雷达海浪方向谱反演

提出了一种从高频地波雷达海面回波谱中提取海浪方向谱的新方法:基于高频电波海洋探测基本原理将线性化后的非线性积分方程离散为矩阵方程组,通过引入正则化数学模型将不适定方程转化为正规方程,然后采用奇异值分解法求解.对于正则化方法中正则化参数,采用L曲线法来确定.为了验证本文算法的有效性,分别在单部雷达和双部雷达探测下进行了不同噪声水平下的数值模拟,结果表明了该正则化反演方法的有效性.文中还给出了实测数据分析初步结果.该算法的工程性应用还需进一步研究.对于实际的地波雷达海浪反演具有良好的应用前景.     

模拟地震波传播的三维逐元并行谱元法

高效地震波场正演模拟对于复杂模型中地震波传播与成像研究至关重要.本文在谱元法原理框架内,对已有逐元谱元法改进,提出一种新的逐元并行谱元法求解三维地震波运动方程,并得到地震波场.逐元并行谱元法的核心思想在于在单元上进行质量矩阵与解向量的乘积运算,并将此运算平均分配至每一个CPU计算核心,此处理有利提升谱元法的并行计算效率...     

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.     

起伏地表地震波正演数值模拟

常规起伏地表地震波数值模拟均将地表以上的介质视为真空介质来处理,而这与实际情况不符。为解决这一问题,将地表以上介质视为声学介质,使地震波在该介质中以350m／s的速度传播。以两层起伏地表速度模型为例,分别采用声波和各向同性弹性波波动方程进行正演数值模拟,并与常规基于真空介质假设的计算结果进行对比,结果表明,基于声学假设的模拟记录可以更加有效地模拟真实的数据采集,并且反射波同向轴具有更好的连续性。     

求解弹性波方程的辛RKN格式

将弹性波方程变换至Hamilton体系,构造适用于弹性波模拟的高效显式二阶辛Runge-Kutta-Nystrm(RKN)格式,运用根数理论得到此格式的阶条件方程组.通过给定系数的限定条件,得到方程的对称解.为了使时间离散误差达到极小,提出数值频率与真实频率比较,通过Taylor展开,得到关于辛系数的限定方程,求解方程组得到最小频散辛RKN格式.对比分析时间演进方程的稳定性,得到使库朗数达到极大值的限定方程,求解方程组得到最稳定辛RKN格式.发现此两种格式为同一格式.新得到的辛RKN格式不依赖于空间离散方法,为了对比的需要,选取有限差分法进行空间离散.在频散、稳定性分析中,与常见辛格式对比,从理论上分析了本文提出的格式在数值频散压制、稳定性提升等方面的优势,数值实验进一步证实了理论分析的正确性.     

一维声波方程联合反演的分步正则化法

本文用一个纵波信息，对一维声波方程的速度和源函数进行联合反演，并考虑到声波方程的反问题是一个不适应问题，对源函数和波速分别和正则化法分步迭代求解，减少反问题的计算工作量，改善该问题的计算稳定性，为计算实际工程和岩性学问题供了一种方法。文中给出只用一个反问题补充条件同时进行多参数反演的公式，并对相应的数值算例进行分析和比较。     

基于WNAD方法的非一致网格算法及其弹性波场模拟

加权近似解析离散化(WNAD) 方法是近年发展的一种在粗网格步长条件下能有效压制数值频散的数值模拟技术. 在地震勘探的实际应用中, 不是所有情况都适合使用空间大网格步长. 为适应波场模拟的实际需要, 本文给出了求解波动方程的非一致网格上的WNAD算法. 这种方法在低速区、介质复杂区域使用细网格, 在其他区域采用粗网格计算. 在网格过渡区域, 根据近似解析离散化方法的特点, 采用了新的插值公式, 使用较少的网格点得到较高的插值精度. 数值算例表明, 非一致网格上的WNAD方法能够有效压制数值频散, 显著减少计算内存需求量和计算时间, 进一步提高了地震波场的数值模拟效率.     

具吸收边界条件的波动方程偏移的拟合分解方法

本文讨论了在波动方程偏移问题中构造吸收边界条件方程的原则,并提出了求解具有吸收边界条件的偏移问题的一种新方法--矩阵拟合分解方法。这一方法的特点在于所构造的差分方程的拟合分解格式可以通过三点褶积和正、反递归被快速求解。 通过合成记录和野外实际资料的偏移对这一方法进行了验证。理论分析和实际计算都表明,该方法可以有效地消除来自网格边界的人工反射,减少了因增加边道或其他方法所需要的辅助计算而带来的计算工作量,提高了计算效率,因而是一种有效方法。     

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。