地震波传播的三维伪谱和高阶有限差分混合方法并行模拟

基于交错网格伪谱法和高阶精度有限差分方法,发展了模拟非均匀介质地震波传播的三维伪谱和有限差分混合算法.该方法在两个水平方向利用交错网格伪谱算子计算空间微分,保留了该方法高效、高精度的优势,在垂直方向采用交错网格高阶精度有限差分算子实现空间微分计算．利用有限差分方法的局部性特征,将三维计算区域在垂直方向上划分为一系列子区域,并分配给不同的处理器,实现了在并行计算机集群上的三维并行计算．通过模拟算例,与离散波数法比较,检验了该算法的精度．为了检验该方法的实用性,在64个处理器上,对三维沉积盆地模型进行了67108864个网格点的并行计算,模拟的波场主频率为1.25Hz,讨论了沉积盆地深度对三维沉积盆地地面运动的影响．      

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。     

基于图形处理器的伪谱和高阶有限 差分混合方法地震波数值模拟

伪谱和高阶有限差分混合方法, 在垂直方向采用交错网格有限差分算子, 利用其并行程度高的特点, 在水平方向采用伪谱算子, 保留其高精度的优势, 是计算地震波场的有效方法. 图形处理器(graphic processing unit, 简写为GPU) 由于其高度并行性, 在计算此类问题中有显著的优势. 由英伟达(NVIDIA)公司推出的统一计算设备架构(compute unified device architecture, 简写为CUDA)平台极大地简化了GPU编程的难度. 为提高计算效率, 本文实现了基于CUDA 平台的混合方法二维地震波场模拟. 然后基于二维均匀介质模型将CPU与GPU版本的运行时间进行对比. 实际测试结果表明, 基于CUDA 的并行模拟方法在保证计算精度的同时显著地提高了计算速度, 为开展大规模非均匀地球介质地震波传播数值模拟提供了一种可选的方法.      

三维粘弹介质地震波场有限差分并行模拟

有限差分法在三维粘弹性复杂介质正演模拟地震波的传播中对计算机内存和计算速度要求比较高,单个PC机或工作站只能计算较少网格内短时间的波场。本文介绍一种基于MPI的并行有限差分法,可在PCCluster上模拟较大规模三维粘弹性复杂介质中地震波传播时的波场;可预测地震波在此类条件下传播时的运动学和动力学性质。对于更好地理解波动传播现象,解释实际地震资料及反问题的解决等均具有重要的理论与实际意义。     

切比雪夫伪谱法模拟地震波场

介绍了切比雪夫伪谱法以及快速傅立叶算法在其中的应用,并用切比雪夫伪谱法模拟二维有限区域弹性介质地震波场。分别计算了兰姆问题,均匀介质中心爆破源问题,介质内部的速度异常体问题以及各种分界面情况下地震首波传播问题。     

利用伪谱法模拟横向各向同性介质中的波

介质的弹性常数为三维四阶张量的分量,共有８１个,由于应力张量和应变张量的对称性及能量密度是应变的二次函数,一般各向异常性介质的独立弹性常数可减为２１个,如果介质具有较高的对称性,独立弹性常数的数目会更少。 对于地壳和上地幔,具有５个独立弹性常数的横向各向同性介质是一个非常好的近似,本研究中横向各向同性介质的对称轴方向可以是任意的（即对称轴可以不平等于铅直方向）,在此情况下,需要进行坐标变换,如果已知介质在某一坐标系（其坐标轴平行或垂直于介质的对称轴）中的弹性常数,我们能够容易地利用变换公式得到变换后新坐标系中的弹性常数。 本文提出了一种方案,利用伪谱法既能模拟横向各向同性介质中的平面波,也能模拟点源激发的波场。在勘探地球物理和地震学中,模拟横向各向同性介拮中传播的平面波及区域源产生的波是最重要的研究课题之一。然而在一般各向异性介质中,很难或不可能确定弹性波的相速度和偏振方向,但在横向各向同性介质中,则可以通过坐标变换来实现,这里我们所提出的方法可以用于横向各向同性介质中弹性波的模拟。     

伪谱法地震波正演模拟的多线程并行计算

地震波的正演模拟,尤其是3D正演模拟,往往涉及大规模的数据存储和计算,问题的规模往往超出计算机的物理内存,或者计算时间让问题的求解者难以忍受,即使采用目前存储和计算能力很强的计算机,其计算费用仍然是十分昂贵的.本文提出一种基于多线程协同使用多CPU和计算域分割的正演模拟并行计算技术,使得问题的求解过程得以加快,大大地缩短了用户等待的时间.为了检验我们的并行算法的可行性,文中以傅利叶正演模拟技术为例,给出了声波和3D各向异性弹性波模拟的例子,并对不同版本（串行、并行）运算效率进行了比较,证实了方法的有效性.     

含流体裂缝介质中地震波场数值模拟

油气勘探开发实践证明,裂缝常常是油气藏存储的空间或运移的通道,因此,裂缝各向异性介质中地震波场的研究越来越倍受关注,国内外很多岩石物理学者、地球物理专家等对裂缝信息的描述提出了很多理论认识与方法技术.本文根据Eshelby-Cheng各向异性裂缝介质模型理论,求取各向异性裂缝介质的弹性参数,并建立Eshelby-Cheng各向异性裂缝介质的波动方程,利用时间错格伪谱法对含流体裂缝介质进行数值模拟,模拟结果表明,采用时间错格伪谱法能有效解决各向异性介质的波场传播,利用时间错格有限差分算子替代普通的差分算子来求解时间导数,利用快速傅氏变换求解空间导数,大大提高了正演模拟的计算精度与计算效率.并且与各向同性介质相比,地震波在含流体裂缝各向异性介质中的传播要复杂得多,各向同性介质层中的波是纯的,其横波不会发生分裂,而在各向异性介质层中,横波将发生分裂.     

非均匀介质中地震波走时与射线路径快速计算技术

介绍了一种基于惠更斯原理和费马原理求取地震波走时及其反射波射线路径的新方法 .该方法具有原理简单、易于实现、能适应较为复杂地质模型以及易于将其推广到各向异性介质等优点 .为了克服基本算法速度较慢的缺陷 ,提出了一种地震波走时和反射波射线路径计算的改进方法 .在保证精度的条件下 ,该改进算法的计算速度显著提高 .     

地震波在湿颗粒介质中的传播

本文利用拉格朗日运动方程建立了湿颗粒介质中的波场方程组,由此研究了平面简谐波在其中的传播。文中还导出了湿颗粒介质中的支承拉梅系数和耦合弹性系数的表示式。     

Modeling seismic wave propagation in heterogeneous medium using overlap domain pseudospectral method

Pseudospectral method is an efficient and high accuracy numerical method for simulating seismic wave propaga- tion in heterogeneous earth medium. Since its derivative operator is global, this method is commonly considered not suitable for parallel computation. In this paper, we introduce the parallel overlap domain decomposition scheme and give a parallel pseudospectral method implemented on distributed memory PC cluster system for modeling seismic wave propagation in heterogeneous medium. In this parallel method, the medium is decomposed into several subdomains and the wave equations are solved in each subdomain simultaneously. The solutions in each subdomain are connected through the transferring at the overlapped region. Using 2D models, we compared the parallel and traditional pseudospectral method, analyzed the accuracy of the parallel method. The results show that the parallel method can efficiently reduce computation time for the same accuracy as the traditional method. This method could be applied to large scale modeling of seismic wave propagation in 3D heterogeneous medium.     

伪谱法弹性波场数值模拟中的边界条件

边界条件问题长期以来一直是困扰地震波数值模拟研究者的一个难题,许多人都提出了有效的方法,但是该问题仍然需要研究.本文针对伪谱法地震波场数值模拟的特殊要求,即所有网格点相互耦合,且傅立叶变换的周期性使得方程在网格边界上很难得到一个吸收的替代方程,研究衰减边界条件中衰减系数的变化对边界反射波衰减效果的影响.数值实验结果说明,随着衰减系数的增大,振幅衰减加快,用很少的过渡带网格就可以使边界上的反射波能量很小.但是如果衰减率过大,就会在传播区和过渡带产生干扰波场.因此,在衰减系数的选择上应采取折中办法,即在取某一较小的衰减系数的前提下,设置较少的过渡带网格数使边界的能量反射最少.     

A scheme to treat the singularity in global seismic wavefield simulation using pseudospectral method with staggered grids

The pseudospectral method has been applied to the simulation of seismic wave propagation in 2-D global Earth model. When a whole Earth model is considered, the center of the Earth is included in the model and then singularity arises at the center of the Earth where <i<r</i<=0 since the 1/<i<r</i< term appears in the wave equations. In this paper, we extended the global seismic wavefield simulation algorithm for regular grid mesh to staggered grid configuration and developed a scheme to solve the numerical problems associated with the above singularity for a 2-D global Earth model defined on staggered grid using pseudospectral method. This scheme uses a coordinate transformation at the center of the model, in which the field variables at the center are calculated in Cartesian coordinates from the values on the grids around the center. It allows wave propagation through the center and hence the wavefield at the center can be stably calculated. Validity and accuracy of the scheme was tested by compared with the discrete wavenumber method. This scheme could also be suitable for other numerical methods or models parameterized in cylindrical or spherical coordinates when singularity arises at the center of the model.     

线性粘弹介质中地震波场数值模拟

本文将以往两种粘弹介质中地震波模拟方法的优点结合起来，以模型理论和积分本构方程为基础，从理论上分析了模型对地震波场的影响；采用交错网格有限差分法对粘弹介质中的地震波进行数值模拟.数值计算结果表明该方法不仅便于计算，同时也便于从力学的角度来分析地震波的传播.数值计算结果与理论分析一致，说明这种方法可以更为有效地模拟粘弹介质中地震波的传播.     

Study of elastic wave propagation in two-phase anisotropic media by numerical modeling of pseudospectral method

When there exists anisotropy in underground media, elastic parameters of the observed coordinate possibly do not coincide with that of the natural coordinate. According to the theory that the density of potential energy, dissipating energy is independent of the coordinate, the relationship of elastic parameters between two coordinates is derived for two-phase anisotropic media. Then, pseudospectral method to solve wave equations of two-phase anisotropic media is derived. At last, we use this method to simulate wave propagation in two-phase anisotropic media, four types of waves are observed in the snapshots, i.e., fast P wave and slow P wave, fast S wave and slow S wave. Shear wave splitting, SV wave cusps and elastic wave reflection and transmission are also observed.     

模拟地震波场的伪谱和高阶有限差分混合方法

伪谱法是一种高效、高精度计算非均匀介质地震波传播的数值方法,但是由于它的微分算子的全局性,使得该方法不适用于分散内存的并行计算.本文将有限差分算子的局部性和伪谱法算子的高效、高精度相结合,发展基于两种方法的伪谱/有限差分混合方法.该方法在一个空间坐标方向上利用交错网格高阶有限差分算子,在另外的空间坐标方向上利用交错网格伪谱法算子,既保留了后者的高效、高精度优势,又便于在PC集群上实现并行计算.对二维模型的计算显示,混合方法能有效处理介质不连续面,在保证伪谱法计算精度的情况下,提供了一种并行计算的可能途径.     

横向各向同性介质中地震波场谱元法数值模拟

横向各向同性介质是地球内部广泛存在的一种各向异性介质,因此为了能够更好地认识地震波在这种介质中的传播特征,用数值方法进行地震波模拟显得十分必要.本文采用谱元法对横向同性介质中的地震波进行模拟,该方法基于弹性力学方程弱形式基础之上,具有有限元适应任意复杂介质模型的韧性和伪谱法的精度.文中阐述了基于Legendre多项式的谱元法的理论和推导过程,该方法可以形成全局对角质量矩阵,在时间域使用显式的差分算法,提高运算效率,最后通过横向各向同性介质的数值计算,模拟结果表明该方法是一种有效的数值模拟方法.     

求解弹性波解耦方程的一种优化拟解析方法

常规伪谱方法二阶时间差分格式时间精度较低,且对于大步长时间采样间隔,常规伪谱方法不稳定.拟解析方法对于速度变化剧烈的模型,在时间和空间上均有较大误差.本文提出了一种基于解耦的二阶位移弹性波方程波场模拟及矢量波场分解的优化拟解析方法,将归一化的拟拉普拉斯算子分别应用于P波和S波波场延拓,延拓矢量波场的同时,可分解并延拓纯纵波和纯横波波场.利用弹性波优化拟微分算子表示拟拉普拉斯算子,该拟微分算子不仅包括原始微分算子的谱估计,而且还包含一个时间补偿项,其可在波数-空间域精确地补偿波动方程在时间方向上采用二阶有限差分引起的误差.利用低秩分解近似求解弹性波优化拟微分算子,可有效提高计算效率.2D均匀模型、层状模型以及部分盐丘模型数值正演模拟结果表明：相比较于常规的伪谱法和拟解析法,本文方法在时间和空间上均有很高的精度,并且稳定性条件比较宽松.