基于弹性波CT技术的岩体破裂探测方法

弹性波层析成像技术简称“弹性波CT扫描”,是在不损坏物体的前提下,利用弹性波射线穿透地层时,其走时及振幅与地层内部的某些物理参数存在线性积分关系的这一关键特征,反演地层内部三维速度结构或衰减特性的方法。本文基于弹性波CT技术,通过孔间岩体慢度反演,综合钻孔编录及工程现场情况,对承德市半壁山危岩体中破裂发育情况进行综合解译,测定岩体破裂发育的位置和规模。实践证明,采用弹性波CT方法探测得到的破裂位置与钻孔揭露的情况吻合,为危岩体的整治提供了依据。     

弹性波CT技术在大足石刻岩体破碎带探测中的应用

大足石刻是中国现存的重要石质文物之一,具有重要的历史和文化价值,其中有的石刻造像曾被列为国家石质文物保护“一号工程”;最近,文物保护部门又启动了对危岩体的加固和防渗工程。为确定大足石刻宝顶山大佛湾岩体中破碎带发育情况,应用跨孔弹性波CT技术对指定位置的工程岩体进行了探测。CT探测得到的岩体弹性波速成像清楚地揭示了两个钻孔之间岩体中破碎带的规模和产状,与岩体所在的区域地质构造应力场作用协调一致,证明了探测成像结果的可靠性,为大佛湾岩体的渗流和稳定性评估提供了依据。     

三维地质建模与可视化方法研究

设计了超体元实体模型、断层数学模型及褶皱几何模型, 以表达复杂地质构造的空间几何形态; 建立了面向应用的三维地质建模的体系结构, 提出以空间数据处理为基础、以实体建模技术为核心、以模型应用为目的的设计理念, 丰富和发展了三维地质建模的理论与方法. 根据这一理论方法, 提出基于特征的驾驭式可视化设计思路, 通过将数据库、图形库、知识库与三维动态模拟的系统集成, 直观、形象、准确地把握空间地质数据的局部特征与整体构架.     

基于ArcGIS的太原断陷盆地第四系三维地质建模

本文在收集并整理太原断陷盆地钻孔资料的基础上,对钻孔进行了地层分层,建立了钻孔分层空间数据库;利用空间信息管理、地质解译、空间分析和预测、地学统计、实体内容分析以及三维图形可视化等工具结合起来的三维地质建模技术,对太原断陷盆地进行了第四纪地层三维地质可视化建模;最终基于ArcGIS平台实现了由钻孔柱状图到地层垂直剖面和地层表面TIN的三维可视化。对进一步分析太原断陷盆地地层、断层分布及其活动性奠定了基础。     

弹性波的三维有限元模拟

本文讨论了弹性波瞬态传播问题的三维有限元计算方法及当前存在的实际困难.针对要求计算机内存大和计算时间长的问题,采取了改进措施.由于采用了集中质量矩阵和修正的中心差分时间积分显格式相结合的方法,可以使计算机内存和计算时间大为减少;由于采用结点定位法,最适合用于目前发展的并行计算机系统,可使计算速度大大增快;还采用了有效激发震源法,有效激发区是随时间步进的增加而逐步增大,这不仅能节省计算时间,而且使波场的传播过程一目了然,本文计算了由两种介质组成的三维楔形问题,得到若干典型剖面的瞬时波场图及随时间变化的合成地震图.     

弹性波的三维有限元模拟

本文讨论了弹性波瞬态传播问题的三维有限元计算方法及当前存在的实际困难.针对要求计算机内存大和计算时间长的问题,采取了改进措施.由于采用了集中质量矩阵和修正的中心差分时间积分显格式相结合的方法,可以使计算机内存和计算时间大为减少;由于采用结点定位法,最适合用于目前发展的并行计算机系统,可使计算速度大大增快;还采用了有效激发震源法,有效激发区是随时间步进的增加而逐步增大,这不仅能节省计算时间,而且使波场的传播过程一目了然,本文计算了由两种介质组成的三维楔形问题,得到若干典型剖面的瞬时波场图及随时间变化的合成地震图.     

数字矿山中三维地质建模方法与应用

三维地质建模是实现数字矿山建设的前提和核心基础,为矿业开发带来了新的机遇和动力,也面临着许多亟待解决的难题．结合矿山数据特点及数字矿山建设目标,本文提出了多源数据耦合、多种构模方法集成、多分辨率可视化与检测以及多维数据分析与应用的理论体系．针对建模流程各环节中不确定性等问题进行了分析,实现了复杂地质构模、资源储量模拟评价和采掘工程开挖等关键技术方法,随着矿山勘探、开发和复垦等进程的推进,三维地质建模历经“构建一模拟一修正”的动态更新与完善过程．实例表明,本文提出的方法能够充分利用矿山数据,在空间信息质量检测控制下,通过虚拟现实技术构建有效的三维模型,并对矿产资源进行评价预测,为矿山建设在不同阶段的各项工作提供科学依据,降低开采风险和采矿成本,提高矿山开采效率．     

基于能量最小化原理的弹性波CT成像频域有限元反演算法

在材料和模型实验中,试样内部位移场的精确量测对于加载过程中试样力学性质的研究有着十分重要的意义。提出基于能量最小化原理的弹性波CT成像频域有限元反演算法,并在波动方程的基础上通过有限元数值实验,利用估计位移场和实际位移场的偏差,得出包括密度ρ和拉梅常数λ在内的单元材料参数的更新梯度,进一步经过若干次正负反馈的迭代,实现试样参数的反演。该算法避开已有方法中求解参数更新梯度Jacobi矩阵的过程,计算效率得到极大的提高。计算结果表明,在已知位移场的情况下,迭代更新λ的效率和准确性较高;在已知部分节点实际位移的情况下,参数迭代效率与观测网格密度正相关。     

利用地质规则块体建模方法的频率域有限元弹性波速度反演

在频率域弹性波有限元正演方程的基础上,依据匹配函数（也就是观测数据和正演数据残差的二次范数）最小的准则,用矩阵压缩存储与LU分解技术来存储和求解频率域正演方程中的大型稀疏复系数矩阵、用可调阻尼因子的Levenberg Marquard方法求解反演方程组,直接求取地下介质的弹性波速度,导出了频率域弹性波有限元最小二乘反演算法. 为了利用地下地质体的分布规律,减少反演所求的未知数个数,本文又提出了规则地质块体建模方法引入到反演中来. 经数值模型验证,在噪声干扰很大（噪声达到50髎）或初始模型与真实模型相差很大的情况下,反演也能取得很满意的效果,证明本方法具有很好的抗噪性与“强壮性”.     

井间弹性波CT中初至波自动提取转换及后处理优化应用

CT技术在地球物理主要应用中分为电磁波CT和弹性波CT,基于射线追踪理论的弹性波层析成像技术是重要的工程物探方法之一,在工程质量检测、工程勘察等领域得到了广泛的应用。该研究经过实践总结了一整套较为高效的后处理流程,开发了数据预处理软件,使得后处理工作量得到降低,给其他研究人员提供一种处理思路和方法。     

三维交错网格有限差分地震波模拟的GPU集群实现

有限差分实现简单、速度快,作为地震波场模拟一种有效数值方法,被广泛用于正演计算密集的波形反演和逆时偏移中.三维地震波正演模拟计算量大,一直以来制约着三维叠前逆时偏移和反演的工业化应用,GPU通用计算技术的产生及其内在的数据并行性有望改变这一现状.本文通过分析三维交错网格有限差分方法在GPU上的实施,利用片内共享存储器实现了三维地震波数值模拟的高效算法,取得了较单核CPU快79x～108x的加速比;通过区域分解技术将单GPU上不能计算的地质体模型沿Z轴方向进行粗粒度分解,采用消息传递接口交换边界数据,运用MPI+CUDA的方式实现了大尺度三维地震波场模拟,并着重分析了影响GPU并行计算效率的一些关键因素.大尺度三维地震波场模拟的加速实现,为促进叠前逆时偏移和波形反演技术的工业化转化提供了可能,因此具有重要的研究意义.     

Parameterization of a Composite Attenuation Relation for the Dead Sea Area Based on 3-D Modeling of Elastic Wave Propagation

3-D simulations of elastic wave propagation generated by earthquakes with magnitudes between 5.5 and 7.0 are used to parameterize strong ground motion attenuation relations for the Dead Sea Rift (DSR) graben structure. The results show that standard attenuation relations with an isotropic distance parameter are inadequate for a graben structure with a deep sedimentary trough. A new strategy is devised for the parameterization of attenuation relations in graben structures by looking at the statistical properties of 53 simulated earthquakes of variable magnitudes located at various sites along the western boundary fault of the DSR graben. An exemplary attenuation relation is designed from the synthetics for the 1 Hz spectral acceleration, modifying the Joyner-Boore-type parametrization by adding coefficients suited for three different source-to-sensor configurations: within the graben, beyond the graben and path unaffected by the graben structure.     

基于Kriging方法的三维地质可视化系统构建

针对传统三维地质建模方法存在的诸多问题,对基于Kriging方法的三维地质体构建进行研究。选取某地震工程项目钻孔数据为主要研究对象,在Arc GIS平台上通过地统计分析,实现了复杂三维地质体的快速、准确建立。在此基础上,采用Arc Engine作为二次开发组件,完成该地质体三维展示系统的开发,实现三维展示、专题图出图、三维分析等功能。     

交错网格高阶差分法三维弹性波数值模拟

本文应用交错网格高阶有限差分方法模拟弹性波在三维各向同性介质中的传播。采用时间上二阶、空间上高阶近似的交错网格高阶差分公式求解三维弹性波位移-应力方程,并在计算边界处应用基于傍轴近似法得到的三维弹性波方程吸收边界条件。在此基础上进行了三维盐丘地质模型的地震波传播数值模拟试算。试算结果表明该方法模拟精度高,在很大程度上减小了数值频散,绕射波更加丰富,而且适用于介质速度具有纵向变化和横向变化的情况。     

基于GPU计算的地震波场高阶有限差分正演研究

本文介绍地震波场高阶有限差分正演及其GPU计算问题,通过数值模拟技术实现地震波正演。对于声波方程,利用泰勒级数展开式得出波动方程的高阶有限差分格式及其离散表达式。运用C++语言和CUDA编写二维和三维GPU正演程序,使用共享存储器提升GPU线程间通信传输速度,并且改善了三维模型情况下共享存储器容量对有限差分阶数的限制问题。建立不同尺度模型针对二维和三维GPU正演程序和CPU正演程序进行计算测试,比较两个程序的计算效率。测试结果表明,无论是在二维和三维的模型下,GPU正演程序的计算耗时都远远小于CPU正演程序的计算耗时,且随着计算数据量的增大,加速效果越来越显著,测试结果可以很好地证明GPU程序相对于单CPU程序计算的高效性。     

西安市岩土体剪切波速与土层深度关系的研究

通过对西安市3个主要地貌单元共309个钻孔剪切波速资料的分析整理,采用指数和线性拟合两种方法对测点较多的细砂、中砂、粗砂、黄土、粉质粘土、古土壤、卵石等土类的剪切波速VS与土层深度H的关系进行统计回归,得到其经验关系式;将实测剪切波速值与利用上述统计结果得到的预测值进行对比检验,两者差别不大。说明区分地貌单元和各类土层的VS与H经验关系可靠且符合当地岩土特征,可用于西安地区一般建筑的工程勘察与地震安全性评价工作。     

复杂二维/三维大地电磁的有限单元法正演模拟策略

复杂二维和三维大地电磁模型的正演数值模拟具有一定的挑战性。对于复杂的二维和三维大地电磁正演问题,我们采用有限单元法进行求解。有限单元法最后形成一个线性方程组,系数矩阵是大型稀疏的带状对称复系数矩阵,并且其条件数远大于1,为严重病态矩阵,求解其对应方程组会遇到很多困难。不完全LU分解处理的Bi-CGSTAB迭代方法可用于该线性方程组的求解,并且具有速度快、精度高和稳定性好等优点;为了模拟无穷远边界及满足计算机的内存需求,在保证计算精度的情况下设计了非均匀网格剖分;在程序编制中,只存储有限元系数矩阵的非零元素,大大减少了正演计算的时间。通过对二维和三维模型电磁响应的计算,验证了算法的正确性。