粘弹性介质地震波传播的褶积微分算子法数值模拟研究

早期的褶积微分算子法都是基于正反傅立叶变换而实现的,其精度比四阶有限差分稍高。本文将计算数学中的Forsyte广义正交多项式微分算子与褶积算子相结合,构建了一个新的快速、高精度褶积微分算子,其计算结果非常接近实验函数微分的精确值,精度与l6阶有限差分相当。粘弹性波动方程更真实地描述了实际地下介质中弹性波的传播规律及其波场特征。本文以二维粘弹性波动方程为例,推导了粘弹性介质波动方程的离散格式,用迭积微分算子法实现了粘弹性介质的地震波场正演模拟,并对其波传播特征进行了分析。计算结果表明该算法能正确模拟粘弹性介质中的地震波,正确地反映粘弹性介质中波场的传播规律。     

双相介质地震波场数值模拟的迭积微分算子及其PML边界条件

将基于计算数学中Forsyte 广义正交多项式的迭积微分算子引入到地震波动方程的一阶速度--应力方程的空间微分运算中去,并采用时间错格有限差分算子替代传统的差分算子以匹配高精度的空间迭积微分算子,从而发展一种全新的地震波场正演模拟方法,来解决复杂非均匀介质模型中的波场传播问题.为了大幅衰减人工边界引起的反射,本文将完全匹配层(Perfectly Matched Layer,PML)吸收边界条件引入到所构建的方法中,以解决迭积微分算子法的边界问题.以二维波动方程为例,用迭积微分算子法实现了双相介质的地震波场正演模拟,模拟结果表明,双相介质模型较好地解释了含流体孔隙特性.同时也表明迭积微分算子法是一种非常实用、有效的数值模拟方法.     

各向异性介质地震波场的优化褶积微分算子法数值模拟

在前人工作基础上,通过对窗函数参数进行优化实现了对基于Shannon奇异核理论的交错网格褶积微分算子的优化过程.应用这种优化褶积微分算子方法对各向异性介质进行了数值模拟,讨论了优化褶积微分算子法模拟的PML吸收边界条件以及稳定性条件,分析了弹性波在此类介质中的传播特征,并与高阶交错网格有限差分方法进行了对比.数值实验结果表明,该方法适用于各向异性介质中弹性波场模拟,精度高,稳定性好,是一种研究复杂介质中地震波传播的有效数值方法.     

2.5维地震波场褶积微分算子法数值模拟

早期的褶积微分算子都是基于正反傅立叶变换而实现的,其精度比四阶有限差分的精度稍高,本文将计算数学中的Forsyte广义正交多项式微分算子与褶积算子相结合,构建了一个新的快速、高精度褶积微分算子,其计算结果非常接近实验函数微分的精确值,精度与16阶有限差分的精度相当,远优于错格伪谱法的精确度.另外,2.5维数值模拟比二维模拟可以更真实地模拟三维介质的臬个剖面的波场,并且2.5维地震波模拟的计算量比三维模拟的计算量及计算耗时要大大减少.本文利用基于Forsyte广义正交多项式褶积微分算子法计算2.5维非均匀介质地震波场,模拟结果表明,该算法的计算速度快,计算精度高,能够直观、高效地反映复杂介质中波场的传播规律,并且2.5维波场数值模拟具有更高的计算效率,是一种非常值得深入研究并广泛应用的方法.     

地震波数值模拟的褶积微分算子法与伪谱法的对比分析

将基于Forsyte广义正交多项式的褶积微分算子法运用于复杂非均匀介质地震波场模拟中,并将计算结果与伪谱法计算结果进行分析比较。通过二者的计算时间对比发现:在同样的计算条件下,褶积微分算子法的采样时间始终小于伪谱法,这是其进行地震波数值模拟的一个明显优势。通过波场快照的对比,褶积微分算子法的模拟结果与伪谱法数值模拟结果的频散效应相当,可为地震波场的值计算提供一种新的选择。     

基于广义正交多项式褶积微分算子的地震波场数值模拟方法

地震波场模拟方法研究对于与波动现象有关的地震学问题的重要性是不言而喻的.就目前现有的各种正演算法来说,精度较高的算法（如有限元法、谱元法、高阶有限差分法等）,其计算速度较慢;计算速度较快的算法（如低阶有限差分法、付氏伪谱法等）计算精度却比较低.为了兼顾地震波场模拟的精度与速度,本文推出了一种快速的、高精度地震波场模拟方法（基于Forsyte广义正交多项式的褶积微分算子法）,该方法是以计算数学中的Forsyte广义正交多项式插值函数为基础,构建一个新的褶积微分算子,并将该算子引入到地震波动方程的一阶速度-应力方程的空间微分运算中去,采用时间交错网格有限差分算子替代普通的差分算子以匹配高精度的褶积微分算子,从而构造一种全新的地震波场数值模拟方法.该方法同时具有广义正交多项式方法的高精度和短算子低阶有限差分算法的高速度.通过对算子长度的调节及算子系数的优化,可同时兼顾波场解的全局信息与局部信息.复杂非均匀介质模型中的波场数值模拟实验证实了该方法的可行性及优越性.     

地震波数值模拟中的最优Shannon 奇异核褶积微分算子

如何有效协调地震波数值模拟过程中的计算精度和计算效率,一直是许多地球物理工作者密切关注且努力寻求解决的问题.这一问题求解的好坏,将直接影响到人们正确认识地下构造的地球物理响应.本文从离散Shannon奇异核理论出发,推导了基于Shannon奇异核的交错网格褶积微分算子,分析并求出了影响算子精度窗函数的最优化参数.通过将...     

最优化辛格式广义离散奇异核褶积微分算子地震波场模拟

将波动方程变换至Hamilton体系,构造了一种新的保结构算法,即最优化辛格式广义褶积微分算子(OSGCD). 在时间离散上,首先引入了Lie算子设计二级二阶辛格式,基于最小误差原理得到了优化的辛格式. 在空间离散上,引入广义离散奇异核褶积微分算子计算空间微分,提出了一种有效方法优化GCD并得到了稳定的算子系数. 针对本文发展的新方法,给出了OSGCD稳定性条件. 在数值实验中,将OSGCD与多种方法比较,从精度和计算效率两方面分析了OSGCD的计算优势,计算结果也表明OSGCD长时程以及非均匀介质中地震波模拟亦具有较强能力.     

基于Shannon奇异核理论的褶积微分算子在地震波场模拟中的应用

本文在前人工作的基础上,建立了一种基于Shannon奇异核的交错网格褶积微分算子方法.文中不仅详细讨论了影响算子精度的各种因素,同时也着重分析了其在弹性波模拟中的频散关系和稳定性条件.通过和交错网格有限差分算子比较,发现该算子即使在高波数域也具有较高的精度.均匀介质中的数值试验也表明,该方法9点格式就基本上达到了解析解精度.而分层均匀介质和复杂介质中的地震波数值模拟也同时证实了该方法精度高,稳定性好,是一种研究复杂介质中地震波传播的有效数值方法.     

Numerical simulation of seismic wave propagation in complex media by convolutional differentiator

We apply the forward modeling algorithm constituted by the convolutional Forsyte polynomial differentiator pro-posed by former worker to seismic wave simulation of complex heterogeneous media and compare the efficiency and accuracy between this method and other seismic simulation methods such as finite difference and pseudospec-tral method. Numerical experiments demonstrate that the algorithm constituted by convolutional Forsyte polyno-mial differentiator has high efficiency and accuracy and needs less computational resources, so it is a numerical modeling method with much potential.     

地震波传播数值模拟

本文概述了地震数值模拟及其理论基础,阐述了地震数值模拟方法及特点．综述了地震数值模拟方法、三维建模和计算机硬件平台等方面的现状和进展．最后。给出了地震波数值模拟在地震勘探方法研究、地震观测系统优化设计、地震数据处理、地震资料解释、开发地震等方面的应用．     

2.5维非均匀介质中的地震波数值模拟

目前,完全的3D弹性波数值模拟计算仍然需要庞大的计算资源,而2D弹性波数值模拟,又不能准确地近似3D数值模拟.因此,本文在较高数值精度的一阶应力一速度弹性波动方程的基础上,采用时间错格差分拟谱方法在2D模型介质中计算3D弹性波场,即2.5D数值模拟.并将3D计算结果与2.5D和2D结果进行比较,发现2.5D模拟结果在波场形态和振幅方面比2D模拟结果更接近3D模拟结果,从而证实了2.5D数值模拟比2D数值模拟可以更好地近似3D波场数值模拟,同时证实了时间错格差分拟谱方法是一种高精度、高效率的正演模拟方法.     

EDA介质中地震波的传播特征

对Christoffel公式进行Bond变换得到EDA介质的Christoffel方程,并由其非零解推导出EDA介质中视横波(qSV)、横波(SH)、视纵波(qP)的相速度、群速度、偏振向量(质点的振动方向)的三维计算公式.通过模型计算分析了具有水平对称轴的各向异性(HTI)介质和EDA介质中介质对称轴的极角和方位角对相速度、群速度及偏振向量的影响,对其随极角、方位角的变化特征进行了分析,并采用Matlab进行了数值计算,对其特征采用三维显示.通过取极角或方位角为零简化得到HTI介质和具有垂直对称轴的各向异性(VTI)介质中地震波的相速度、群速度,对EDA介质中的三维计算结果进行退化验证. 通过数值计算进一步验证了地震波相速度与EDA介质对称轴的相互关系. 结果表明,通过广角地震勘探可探明地下介质的裂隙走向及密度,从而确定灾害体产状.     

Finite element equations and numerical simulation of elastic wave propagation in two—phase anisotropic media

Based on Biot theory of two-phase anisotropic media and Hamilton theory about dynamic problem,finite element equations of elastic wave propagation in two-phase anisotopic media are derived in this paper.Numerical solution of finite element equations is given.Finally,properties of elastic wave propagation are observed and analyzed through FEM modeling.     

Comparative analysis of the characteristics of global seismic wave propagation excited by the Mw9.0 Tohoku earthquake using numerical simulation

Giant earthquakes generate rich signals that can be used to explore the characteristics of the hierarchical structure of the Earth’s interior associated with the eigenfrequencies of the Earth.We employ the spectral element method,incorporated with large-scale parallel computing technology,to investigate the characteristics of global seismic wave propagation excited by the2011 Mw9.0 Tohoku earthquake.The transversely isotropic PREM model is employed as a prototype of our numerical global Earth model.Topographic data and the effect of the oceans are taken into consideration.Wave propagation processes are simulated by solving three-dimensional elastic wave governing equations with the seismic moment tensor obtained from the Global Centroid Moment Tensor Catalog.Three-dimensional visualization of our computing results displays the nature of the global seismic wave propagation.Comparative analysis of our calculations with observations obtained from the Incorporated Research Institutions for Seismology demonstrates the reliability and feasibility of our numerical results.We compare synthetic seismograms with incorporated and unincorporated ocean models.First results show that the oceans have obvious effects on the characteristics of seismic wave propagation.The peak displacement and peak velocity of P waves become relatively small under the effect of the ocean.However,the effect of the ocean on S-waves is complex.The displacement and velocity of S waves decrease rapidly over time using an unincorporated ocean model.Therefore,the effects of the ocean should be incorporated when undertaking quantitative earthquake hazard assessments on coastal areas.In addition,we undertake comparative analysis on the characteristics of the Earth’s oscillation excited by the 2004 Sumatra-Andaman,2008 Wenchuan,and 2011Tohoku earthquakes that incorporate the effect of the Earth’s gravitational potential.A comparison of the amplitude spectra of the numerical records indicates that energy released by the three big earthquakes is different.Our comparative analysis realizes that the computing results can accurately reproduce some eigenfrequencies of the Earth,such as toroidal modes 0T2 to 0T13and spheroidal modes 0S7 to 0S31.These results demonstrate that numerical simulations can be successfully used to investigate the Earth’s oscillations.We propose that numerical simulations can be used as one of the major tools to further reveal how the Earth’s lateral heterogeneities affect the Earth’s oscillations.     

团树断层场地地震反应的数值模拟

团树断层场地在多次地震中出现了烈度异常。为了弄清烈度异常的原因，应用显式有限元方法，数值模拟了在脉冲地震波斜入射情形下断层场地的地震反应。结果表明：在基岩山脚附近土层场地地震动放大比基岩山区平均高4倍、比远离基岩山脚土层场地平均高2倍，与历史震害分布有较好的对应。