有限差分法地震波数值模拟的几个关键问题

地震波数值模拟是研究地震波传播规律的重要手段,对指导地震资料的采集、处理和解释有重要意义.有限差分法由于其简单易于数值计算,在求解偏微分方程和近场波动的问题越来越受到关注.本文详细阐述了与有限差分法地震波数值模拟有关的几个重要问题,对有限差分法地震波数值模拟的发展历史、波动方程的差分离散、震源处理、稳定性分析、边界条件...     

分段光滑曲线边界波动方程数值模拟研究

矩形网格有限差分法在地震波传播数值模拟方面具有计算速度快的显著优势,但该方法在处理复杂边界问题上存在着效率低的严重缺陷.本文针对分段光滑曲线边界定义了尖点处的一种正则导数,给出了矩形网格情形分段光滑曲线网格边界点法向导数的一种插值计算方法.采用矩形网格有限差分法对复杂边界地球介质模型进行地震波场数值模拟,并采用波场系列快照技术揭示地震波在起伏地表和复杂介质中的传播规律.模拟结果表明：法向导数插值计算方法为矩形网格有限差分法处理复杂边界提供了有效途径,采用波场系列快照技术可以清晰地展现地震波在反射界面的反射和透射规律、在尖点的绕射规律以及在自由表面的直达波和多次反射规律.     

高精度有限差分地震波正演方法

三维地震模拟不仅可以更精确地研究地震波的传播规律,而且是三维地震资料处理和解释的工具。本文采用精细积分法用于求解波动方程.对波动方程在空间采用差分格式,时间域采用积分法求解析的方法。文中详细论述了精细积分法的数值方法,并给出了计算公式。理论分析和数值算例的结果表明了用这种混合方法得到的解与精确解十分吻合,比有限差分法具有更高的精度。文中给出的地震波正演模拟算例说明了该方法适用于复杂地表和复杂构造地质体。     

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.     

复杂介质地震波传播模拟中边界元法与有限差分法的比较研究

地震波场数值模拟是理论地球物理学和勘探地球物理学的重要研究手段.在众多数值模拟方法中边界元法和有限差分法是两种典型的地震波传播模拟计算方法.边界元法是一种半解析-半数值的边界型方法,它显式地利用边界连续条件,沿着地层边界进行离散,具有降维、高精度和自动满足远场辐射条件的优点;有限差分法是一种典型的基于微分的区域型方法,它隐式地使用边界连续条件,以空间网格形式进行离散和数值逼近,具有高效、实用和容易数值实现的优点.本文以一个半圆形均匀Valley模型和两个非均匀断裂/断层模型为例,从计算精度、计算效率、频散特性以及适用性等方面对这两种方法进行了比较研究.数值计算结果表明:边界元法可以精确地几何描述有内部断点、断面的复杂构造,能够精确地模拟内部不规则界面之间波的反射/传播;有限差分法不能以足够的精度描述几何断点和内部不规则边界.边界元法在高频时计算量大于有限差分法,有限差分法则需要更小的网格间距以压制数值频散.因此,在处理内部非均质和高频计算时,有限差分法更有效;在处理内部不规则边界、断点、大尺度等问题时,边界元法比有限差分法更有优势.     

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.     

间断的Galerkin方法在地震波场数值模拟中的应用概述

通过数值求解描述地震波传播的微分方程来模拟波的传播角度而言,在日趋繁荣的地震波场数值模拟方法的探索中,间断的Galerkin方法(Discontinuous Galerkin,DG)是继有限差分法、伪谱法、有限元法以及谱元法之后出现的另一种有效的数值模拟方法,该方法从2005年以来在地震波场模拟中得到了迅速发展,给这一学科注入了新的活力.但是从国内的发展来看,在地震波场数值模拟方面还没有得到足够的关注.尤其是现有的综述性文献都忽略了这一方法得到的有益的成果,本文将重点介绍间断的Galerkin方法的发展及其在地震波场数值模拟的最新应用研究.     

各向同性介质中射线理论与有限差分地震波场模拟方法比较研究

地震波场数值模拟不仅是研究复杂地区地震资料采集、处理和解释的有效辅助手段,而且是研究地球深部精细构造和地球深部探测的有效工具.射线理论和波动方程理论是地震波场数值模拟的理论基础.射线理论主要刻画地震波在介质中传播的走时场、地震射线等运动学属性;波动方程理论通过求解波动方程来描述地震波在介质中传播的弹性动力学响应(能量衰减、相位特征、偏振属性、以及全波形等).基于波动方程理论的波场数值模拟由于能够引入丰富的波场信息,使得人们对不同介质中地震波的传播过程有了较全面的了解.本文以二维层状均匀介质模型为例,通过射线追踪法和交错网格有限差分法模拟得到的波场快照图、单炮地震记录剖面、合成理论地震图的分析比较,不但对地震波在各向同性层状均匀介质中的传播规律和特点有了深刻的理解和认识,同时又可以相互验证两种不同方法的正确性和有效性.     

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。     

起伏地表下基于改进BISQ模型双相介质中曲线网格有限差分法波场模拟

本文以基于改进BISQ模型的二维双相各向同性介质一阶速度-应力方程为基础,推导出了曲线坐标系下对应的方程,然后采用低频散、低耗散的同位网格MacCormack有限差分法来离散方程,并采用紧致的单边MacCormack差分格式结合牵引力镜像法来施加自由地表边界条件,实现了地震波场数值模拟.曲线网格有限差分法采用贴体网格来描述自由表面,地表的网格线紧贴地形,避免了台阶近似造成的数值散射.数值模拟结果表明,在双相介质起伏自由地表和分界面处,各类波型复杂的反射透射规律可以清晰展现,曲线网格有限差分法可以精确地解决地震波在含起伏地表的双相各向同性介质中的传播问题.     

Seismic wavefield modeling based on time-domain symplectic and Fourier finite-difference method

Seismic wavefield modeling is important for improving seismic data processing and interpretation. Calculations of wavefield propagation are sometimes not stable when forward modeling of seismic wave uses large time steps for long times. Based on the Hamiltonian expression of the acoustic wave equation, we propose a structure-preserving method for seismic wavefield modeling by applying the symplectic finite-difference method on time grids and the Fourier finite-difference method on space grids to solve the acoustic wave equation. The proposed method is called the symplectic Fourier finite-difference (symplectic FFD) method, and offers high computational accuracy and improves the computational stability. Using acoustic approximation, we extend the method to anisotropic media. We discuss the calculations in the symplectic FFD method for seismic wavefield modeling of isotropic and anisotropic media, and use the BP salt model and BP TTI model to test the proposed method. The numerical examples suggest that the proposed method can be used in seismic modeling of strongly variable velocities, offering high computational accuracy and low numerical dispersion. The symplectic FFD method overcomes the residual qSV wave of seismic modeling in anisotropic media and maintains the stability of the wavefield propagation for large time steps.     

求解二阶解耦弹性波方程的低秩分解法和低秩有限差分法

时间域的波场延拓方法在本质上都可以归结为对一个空间-波数域算子的近似.本文基于一阶波数-空间混合域象征,提出一种新的方法求解解耦的二阶位移弹性波方程.该方法采用交错网格,连续使用两次一阶前向和后向拟微分算子,推导得到了解耦的二阶位移弹性波方程的波场延拓算子.由于该混合域象征在伪谱算子的基础上增加了一个依赖于速度模型的补偿项,可以补偿由于采用二阶中心差分计算时间微分项带来的误差,有效地减少模拟结果的数值频散,提高模拟精度.然而,在非均匀介质中,直接计算该二阶的波场延拓算子,每一个时间步上需要做N次快速傅里叶逆变换,其中N是总的网格点数.为了减少计算量,提出了交错网格低秩分解方法;针对常规有限差分数值频散问题,本文将交错网格低秩方法与有限差分法结合,提出了交错网格低秩有限差分法.数值结果表明,交错网格低秩方法和交错网格低秩有限差分法具有较高的精度,对于复杂介质的地震波数值模拟和偏移成像具有重要的价值.     

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.     

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.     

高精度频率域弹性波方程有限差分方法及波场模拟

有限差分方法是波场数值模拟的一个重要方法,但常规的有限差分法本身存在着数值频散问题,会降低波场模拟的精度与分辨率,为了克服常规差分算子的数值频散,本文采用25点优化差分算子,再根据最优化理论求取的优化系数,建立了频率空间域中弹性波波动方程的差分格式;为了消除边界反射,引入最佳匹配层,构造了各向同性介质中弹性波方程在不同边界和角点处的边界条件. 最后由弹性波波动方程和边界条件,通过频率域有限差分法,分别利用不同震源对弹性波在均匀各向同性介质、层状介质及凹陷模型中的传播过程进行了数值正演模拟,得到了单频波波场、时间切片和共炮点道集,为下一步的研究工作（如成像、反演）提供了研究基础.     

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.     

Ray and finite-difference modelling of CDP seismic sections for shallow lignite deposits

A numerical experiment carried out to investigate the structural model of the Domenico lignite site is discussed. The model is a 2D structure containing several lignite layers at different depths, and a low-velocity layer at the top of the model. The experiment consists in simulating a measured CDP section by two independent techniques, based on completely different concepts: the finite-difference method and the ray method. Due to the incompleteness of the ray synthetic wave field, as well as to numerical problems of the finite differences at higher frequencies, the agreement between the synthetic seismogram sections for the individual shot points is poor. However, the CDP stacked sections modelled by the ray and finite-difference methods agree rather well. This is because the main differences between the wave fields computed by the two methods are due to the presence of the low-velocity layer (ground roll, head waves, etc.), and just these parts of the wave field can be suppressed by routine data processing such as f–k filtration. Synthetic ray and finite-difference CDP stacks agree relatively well with the observed data. They confirm three lignite seams and a fault in the shallower one. The synthetic data also indicate that many apparent horizons of the measured section may be due to the multiple reflections within the subsurface low-velocity layer.     

双相各向异性介质中偶数阶精度有限差分数值模拟

To improve the accuracy of the conventional finite-difference method, finitedifference numerical modeling methods of any even-order accuracy are recommended. We introduce any even-order accuracy difference schemes of any-order derivatives derived from Taylor series expansion. Then, a finite-difference numerical modeling method with any evenorder accuracy is utilized to simulate seismic wave propagation in two-phase anisotropic media. Results indicate that modeling accuracy improves with the increase of difference accuracy order number. It is essential to find the optimal order number, grid size, and time step to balance modeling precision and computational complexity. Four kinds of waves, static mode in the source point, SV wave cusps, reflection and transmission waves are observed in two-phase anisotropic media through modeling.     

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。