频率域全波形反演方法研究进展

全波形反演是一种利用地震波传播的动力学特征来获取地下介质物性参数的反演方法,可为揭示地下精细结构提供重要依据。本文以弹性波方程作为数学模型来模拟地震波传播规律并进行相应的反演方法研究。为提高计算效率与反演结果的准确性,可将近似解析离散化（NAD）算子用于频率域弹性波方程的正演模拟。本文在频率域NAD离散的基础上推导阻抗矩阵的稀疏分块结构与反演目标函数对模型参数的梯度计算公式,由此建立基于NAD算子的频率域弹性波全波形反演方法。为验证该方法的有效性,文中通过数值实验对多种典型介质模型进行反演计算,均得到了理想的反演结果。

     

声波方程频率域有限元参数反演

推导出频率域有限元声波正演方程,为了消除边界反射,将Clayton-Engquist旁轴波动方程吸收边界条件引入频率域,并对有限元刚度矩阵和质量矩阵进行压缩存储,利用广义共轭梯度法求解有限元方程获得正演解.在此基础上,推导出在某一频率下波场数据残差δU与单元物性参数修改量δλ之间关系的Jacobi矩阵,反演方法允许利用地面二维炮集全波场资料与给出初始模型参数的正演值的差值δU,迭代求得δλ.由于计算机内存的限制,方法计算不允许有过多数目的未知数个数,因此还提出了对同一介质物性单元的Jacobi矩阵元素进行压缩组装的措施,从而使反演的未知量个数减少,结合采用共轭梯度迭代法,使得只需利用有效波频段的少数一些频率即可进行迭代反演.正演和反演理论模型的数值模拟结果表明方法是有效的.     

声波方程频率域有限元参数反演

推导出频率域有限元声波正演方程,为了消除边界反射,将Clayton-Engquist旁轴波动方程吸收边界条件引入频率域,并对有限元刚度矩阵和质量矩阵进行压缩存储,利用广义共轭梯度法求解有限元方程获得正演解.在此基础上,推导出在某一频率下波场数据残差δU与单元物性参数修改量δλ之间关系的Jacobi矩阵,反演方法允许利用地面二维炮集全波场资料与给出初始模型参数的正演值的差值δU,迭代求得δλ.由于计算机内存的限制,方法计算不允许有过多数目的未知数个数,因此还提出了对同一介质物性单元的Jacobi矩阵元素进行压缩组装的措施,从而使反演的未知量个数减少,结合采用共轭梯度迭代法,使得只需利用有效波频段的少数一些频率即可进行迭代反演.正演和反演理论模型的数值模拟结果表明方法是有效的.     

基于加权平均导数的频率-空间域正演模拟及GPU实现

传统基于旋转坐标系的频率-空间域正演模拟方法仅适用于方形网格,而实际生产中矩形网格广泛存在,本文提出一种适用性广的正演差分算子,不仅适用于方形网格而且适用于矩形网格. 通过综合运用平均导数法、加速项加权平均、模拟退火法压制频散和减少单个波长所需网格点数,从而提高算法精度和减少计算量. 在该方法的基础上采用不完全LU分解作为求解Helmholtz方程的预条件,并利用图形处理器加速计算速度,很大程度上提高了频率域正演的效率.     

简化混合域全波形反演多GPU加速策略

全波形反演利用地震记录中的振幅、走时和相位等信息,通过拟合实际地震记录和计算波场来定量提取地下介质的弹性参数,进而为勘探地震成像、速度建模以及大尺度构造演化分析等提供可靠依据.但全波形反演计算量巨大,特别是应用于三维大区块叠前数据时,生产成本仍然很高.本文介绍并比较了时间域和频率域的全波形反演方法,综合两者的优点,最终采用混合域的反演算法,并且在此基础上做了进一步的简化以提高计算效率.针对全波形反演方法应用于大规模叠前数据时易陷入局部极小值的问题,我们提出对模型数据进行分割,同时在数个小模型内进行梯度搜索,然后对比各个局域的梯度,最终找出合适的全局下降方向,以克服局部极小的隐患.该方法能够充分利用GPU的硬件特性.在GPU环境下实现本文所提出的简化混合域全波形反演算法.数值计算实例体现出新方法具有良好的计算效率、反演精度和算法可扩展性.

     

油气勘探地震资料处理GPU/CPU协同并行计算

随着图形处理器（Graphic Processing Unit: GPU）在通用计算领域的日趋成熟,使GPU/CPU协同并行计算应用到油气勘探地震资料处理中,对诸多大规模计算的关键性环节有重大提升.本文阐明协同并行计算机的思路、架构及编程环境, 着重分析其计算效率得以大幅度提升的关键所在.文中以地震资料处理中的叠前时间偏移和Gazdag深度偏移为切入点,展示样机测试结果的图像显示.显而易见,生产实践中,时常面临对诸多算法进行算法精度和计算速度之间的折中选择.本文阐明GPU/CPU样机协同计算具有高并行度,进而可在算法精度与计算速度的优化配置协调上获得广阔空间.笔者认为,本文的台式协同并行机研制思路及架构,或可作为地球物理配置高性能计算机全新选择的一项依据.     

频率域航空电磁数据变维数贝叶斯反演研究

传统的梯度反演方法已经广泛应用于频率域航空电磁数据处理中,然而此类方法受初始模型影响较大,且容易陷入局部极小.为解决这一问题,本文采用改进的变维数贝叶斯反演方法实现航空电磁数据反演.该方法根据建议分布对反演模型进行随机采样,并依据接受概率筛选合理的候选模型,最终获得反演模型的概率分布和不确定度信息.为解决贝叶斯反演方法对深部低阻层反演效果不佳的问题,本文通过引入合理加权系数,调整对反演模型约束强度,在很大程度上改善了反演效果.通过对模型统计方法进行改进,在遵循原有模型采样方法和接受标准的基础上,将满足数据拟合要求的模型纳入统计范围,削弱不合理模型对统计结果的干扰.本文最后通过对含有高斯噪声的理论数据和实测数据进行反演,并与Occam反演结果进行对比,验证了该方法的有效性.     

GPU/CPU协同粗粒度并行计算及在城市区域震害模拟中的应用

采用精细结构模型和动力时程分析以提高城市区域建筑震害预测精度已经成为一重要研究方向,而传统的CPU计算平台成本过高,难以推广。本文提出采用基于GPU/CPU协同粗粒度并行计算的方法来实现城市区域建筑震害的高效精细化动力时程计算,可以显著提高效率并降低成本。简述了所采用的程序架构、计算模型、参数选取,对并行计算的效率进行了详细的讨论,并通过一个中等大小城市的案例展示了该方法的优势。     

频率域全波形反演中关于复频率的研究

Laplace-Fourier域全波形反演可以利用简单的初始模型,从缺失低频信息的地震数据中得到长波长速度模型.Laplace-Fourier域全波形反演等价于本文的复频率全波形反演,但二者的实现方式不同,因此研究复频率全波形反演,可以为二者的对比研究并发展更有效的方法奠定重要基础.本文首先比较用线性增加模型作为初始模型时几个包含不同高低频成分的频率组的反演效果,再比较结合复频率之后各个频率组的反演效果,从简单模型和复杂模型的测试中都可以看出这种复频率+频率反演的方式对反演效果有明显改善.     

频率域航空电磁数据的加权横向约束反演

传统的一维反演技术已经被广泛应用于航空电磁数据解释中.然而,利用单点水平层状介质模型模拟地下复杂地电结构有时会遇到困难.突出表现在反演参数的横向不连续性,即使相邻测点的反演结果也会出现突变.本文针对航空电磁直升机吊舱系统可进行密集采样,相邻测点地下电性结构应具有某种程度连续性的特点,研究航空电磁数据横向约束反演理论,并提出参数加权约束方法.首先阐述频率域航空电磁正演和加权横向约束反演理论,着重介绍这种拟二维反演方法的基本原理和实施步骤,以及将该方法成功应用于频率域航空电磁数据反演处理的方法技术.最后,通过对理论和实测数据反演处理,并与传统的一维反演结果进行对比,验证加权横向约束反演方法的有效性.     

Estimation of depth and magnetization of magnetic sources from magnetic data: The linearized continuous inverse problem for 21/2D structures

The estimation of the depth to the top and bottom of a magnetic source from magnetic data defines a nonlinear inverse problem, while the evaluation of the distribution of magnetization determines a linear inverse problem. In this paper, these interpretation problems are resolved in the continuous case of 2_1/2D magnetized bodies with lateral magnetization variations. A formulation of the magnetic problem accounting for different directions of remanent and total magnetization vectors and including a more general definition of apparent susceptibility is presented. Differences between 2D and 2_1/2D formulations are stressed, as regards the anomaly amplitude, shape and zero-level.In order to utilize well-known continuous linear inverse methods, Fréchet derivatives of the data functionals with respect to the depth of the source top and bottom, are analytically described. Thus, using the spectral expansion inverse method (Parker, 1977) and linearizing the problem at several steps of an iterative process, the source depth is obtained within a few iterations, although the starting model is distant from the final solution. The interpretation of an anomaly in the Italian region shows the usefulness of the method.     

基于伪谱和有限差分混合方法的兰州盆地强地面运动二维数值模拟

利用伪谱和有限差分混合方法对兰州盆地进行二维强地面运动模拟.假设3个不同的震源深度5、10、20 km的同一地震下,以一个5层的二维剖面作为模型,以此来研究地震波传播过程并分析复杂的二维非均质路径效应,以及局部地下速度构造对强地面运动振幅加乘的影响,从而了解路径效应对强地面运动最大峰值位移的影响程度.研究结果显示:伪谱和有限差分混合方法模拟地震波场结合了有限差分法和伪谱法的优点,弥补了二者的不足,能较好地处理介质不连续面的计算,同时保证了和伪谱法相当的计算精度.通过地震波场模拟可知沉积盆地的强地面运动较基岩相比具有放大效应,震源深度的不同对兰州盆地垂直分量地面最大峰值位移影响较大,在震源深度为5 km时最小,为0.06 cm;震源深度10 km时在水平剖面30～55 km范围内峰值位移最大,达到0.14 cm;但对水平分量的峰值位移影响较小.