三维起伏地表条件下地震波走时计算的不等距迎风差分法

三维起伏地表条件下的地震波走时计算技术是研究三维起伏地表地区很多地震数据处理技术的基础性工具.为了获得适应于任意三维起伏地表且计算精度高的走时算法,提出三维不等距迎风差分法.该方法采用不等距网格剖分三维起伏地表模型,通过在迎风差分格式中引入不等距差分格式、Huygens原理及Fermat原理来建立地表附近的局部走时计算公式,并通过在窄带技术中设定新的网格节点类型来获得三维起伏地表条件下算法的整体实现步骤.精度及算例分析表明:三维不等距迎风差分法具有很高的计算精度且能够适应于任意三维起伏地表模型.     

基于快速推进迎风双线性插值法的三维地震波走时计算

三维地震波走时计算技术是三维地震反演、层析成像、偏移成像等诸多地震数据处理技术中非常重要的正演计算工具.为了获得精度高且兼顾效率的三维走时计算方法:首先, 在常规双线性插值公式推导过程中, 充分利用平面波双线性假设的结论, 获得了二元极小值超越方程的解析解, 进而推导出了准确的局部走时计算公式, 同时构造性地证明了该计算公式满足地震波的传播规律和Eikonal方程;其次, 引入迎风差分的基本思想, 提出迎风双线性插值的局部走时计算策略, 该计算策略能简化算法、提高效率且保证无条件稳定性;然后, 将上述计算公式和迎风双线性插值策略与常规快速推进法中的窄带技术结合, 获得了一种新的基于快速推进迎风双线性插值法的三维地震波走时计算方法;最后, 通过精度和效率分析检验了新算法的精度、效率和正确性, 并通过计算实例验证了算法在面对复杂介质时的稳定性和有效性.     

复杂地表条件下基于线性插值和窄带技术的地震波走时计算

为了在复杂地表条件下实现地震波走时计算,提出了一种基于线性插值和窄带技术的走时计算新方法.其中,线性插值用于局部走时计算,窄带技术用于局部波前捕获和追踪.为了逼近起伏地表,采用三角网和矩形网相结合的方法对速度模型进行剖分.为了得到局部走时计算公式,利用费马（Fermat）原理和关于入射点位置的限定条件.有关编程实践和数值试验表明：新方法不仅可以有效、灵活地处理地表高程的剧烈变化,而且还具有很好的适应性和稳定性,得到的计算结果满足波前传播规律.     

起伏地表下地震波传播数值模拟方法研究进展

起伏地表是地震数据的采集、处理和解释中普遍遇到的难题.起伏地表下的地震波传播数值模拟,对起伏地表观测的地震资料处理解释有重要意义.地震波场模拟和地震波走时场分别描述地震波的动力学和运动学信息,为研究地震波传播理论的两种重要途径.本文从地震波场和地震波走时场两方面回顾和总结了起伏地表下的地震波传播数值模拟方法的研究进展,并展示了该领域的一些最新研究成果,为使读者能从中找到突破点,为起伏地表这一勘探领域的经典难题做出贡献.     

针对复杂地形的三种地震波走时算法及对比

复杂地形条件下地震波走时算法对于研究复杂地形地区的成像问题有着重要的意义.为了得到精度高且适应于复杂地形的走时算法,首先提出阶梯网格迎风差分法.然后将该方法与不等距网格有限差分法和混合网格线性插值法进行对比研究,得出如下结论:混合网格线性插值法的计算精度最高,但其计算效率最低;阶梯网格迎风差分法的计算精度最低,但其计算效率最高;不等距网格有限差分法的计算精度和计算效率均居中;而究竟选取哪种算法作为给定复杂地形模型的地震波走时算法,应该综合考虑地形的特点、所研究问题对计算精度及计算效率的要求等因素.最后通过一个计算实例验证了三种算法在面对复杂地形、近地表及地下复杂介质等复杂地质条件时均有很好的适应性和稳定性.     

任意介质中的动态规划法地震波三维走时计算

任意介质中的地震波三维走时计算是复杂介质情况下Kirchhoff积分法三维叠前深度偏移及走时层析成像的核心.走时算法的效率及精度决定了成像方法的应用范围及效果,对复杂地质构造区域的地震波成像时需要有稳健的走时计算方法.本文把Schneider等提出的用动态规划法计算二维任意复杂介质中走时的方法推广到三维.此方法的核心是构造从源点到当前计算点的平均慢度,基于Fermat原理,用球面波近似导出走时计算所用的公式,并用动态规划法搜索到达当前计算点的初至走时.它适用于任意复杂的介质情况,对速度差异没有限制,计算过程中考虑到各个可能的方向到达当前计算点的初至波.首波及回转波的初至走时也能正确地计算出来.各种理论速度模型上的走时计算及胜利油田某探区的三维叠前深度偏移的成功实践验证了方法的正确性.     

地震波走时的有限差分法计算

类似于Claerbout思想,将波动方程在射线理论中的对偶——镜像方程写为上、下行波方程的形式.对变换得到的守恒型偏微分方程,用E-O格式,可计算出任意速度构造的二维网格上各点的地震波走时.文中证明了守恒型偏微分方程的通量为一凸函数,采用单调的守恒型差分格式,精度符合要求.计算速度比目前所用的各种计算走时的方法都快得多,算法也便于向量化.     

地震波走时的有限差分法计算

类似于Claerbout思想,将波动方程在射线理论中的对偶--镜像方程写为上、下行波方程的形式.对变换得到的守恒型偏微分方程,用E-O格式,可计算出任意速度构造的二维网格上各点的地震波走时.文中证明了守恒型偏微分方程的通量为一凸函数,采用单调的守恒型差分格式,精度符合要求.计算速度比目前所用的各种计算走时的方法都快得多,算法也便于向量化.     

贴体网格各向异性对坐标变换法求解起伏地表下地震初至波走时的影响

笛卡尔坐标系中的经典程函方程在静校正、叠前偏移、走时反演、地震定位、层析成像等很多地球物理工作中都有应用,然而用其计算起伏地表的地震波走时却比较困难.本文通过把曲线坐标系中的矩形网格映射到笛卡尔坐标系的贴体网格,推导出曲线坐标中的程函方程,而后,用Lax-Friedrichs快速扫描算法求解曲线坐标系的程函方程.研究表明本文方法能有效处理地表起伏的情况,得到准确稳定的计算结果.由于地表起伏,导致与之拟合的贴体网格在空间上的展布呈各向异性,且这种各向异性的强弱对坐标变换法求解地震初至波的走时具有重要影响.本文研究表明,随着贴体网格的各向异性增强,用坐标变换法求解地表起伏区域的走时计算误差增大,且计算效率降低,这在实际应用具有指导意义.     

三维复杂山地多级次群推进迎风混合法多波型走时计算

三维复杂山地条件下的各种地震波型的走时计算技术,可以直接用于复杂山地区域地震波运动学特性的分析、地震数据采集观测系统的设计以及直接基于三维复杂地表的地震数据处理技术的研发.为了在三维复杂地表条件下准确、灵活且稳定地计算各种地震波型的走时,提出一种多级次群推进迎风混合法.该算法利用不等距迎风差分法简洁稳定地处理三维复杂地表及附近的局部走时计算问题,利用计算精度不错的迎风双线性插值法处理绝大部分均匀正方体网格中的局部走时计算问题,利用群推进法模拟三维复杂地表条件下地震波前的扩展问题,利用多级次算法处理各种类型的地震波的走时计算问题.算法分析和计算实例表明：新方法具有很好的计算精度与效率,且能灵活稳定地处理三维复杂地表复杂介质条件下的多波型走时计算问题.

     

大地电磁三维交错网格有限差分数值模拟的并行计算研究

为了更有效的提高大地电磁三维正演的计算速度,引入了并行处理技术.大地电磁三维交错网格有限差分数值模拟是按照不同频率来计算的,各频率之间求取电磁场值的过程是相互独立的.根据这一特点,可以将多个频率的计算任务平均划分为一个或者几个频率的计算子任务,分配到各个计算节点去并行执行,计算完成后将结果汇总.本文通过采用主从并行模式、分频并行计算的方案,在曙光TC5000A高性能并行平台上实现了基于MPI的大地电磁三维正演的并行计算.通过两个理论模型对实现的大地电磁三维正演并行算法进行试算,对比分析了多个节点机下程序的执行效率.测试结果表明,所实现的三维正演并行算法是正确的、高效的,为进一步的大地电磁三维反演并行算法研究奠定了重要基础.     

3D finite volume groundwater and heat transport modeling with non-orthogonal grids,using a coordinate transformation method

Many popular groundwater modeling codes are based on the finite differences or finite volume method for orthogonal grids. In cases of complex subsurface geometries this type of grid either leads to coarse geometric representations or to extremely fine meshes. We use a coordinate transformation method (CTM) to circumvent this shortcoming. In computational fluid dynamics (CFD), this method has been applied successfully to the general Navier–Stokes equation. The method is based on tensor analysis and performs a transformation of a curvilinear into a rectangular unit grid, on which a modified formulation of the differential equations is applied. Therefore, it is not necessary to reformulate the code in total. We applied the CTM to an existing three-dimensional code (SHEMAT), a simulator for heat conduction and advection in porous media. The finite volume discretization scheme for the non-orthogonal, structured, hexahedral grid leads to a 19-point stencil and a correspondingly banded system matrix. The implementation is straightforward and it is possible to use some existing routines without modification. The accuracy of the modified code is demonstrated for single phase flow on a two-dimensional analytical solution for flow and heat transport. Additionally, a simple case of potential flow is shown for a two-dimensional grid which is increasingly deformed. The result reveals that the corresponding error increases only slightly. Finally, a thermal free-convection benchmark is discussed. The result shows, that the solution obtained with the new code is in good agreement with the ones obtained by other codes.     

基于印模法的地面磁电阻率数据三维非线性共轭梯度反演

本文提出了能提高异常体分辨能力,同时得到绝对电导率的地面磁电阻率数据三维反演方法.磁电阻率响应用准直流的低频磁场代替;数值模拟由频率域电场满足的Helmholtz方程出发,采用三维交错网格有限差分法;长直导线源作为发射源,其中源的计算包含在背景场中;结合地面磁电阻率数据各分量的特点,选择y分量进行反演研究;反演采用三维非线性共轭梯度反演技术,为了提高异常体的深度分辨能力,进行迭代重构反演;用印模法对初始模型进行重构,采用的是辅模型在浅部,元模型在深部的组合方式.从合成数据和实际数据的反演结果可以得到以下的认识：（1）由频率域麦克斯韦方程组出发,低频磁场数据反演可以直接得到电导率,而不是相对电导率之比;（2）采用印模法组合初始模型,进行迭代重构反演,可以提高地面磁电阻率数据反演对异常体的分辨能力,确定埋深位置,同时不会丧失对于浅部异常体的分辨能力;（3）在结合印模法的地面磁电阻率数据三维反演中,深部异常体的分辨能力受地表不均匀导电体影响较小;（4）确定印模深度可以采用上一次重构反演结束时的模型变化量,通过相邻两次重构反演结束时的模型变化量之差来确定迭代重构是否终止.因为静磁场与重力场在数学上的相似性,本文的反演方法可以被运用到重力场等位场的地面数据的反演中.