地震复杂性成因的数值模拟

以最简单的弹簧滑块模型为理论基础,由完全确定性的动力学公式出发,采用细胞自动机技术,研究模拟地震序列时、空、强复杂性的成因。当中公有非线性动力学因素时,模拟序列的时空强特征十分复杂,当引入弹性结构的不均匀性,模拟大事件的空间和强度特征明显受控于断层的不均匀性。由模拟结果推测认为地震的复杂性是由于地球的不均匀性和断层破裂的非线性动力学相互作用而引起的。     

地震多级散射波正演模拟方法

地震波在穿越地下散射体群时会产生多级散射波,分析其地震响应特征,可推断散射体的分布情况和性质。本文从二维标量波动方程出发,结合地震散射理论和波恩近似理论,推导了多级散射波方程。在此基础上,采用高阶有限差分法对双点散射体模型和复杂散射体模型进行数值模拟,分析了多级散射波的传播规律和波场特征,并通过抽取多级散射记录和各级散射记录的单道记录与参考单道记录的对比,验证了本文推导散射波方程的准确性。      

面波频散反演的数值模拟

大量的数值模拟表明,ＳＶＤ和ＬＳＱＲＤ在面波频散网格反演两步法中的应用效率都很好。但ＳＶＤ可以用分辨矩阵、信息矩阵和协方差矩阵对解估计进行数学上客观有效的评价,而对于大型稀疏方程的求解,ＬＳＱＲＤ确是一种内存注小,计算速度快以及分辨抗噪能力都较强的算法。在现有计算机运算速度较快、内存可以扩弃较大的条件下,实测数据量不很大时,应采用ＳＶＤ算法进行线性反演。     

地震前兆复杂性的数值模拟研究

本文选用向各异性的准弹性介质模型和震源组合模型，应用有限元数模拟方法，研究了短阶临阶段地震前兆的复杂性。给出：临震异常的显现程度取决于观测点距发震构造的贴近程度。观测点赵接近发震构造，异常越明显。在时间分布上，异常先在外围出现后在震中区出现，呈现为异常从外转播的特征。此外，对于在同一观测点上的多手段（多种物理量）观测，由于不同物理量各自依赖于孕震过程中不同的变化因子，因此，同一观测点上的不同物理量     

煤层陷落柱散射波数值模拟与成像

煤层陷落柱是煤田勘探开发中常见的一种典型的非均匀地质体.由于来自陷落柱的反射信号少、反射能量弱,使得基于反射波原理的常规地震成像方法难以有效识别陷落柱.本文以散射波理论为基础,采用数值模拟方法,研究了陷落柱的散射波场特征,研究表明地面接收的波场中含有来自陷落柱陡倾角界面的散射波场.通过共散射点道集波场的模拟,可以清晰地识别散射波,获得地下散射点和非均匀地质体的信息,判断散射点的位置,从而勾画出不均匀地质体的形态.采用等效偏移距假设抽取共散射点道集,在此基础上进行叠前偏移,对陷落柱成像;模拟与实际数据成像结果对比表明此方法能够合理地提取散射点的散射波场信息,对陷落柱形态及内部结构准确成像,是一种有效的煤田陷落柱成像方法.     

土层地震反应的数值模拟

利用土层地震反应分析的一维模型,系统地讨论了波动数值模拟时域算法的基本概念,首先阐明了模拟上层下卧基岩的精确辐射条件与多次透射公式之间的关系,给出了实现精确辐射条件的简化方法,然后将此边界条件与土层有限元运动方程结合,提出了半无限土层地震反应的一种解耦的有限元算法,本文还进行了这一算法的数值模拟试验,讨论了时域算法较之常用的频域算法的优点,复阻尼和粘性阻尼影响的差异以及研究与复阻尼理论对应的时域,     

各向异性弹性波场的有限元数值模拟

研究了各向异性弹性波有限元正演系统的精度和效率问题，提出了一种透射加衰减的组合人工边界方案（吸收边办条件），它对各向异性波具有较好的吸收效果，并且有较好的稳定性能，均匀TI介质中的模拟获得了非常清晰的波场快照，其波场特征与理论分析能够准确吻合，各向异性介质模型的地表地震记录表明，各向异性波炮集记录在波的类型、同相轴形态、能量分布和相位等方面与各向同性波都有很大差别。     

应力扰动对地震周期和地震矩影响的数值模拟

利用二维有限元数值模型,结合断层滑移弱化摩擦准则对断层滑动规律以及应力扰动对其影响进行了研究．数值计算结果表明,在均匀应力分布情况下, 平面断层滑动显示出典型的特征地震规律,断层面上的应力扰动对断层滑动规律产生影响,压应力增加明显延迟地震的发生时间,并增加地震释放的能量．应力扰动发生在地震破裂临界区时的影响比在震前滑移区时的影响显著．当发生在地震滑移区时,若应力扰动足够大,则压应力增大会造成地震发生时部分动力断层被暂时锁住,使得地震释放的能量变小,但可增加后续地震的能量; 而压应力减小则可导致地震规律产生更加复杂的变化,会即时触发地震．如果应力扰动发生在一个地震周期的早期,则触发的地震较小,但可导致随后的地震提前发生; 如果应力扰动发生在一个地震周期的后期,则会触发大地震．当应力扰动位于震前滑移区或破裂临界区时,小的扰动也可能产生类似的效果．应力扰动产生越晚,这种影响也越明显．应力扰动发生在破裂临界区的影响最明显．应力扰动的影响一般主要集中在应力发生扰动后的1—2个地震周期内．后续地震基本恢复无应力扰动时的特征地震规律．      

隧道反射地震超前预报波场分离方法的数值模拟研究

本文以有限元数值模拟方法为依托,依次从波场快照、地震记录、波场分离、工程实例等四个角度论证了地震波传播规律和波场分离特点.模拟了单界面介质条件下地震波在隧道围岩中传播的全波波场.研究了反射波时距曲线的线性相关系数.比较了τ-p变换和F-K变换的滤波特点.结合工程实例,讨论了这两类线性波场分离方法在提取隧道前方反射波中的可行性和准确性,研究结果表明:当隧道前方地层倾角由直立变为缓倾时,反射纵波和横波的时距关系都能很好的视为线性.地层倾角的改变主要影响反射波走时和视速度.因此,应用τ-p变换和F-K变换进行波场分离,提取隧道前方单独的反射纵波和横波是可行和有效的.但对于缓倾地层,线性变换波场分离的结果存在较大的走时和视速度误差.易误滤除反射信号,需进行偏移处理.     

基于流体动力学数值模拟的海水层反射地震研究

由于多种海水运动同时存在以及地形的影响,海水层结构非常复杂,解释海水层地震相,分析海水运动过程是地震海洋学研究的新方向.本文提出结合流体动力学数值模拟与反射地震正演分析海水层地震相的方法.首先,对地形和流体建模,得到特定条件下流体运动状态;然后用反射地震正演将模拟获得的海水层温盐剖面转换为反射地震数据;进一步和实际测量得到的地震海洋学剖面进行对比,分析地形、海水运动对海水层地震相的影响.以内孤立波浅化过程为例,通过流体动力学数值模拟,获得其浅化过程中出现的下沉型、分裂、转换型三个阶段的海水层剖面;对温盐剖面进行反射地震正演,分析浅化不同阶段海水层反射几何形态、反射结构等特征.这种新方法有望解释复杂地震海洋学图像,深化海底地形对海水运动影响的认识.

     

地震波散射理论及应用研究综述

回顾了地震波散射的概念、研究历史及分类.对散射理论及应用研究成果进行了系统评述，特别对前人关于散射波数值模拟和应用研究的不足进行了总结：(1)观测系统设计不合理；(2)对散射波的特征研究缺乏系统性；(3)对复杂散射波场的识别方法没有进行系统研究；(4)适合散射成像的处理软件还有待开发.并介绍了作者关于地震散射波场特征数值模拟研究的初步成果.     

像域分解特征高斯波包地震数据模拟

分波型或时空局部特征波场的层析成像与叠前深度偏移成像组合是全波形反演成像方法(FWI)实用化的途径之一.其中如何高效稳健地获得具有时空局部特征的地震数据目前仍然是一个挑战.在前人提出的基于高斯束和高斯波包的Gabor框架散射波模拟的基础上, 本文提出了一种基于像域分解的特征高斯波包地震数据模拟方法.新方法利用具有空间局部特征的Gabor函数在成像剖面上实现数据的分解, 不仅可以利用成像剖面地质意义更加直观的特点来拾取特征反射界面, 还能有效地克服传统方法在数据域分解效率和精度不高等问题, 保证了分解后的反射数据具有更加明确的地质意义.此外, 不同于波动方程有限差分模拟, 基于时空局部特征的高斯波包模拟的一次反射波数据包含更多的数据属性, 比如反射波的到达时、空间位置和波场的传播方向, 这在层析反演中用于数据测量和偏移成像等处理时更具优势.数值实验测试表明了本文提出的分解方法的有效性.

     

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.     

基于散射理论与动态时间规整的时移地震波动方程差异反演

时移地震勘探作为储层动态监测的有效手段, 对获取地下介质的弹性或物性参数变化起到了至关重要的作用.由于多期地震勘探之间介质的传播速度存在差异, 同时环境条件、采集方式及处理手段等方面的不同, 都会使地震记录产生走时差异.而这种走时差异对时移地震反演存在着严重的影响, 尤其是基于波动方程的反演方法.为了消除时移差异, 我们引入动态时间规整(DTW)方法实现角道集优化匹配, 以获取地震记录的有效变化信息.此外, 本文提出根据散射理论, 通过弹性波动方程进行时移地震差异反演, 得到地层的差异弹性参数, 实现储层差异定量表征.该方法采用WKBJ近似模拟非均匀背景, 具有更高的反演精度, 尤其是在复杂地质构造条件下优势更加明显.本文对所提出的方法进行了数值模拟实验与实际数据应用, 证明该方法得到的反演结果优于传统方法, 可以实现对地层时移差异的准确刻画.

     

基于改进声波方程和MCPML边界的频率域高精度正演模拟

数值频散和边界反射是频率域模拟时需要解决的两个重要问题.然而,受计算效率和分解阻抗矩阵时的内存占用量的制约,提高有限差分算子长度或增加有限差分网格数目均不是提高频率域模拟精度的最优解决方案.本文首先分析了数值频散产生的理论机制,在此基础上,推导了一种"波数补偿"的声波方程表达式来压制数值频散,并给出其物理意义,有效地改善了数值频散问题,提高了模拟精度;在边界问题上,本文采用多轴卷积完全匹配层（MCPML）边界条件代替传统的完全匹配层（PML）边界条件,快速吸收边界内的残余能量,压制边界反射.结合改进声波方程和MCPML边界条件,给出了一种高精度的频率域声波方程有限差分格式.数值模拟结果表明,在不增加计算量和内存占用量的前提下,本文研究的方法、正演精度高、波场模拟清晰、无干扰反射,是一种可靠高效的频率域模拟方法.     

煤巷小构造Rayleigh型槽波超前探测数值模拟

对煤巷小构造地震波场进行了数值模拟研究,分析了层状煤层中地震波的传播特征.研究表明:(1)在煤巷迎头前方煤层内以纵波震源激发的Rayleigh型槽波相对于体波能量较强,波列较长,波速较低.(2)沿煤层传播的Rayleigh型槽波在小构造面上产生Rayleigh型槽波反射波,反射Rayleigh型槽波垂直分量相对于水平分量能量较强.沿煤层反向传播的反射Rayleigh型槽波在煤巷迎头面上转换为沿煤巷底板传播的Rayleigh面波.沿煤巷底板可以接收到能量较强的反射Rayleigh型槽波产生的Rayleigh面波,其可以作为超前探测小构造面的特征波.在地震记录上反射Rayleigh型槽波产生的Rayleigh面波波至最迟,在时间域与其他波列时间间隔较大,其垂直分量能量相对于水平分量较强,在地震记录上容易识别.(3)在相同的地质条件下应用反射地震超前探测方法,标志煤巷迎头前方存在小构造面的反射地震波能量较弱,受煤巷顶、底板界面和采煤迎头面的强反射波干扰,在地震记录中难以识别.     

2008年青海大柴旦Mw6.3地震地面运动模拟

2008年11月10日在青海柴达木盆地北缘发生了大柴旦M_W6.3地震,为了研究该地震的区域地震波传播与地面运动特征,本文利用地质资料和地壳速度结构研究成果,构建了柴达木盆地及周边区域三维传播介质模型,采用有限差分方法模拟了大柴旦地震波场传播过程以及地面运动分布特征.结果表明,柴达木盆地对波场传播有明显影响,表现为地震波传入盆地后在边界产生次生面波,盆地沉积物对地震波具有围陷作用,地震地面运动在盆地内振幅增大、持时延长.模拟结果给出的地震地面运动峰值速度分布以及理论地震图均和观测结果符合较好,反映数值模拟较好地给出了观测地面运动的主要特征以及传播介质模型的合理性.     

The role of the seismic trigger in the Calitri landslide (Italy): historical reconstruction and dynamic analysis

The study covered by this paper was focused on the historical case of the Calitri landslide, which was repeatedly reactivated by earthquakes, as reported since 1694. The town of Calitri (Southern Italy) is located on a ridge whose southern slope, from its top to the Ofanto river valley floor, has been historically affected by major landsliding. The last record of recurrence of the Calitri landslide leads back to the 1980 Irpinia earthquake, which caused significant damage to the town and had pervasive and visible ground effects. Based on a detailed historical reconstruction of landsliding and seismicity at Calitri, the study analysed the current static and dynamic stability of the landsliding slope by means of a finite-difference numerical analysis, taking into account the various factors of landslide initiation and kinematics. The results of the numerical analysis: (i) were consistent with the roto-translational mechanism observed upon the latest reactivation of the landslide; (ii) demonstrated that excess pore pressure redistribution caused a lag between the seismic trigger and the initiation of landsliding; and (iii) showed the impact of seismic input frequency on propagation and depth of slope instability.     

基于多测点分析法的水平井高精度磁方位校正方法

随着水平井、多分支井等技术的出现, 随钻测量技术对磁方位精度的要求越来越高.常规单测点磁方位校正法误差较大, 无法满足复杂结构对磁方位精度的需求.近年来, 国外围绕Brooks多测点分析法的基本公式, 建立了一系列优化后的多测点分析法来提高磁方位的精度.本文以多测点分析法的公式为基础, 结合常规单测点磁方位校正法, 推导出一套收敛的改进多测点分析法.并通过实验来验证改进后的多测点分析法的效果.用改进后的多测点分析法得到的方位角精度在0.2°以内, 达到或接近国际先进水平.通过进一步开展数据处理和分析, 该套算法可以应用于水平井、多分支井等大斜度钻井工程中的精确定位和导向.

     

断层几何形态和自发破裂的动力学参数对地震波场的影响

断层的自发破裂及其产生的地震波场是地震学研究的重要内容.断层几何形态和自发破裂过程中的动力学参数不同,往往会导致不同的震源破裂过程,进而对地震波场产生显著的影响.本文基于不同几何形态的断层上的自发破裂过程,通过计算研究其产生的地震波场的特征.针对弯折和分叉的断层系统,我们考察了初始成核区位置以及超剪切破裂对于地震波场的影响.结果显示,对于弯折断层,随着弯折角的增大,地震波场的峰值分布沿着弯折方向产生变化,过大的弯折角会对地震波场起抑制作用;在断层上破裂距离越长,积累的能量越大,引起的地震波场峰值也越大.对于分叉断层,角度更小的分支面具有更大的破裂优势,破裂强度更大,会引起更大的地震波场峰值.超剪切破裂将使得地震波场振幅更大,激发高频成分,在波形上能观察到明显的脉冲,同时增大永久位移.通过研究动力学破裂产生的地震波场的行为,有助于增进对地震波场特征产生原因的认识,为进一步的动力学参数反演奠定了基础.