曲线坐标系因式分解程函方程及其走时计算

地震波走时广泛应用于静校正、层析成像、Kirchhoff偏移成像、地震定位等研究.复杂地表条件是影响走时计算精度的重要因素.近年来,发展的曲线坐标系程函方程为精细刻画起伏地表条件下的地震波走时场特征提供了新的思路.然而,基于有限差分程函方程的求解方法不可避免地受到震源奇异性的影响,即震源附近波前的曲率较大,此时使用平面波近似假设的差分格式会导致较大误差.而震源误差会随着波前的传播到达整个计算区域,从而影响整个区域的求解精度.针对该问题,本文借鉴因式分解的思想,推导建立了曲线坐标系因式分解程函方程,并针对性地发展了其数值求解方法,从根源上解决了复杂模型走时计算中的震源奇异性问题.数值实例表明因式分解法能够有效降低震源误差,显著提高起伏地表走时计算的精度和效率,为起伏地表地震波走时计算提供更佳的选择,在复杂模型的地震资料处理中展现出广泛的应用前景.

     

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.     

青藏高原东南缘基于程函方程的面波方位各向异性研究

青藏高原东南缘作为高原物质侧向挤出的前沿地带,是研究岩石圈变形机制、高原物质侧向逃逸和深部动力学等科学问题的关键地区之一.本文利用研究区内540个宽频带流动地震台站记录的远震面波资料,基于程函方程面波层析成像方法获得了青藏高原东南缘周期14~80 s瑞利面波相速度和方位各向异性分布图像.结果显示：14~20 s周期内,面波方位各向异性分布与断裂带的走向和最大主压应力的方向密切相关,可能受到了断裂带和区域构造应力场的共同作用.川滇菱形块体的北部次级块体及丽江—小金河断裂带附近随着面波周期的增加,各向异性快波方向从NS向逐步转变为NE-SW方向,并与断裂带大致平行,而其以南的攀枝花附近表现为高相速度和弱各向异性的特征.我们推测,在川滇菱形块体北部存在明显的下地壳流,流动方向与块体向南的挤出方向基本一致,该地壳流受到攀枝花附近的高速、高强度坚硬块体阻挡,其前缘向西南方向流动.川滇菱形块体中部地区由于坚硬块体的存在,下地壳没有明显的通道流.在红河断裂以西地区,30~60 s周期范围的面波各向异性快波方向和红河断裂大致平行,推测可能与渐新世至中新世早期印支地块向南东方向的挤出密切相关.研究区东北部,四川盆地南缘地壳各向异性以NE-SW和NEE-SWW向为主与SKS快波方向明显不同,推测主要与该地区地壳的早期构造变形有关同时也说明SKS各向异性主要来自上地幔介质;在研究区南部104°E以西的中长周期面波各向异性方向与SKS分裂研究获得的近EW快波方向基本一致,但在104°E以东地区面波各向异性较弱且快波方向与SKS的观测结果存在明显差异,我们推测东部SKS各向异性来源深度至少在150 km以下.

     

地震波走时场模拟的快速推进法和快速扫描法比较研究

地震波走时信息在叠前偏移、叠前速度分析、地震层析成像、走时反演及地震定位等中都有重要应用.快速推进法因其理论完善、精确灵活,无条件稳定,近年来已在走时计算领域得到广泛应用.快速扫描法作为求解一阶非线性双曲型偏微分方程的高效方法,已在图像处理、计算机视图、控制论等领域得到有效应用,且在走时计算方面有所应用且展现了广泛的应用前景.本文介绍了两种方法的基本原理且(通过均匀介质模型、局部低速体模型和Marmousi模型)把两种方法做了详细对比.研究结果表明:1)基于逆风差分格式的快速推进法和快速扫描法对纵横向速度变化很大的不均匀介质依然有很好的稳定性和适用性,均可以准确地计算地震波初至走时;2)对于相同的模型和在相同的计算条件下,两种方法的精度相当,但快速扫描法所耗的CPU时间较快速推进法明显减少,效率显著提高.     

快速Fourier变换波动方程基准面校正方法研究

当地表起伏剧烈、近地表速度横向变化较大时,基于地表一致性假设的常规静校正方法存在着较大误差.波动方程基准面静校正方法能很好地解决起伏地表和复杂近地表结构问题,但计算量巨大,特别是三维波动方程基准面校正,适应横向任意速度变化、计算精度较高的有限差分或其混合的方法波动方程基准面校正涉及海量的计算和存储操作.为了提高波动方程基准面校正的计算效率,本文研究一类只用快速Fourier变换(FFT)实施波动方程基准面校正的方法,采用相移(PS)、分裂步(SSF)和一阶退化(DP1)三种具有相同算法结构、但不同计算效率、适应不同地表复杂程度的Fourier变换延拓算子.PS和SSF算子只适应于速度横向变化较弱的起伏地表;DP1通过在两个分裂步之间作波数域线性插值来实现波场延拓,将常规的SSF算法推广适应强速度横向变化介质和大角度传播波场.本文着重比较了基于这三种延拓算子的逐层延拓累加波动方程基准面校正方法对地表起伏和近地表速度横向变化的适应能力和计算效率,给出了一个相对定量的评估,以便针对不同的地表复杂程度合理选择合适的FFT波动方程基准面校正方法,既满足了精度又提高了计算效率.     

基于二维VTI拟声波程函方程的椭圆各向异性立体层析反演

基于二维VTI介质拟声波程函方程,应用射线扰动理论建立了该方程控制下的数据空间各参数对于模型空间各个参数之间的线性关系,从而获得二维VTI介质拟声波程函方程的各向异性立体层析核函数.考虑到拟声波近似程函方程中η参数与ε和δ存在强烈耦合,本文首先探讨椭圆各向异性情形,为二维拟声波程函方程椭圆各向异性立体层析算法奠定了理论基础.同时也为日后推广到非椭圆各向异性情况提供了一种获得高质量初始模型的可靠途径.理论数据算例证实了Fréchet核函数求取的正确性以及在此基础上设计的工作流程实现两参数反演的可行性.

     

地震波初至走时的计算方法综述

在地震波场中,初至波到时信息由于初至震相可追踪、易识别性,在地震学领域占有重要的位置,广泛地应用于叠前偏移、叠前速度分析、地震走时层析成像及地震定位等.本文主要介绍了四类具有代表性的计算初至波走时的方法:(1)基于高频近似射线理论方法,如最短路径方法(SPM),及修正后的最短路径方法(MSPM);(2)基于程函方程的数值解方法,如有限差分方法(FD)、快速推进法(FMM)和快速扫描法(FSM);(3)基于惠更斯原理的波前构建法(WFC);(4)基于频率域波动方程数值解法(FWQ).最短路径方法计算精度较高,稳定性较好,但其需要采用更多的网格节点,因此计算效率低;程函方程数值解法无需计算射线路径,具有计算效率高、稳定性较好、易于实现等优势,但其计算精度较低,可以通过引入高阶差分格式得到提高;波前构建法计算精度高,稳定性好,但其需要在射线网格和规则网格之间做网格转换,因此计算效率较低;频率域波动方程方法能适应任意复杂介质,但其计算精度和计算效率较低.     

华北克拉通地区基于程函方程的面波层析成像

利用布设在华北克拉通地区的流动和固定地震台站记录到的地震波数据,使用基于程函方程的面波成像方法获得了整个华北克拉通地区瑞利波15~150 s周期的相速度,并反演了研究区S波速度结构.中长周期相速度结果显示,在上地幔及岩石圈深度范围内,燕山地区表现为高速特征,华北克拉通中部大同盆地及其以南地区、太行山等区域的低速体与华北盆地的低速体相连,呈现大面积的低速异常,低速体的速度值比青藏高原东北缘的速度值更低;S波速度显示鄂尔多斯岩石圈厚度较厚,克拉通中部和华北盆地岩石圈厚度相差不大,燕山地区岩石圈厚度要厚于华北盆地.本文认为华北克拉通岩石圈破坏存在分区性,克拉通中部和燕山地区均存在一定的克拉通破坏,但破坏程度不同,鄂尔多斯地块北部存在局部克拉通改造,但克拉通稳定性特征依然存在;破坏的主要动力学来源更可能是太平洋板块的西向俯冲.研究发现克拉通中部和东部的强震分布区与克拉通破坏区域重合,大部分强震发生在岩石圈强度边界上,分析认为岩石圈强度的差异是岩石圈强度边界上显示出较高的强震活动性的原因.

     

鄂尔多斯及邻区基于程函方程的面波层析成像

利用鄂尔多斯及邻区的固定台站和流动台站记录到的面波资料,使用基于程函方程的面波层析成像的新方法,得到了鄂尔多斯及邻区12~150 s周期的瑞利波相速度的分布图.短周期的相速度很好的揭示出鄂尔多斯及邻区的山脉隆起和拉张盆地等引起的高低速异常的分布特征.中等周期的相速度显示鄂尔多斯盆地内部为显著的高速异常,而它的四周逐渐地被低速异常所包围.大同火山区的低速异常在垂向上进行不断的延伸和扩展,推测是由于其下方的岩浆上涌引起地壳和上地幔顶部升温造成的.长周期的相速度显示鄂尔多斯盆地下方在岩石圈深度范围内,以北纬38°为界南北部岩石圈的差异比较明显,呈现南部厚北部薄的特点.研究发现研究区从西到东岩石圈逐渐减薄,这可能是由于受到太平洋板块俯冲引起的地幔热物质上涌和运移的影响.

     

An upwind fast sweeping scheme for calculating seismic wave first‐arrival travel times for models with an irregular free surface

The topography‐dependent eikonal equation formulated in a curvilinear coordinate system has recently been established and revealed as being effective in calculating first‐arrival travel times of seismic waves in an Earth model with an irregular free surface. The Lax–Friedrichs sweeping scheme, widely used in previous studies as for approximating the topography‐dependent eikonal equation viscosity solutions, is more dissipative and needs a much higher number of iterations to converge. Furthermore, the required number of iterations grows with the grid refinement and results in heavy computation in dense grids, which hampers the application of the Lax–Friedrichs sweeping scheme to seismic wave travel‐time calculation and high‐resolution imaging. In this paper, we introduce a new upwind fast sweeping solver by discretising the Legendre transform of the numerical Hamiltonian of the topography‐dependent eikonal equation using an explicit formula. The minimisation related to the Legendre transform in the sweeping scheme is solved analytically, which proved to be much more efficient than the Lax–Friedrichs algorithm in solving the topography‐dependent eikonal equation. Several numerical experiments demonstrate that the new upwind fast sweeping method converges and achieves much better accuracy after a finite number of iterations, independently of the mesh size, which makes it an efficient and robust tool for calculating travel times in the presence of a non‐flat free surface.     

求解二次方程的二维VTI介质qSV波和qSH波走时快速扫描算法

地震波走时计算在观测系统设计、偏移成像、速度模型走时反演和地震定位等方面起到重要作用.各向异性广泛存在于地球介质中,影响地震波传播的振幅和走时,忽略各向异性的影响将对成像、反演以及地震定位等造成一定的误差.因此对于高分辨率成像和反演,走时计算中考虑各向异性十分重要.快速扫描法不需要存储和追踪波前面信息,在各向异性初至波走时计算方面应用广泛.传统的方法通过将慢度四次方程转换为走时四次方程并结合快速扫描法求解走时.该方法没有对程函方程做近似,适用于强各向异性介质,但存在计算效率低的问题.对于求解qSV波走时,本文发展了一种在局部解中将慢度四次方程简化为二次方程解析地快速求解走时的方法,极大地提高了计算效率.对于qSH波,慢度方程是二次的,可以直接解析求解.最后,本文用各向异性均匀模型和BP复杂模型进行测试,计算结果表明走时计算准确,验证了该方法的有效性.

     

改进的伴随状态法初至波走时层析成像方法

目前,有关伴随状态法初至波走时层析成像方法的文献,基本上都是基于面积分来定义目标函数,由此得到的伴随方程也都依赖于地表的法向量.这样,一方面会因为伴随变量计算的不准确而造成梯度的不合理,另一方面也无法合理地处理井中观测问题.本文从理论或数值试验角度指出了这些问题,并提出了不依赖地表法向量的改进的伴随状态法走时层析成像方法.主要改进包括：(1)采用体积分定义目标函数,避免了传统方法不能较好处理井中观测数据的缺陷,可以适应任意地表或井中观测系统.(2)采用摄动法得到了新的伴随方程,克服了传统方法中伴随场计算需要依赖于地表法向量的缺陷,使得检波点处的走时残差可以正确地反传播至地下,进而得到更加合理的速度修正方向,提高了速度反演的精度.

     

The numerical solution of the Advection-Dispersion Equation: A review of some basic principles

The simulation of solute transport in rivers is frequently based on numerical models of the Advection-Dispersion Equation. The construction of reliable computational schemes, however, is not necessarily easy. The paper reviews some of the most important issues in this regard, taking the finite volume method as the basis of the simulation, and compares the performance of several types of scheme for a simple case of the transport of a patch of solute along a uniform river. The results illustrate some typical (and well known) deficiencies of explicit schemes and compare the contrasting performance of implicit and semi-Lagrangian versions of the same schemes. It is concluded that the latter have several benefits over the other types of scheme.     

Classification of near-surface anomalies in the seismic refraction method according to the shape of the time–distance graph: A theoretical approach

Results obtained by SASW and PS-logging (in-hole) seismic techniques are compared with the relatively new ReMi (Refraction microtremor) method at a common site with a well-known soil profile: a recently constructed high-speed railway embankment. PS-logging is the most accurate technique in identifying the soil profile of the embankment followed by Re-Mi and SASW. Mean shear wave velocity estimations are also higher for PS-logging, followed by SASW and ReMi, while mean deviation is similar in each technique. The ReMi technique has provided very accurate results in the study of the embankment profile, which in addition to its high operability and its fast data processing, makes it a very convenient technique for extensive geotechnical surveys.     

基于柱坐标系的隧道空间溶洞探测全波场数值模拟

溶洞作为碳酸盐岩地区常见的一类局部不良地质体,其波场特征常常与形态、填充物、空间方位等因素相关,而受此影响地震类方法对溶洞的探测效果往往不理想.因此,要想实现地震类方法对溶洞的准确探测,首先需要明确不同状态下溶洞的波场特征.针对上述问题,考虑到实际隧道空间形态,本文首次采用柱坐标系下的一阶速度-应力弹性波动方程对隧道空间进行数值模拟,通过通量矫正技术压制频散,同时对已开挖段隧道与围岩的边界采用自由边界条件处理.对不同半径、不同填充物、不同方位的溶洞以及复杂溶洞模型的数值模拟结果及波场特征分析表明:本文提出的方法可实现隧道空间全波场高精度数值模拟,波场特征符合波的运动学与动力学特征;不同情况下溶洞波场特征的差异可有效的指导溶洞的探测与识别.     

2.5维电导率正交各向异性海洋可控源电磁等参有限元数值模拟

本文实现了2.5维电导率正交各向异性海洋可控源电磁等参有限元数值模拟.利用傅里叶变换导出了电导率正交各向异性2.5维海洋可控源电磁法波数域电磁场耦合方程,采用伽里金加权余量法推导了相应的有限元方程;采用任意四边形单元对研究区域进行剖分,在单元中进行双二次插值,将有限元方程化为线性代数方程组;最后,求解线性方程组并进行反傅里叶变换获得空间域电磁场值.这个方法可以模拟海底起伏地形条件下地下任意形状电导率正交各向异性的复杂模型.与一维模型的数值模拟结果对比表明,电磁场数值解与解析解吻合.二维模型的计算结果与二维自适应非结构有限元模拟结果也吻合.水平海底二维地电模型考察了不同各向异性系数对海洋可控源电磁响应的影响特征.海底起伏地形地电模型的数值结果表明,电导率各向异性对海洋可控源电磁响应影响明显,有可能淹没海底地形和高阻油气藏引起的异常.