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.     

一阶弹性波方程数值模拟中的混合吸收边界条件

Liu和Sen（2010和2012）在地震波场数值模拟中提出一种混合吸收边界条件. 该方法具有计算量小、容易实现及吸收效果好等优点. 但现有的混合吸收边界条件是针对二阶位移-应力方程设计的,存在稳定性问题. 本文首先推导了两种速度-应力单程波方程：二阶Higdon单程波方程和一阶Higdon单程波方程. 进而提出基于一阶弹性波方程的混合吸收边界条件方法. 在内部区域和边界之间引入一个过渡区域,通过单程波与双程波方程平滑过渡来消除人工边界反射. 为了改善混合吸收边界条件的吸收效果和稳定性,我们采用了能同时吸收纵、横波反射的一阶单程波方程和与变量位置有关的加权系数. 为了验证混合吸收边界条件的有效性,将其与常规分裂完全匹配层（PML）方法进行了比较. 数值模拟结果表明,与PML边界条件相比,混合吸收边界条件在耗用更小计算时间和存储量的前提下,可以获得更好的吸收效果. 另外,本文提出的两种混合吸收边界条件中,混合一阶Higdon吸收边界条件具有更好的稳定性.     

基于声学全波形反演的油气藏地震成像方法

岩性油气藏在我国天然气勘探开发中占有非常重要的位置,其分布区域的成像是合理布设井位,提高钻井成功率的关键之一.本文首先基于地下介质的声学近似和波场回传理论,利用频率域单程声波方程延拓计算地震波场,进行全波形反演,获得地层密度和体积模量的定量成像,并依据油气藏物性特征和流体饱和多孔介质岩石物理模型,简要讨论了孔隙度和饱和度与密度及体积模量的关系,明确了地震油气藏成像新概念.在此基础上,定义了基于流体体积模量和孔隙度的成像函数,进行油气藏成像.理论模型计算表明该方法是可行的.通过对西部地区某气田二维地震数据处理,实现了致密砂岩气藏成像,钻井结果证实了气藏区域成像位置的准确性和方法的有效性.     

各向异性弹性波动方程多分量联合叠后逆时偏移

为了更好地描述地下介质的各向异性特性,实现准确的波场成像,开展了各向异性介质逆时偏移研究。采用高阶交错网格有限差分法推导出各向异性弹性波动方程叠后逆时深度偏移方程,证明各向异性介质向各向同性介质转化的条件,并研究Thom son参数对弹性波场的影响,合成了各向同性介质和各向异性介质多分量零偏移距剖面,实现了多分量模拟记录联合叠后逆时偏移。计算结果表明,能够准确地实现多分量波场叠后逆时成像,使地质层位中的断层、断点等目标成像清晰准确,且偏移成像精度较高,因此各向异性逆时偏移法是一种高精度的深度域偏移成像方法,可以指导实际天然地震资料和人工地震资料的数据处理。     

先锋孤立子生成问题中的物理常数

借助由徐肇廷导得的AfKdV方程,理论上求得了局部强迫先锋孤立子生成问题中的6个物理常数和2个一般关系式,基于诸fKdV方程的系数之间的正则特性,用两层流的实验和数值计算来检验6个物理常数和2个一般关系式,从理论、数值和实验之间比较得知三者吻合很好,理论中不含任何自由参数,因此理论可用于局部强迫先锋孤立子生成问题中的波要素的预报.     

利用伴随算子法从岸边潮位站资料估计近岸模式的开边界条件

利用岸边潮位资料来估计潮汐模式的开边界条件的问题进行了讨论和一些数值试验研究.所用方法是基于最优控制理论的伴随算子法.利用模拟的“资料”来求最优的模式开边界条件,使模式结果与“资料”在最小二乘的意义下拟合的最好.数值试验考虑了两个理想化的模式区域.模式是IAP浅水方程模式.通过数值试验可对方法的有效性和局限性进行检验.结果表明伴随算子法在许多情况下可很好估计出潮汐模式开边界条件,并较之传统的方法,有潜力提高潮汐模拟和计算的精度.     

利用PETSc和FEPG编制海啸数值模拟程序的研究

海啸的数值模拟是海啸研究的一个重要领域, 它对于帮助理解海啸的基本物理特性和预防减灾具有重要意义。 海啸数值模拟程序的编制是一项繁杂的工作, 该文介绍了利用两种功能强大的通用软件(PETSc和FEPG)来进行海啸数值模拟程序编写的研究。 PETSc和FEPG采用有限差分、 有限元、 有限体积等多种离散方法, 可以对数值问题给出稳定的求解。 该文采用了直角坐标系下的非线性浅水波方程作为海啸波传播的控制方程进行离散求解, 并将其结果与TUNAMI N1模型进行了比较, 表明这两种方法方便而且有效。     

格林函数的奇异性处理

格林函数在解决电磁场和直流电场问题的积分方程法和边界单元法等方法中有着广泛的应用.在应用格林函数时会遇到格林函数奇异性的问题,即其在源区域的内部,当场点和源点重合时,会碰到对格林函数为无穷大,积分为奇异积分.对于不同问题中遇到的不同形式的格林函数奇异性问题的各种处理方法进行了分析和评述.对于标量格林函数奇异性问题处理方法有：挖去法、级数展开法、绕开法和解析法等.对于并矢格林函数奇异性问题处理方法有：分量处理法、源并矢法和拟源并矢法等处理方法.通过对实际工作中所遇到的新方法新问题中的不同形式的格林函数的研究,提供了奇异性问题的处理的方法和途径.     

一维有耗散波动方程的奇性分析与小波

对系数有强奇性（间断）的波动方程,用通常的线性化简的方法时往往会将数值小但奇性强的项略去,导致结果严重失真。利用小波变换这一工具,可以在化简时保留奇性的主要部分,使所得的结果从奇性分析的观点看来更为精确。此方法曾被用来处理系数有间断的一维波动方程,得到了与精确解的奇性主部完全一致的解．在本文中,我们改进了用小波变换作奇性化简的方法,对系数有间断的一维有耗散波动方程求得了与精确解奇性主部完全一致的解。这说明利用小波分析作奇性化简的方法对高频近似及奇性分析问题是普遍适用的．     

声波测试中振子衰减的线列阵模型

从声波在岩体中传播产生衰减的基本原理出发，建立了声波衰减振子的线列阵模型。该模型是将传播声波路径的岩体分为若干个振子，从波动概念出发，以振动原理作依据建立波动方程．为探讨岩体声波衰减机制提供了一种新的研究方法，把振动和波动直观地联系起来．单一方向上有限点的声波测试技术有可能被多方向的声测技术所代替．该模型的建立，使模态分析和参数识别方法应用到岩体声波测试技术中成为可能。