基于GPU和CPU协同并行的三维各向异性介质地震波场正演模拟

莺歌海盆地中深部地层具有多套超低速层、异常高压、垂向裂隙发育等特点,使得介质具有各向异性,地震波场特征复杂,正演模拟是研究波场特征和观测系统优化的主要手段之一,而海上震源子频带宽、主频高,要求正演模拟网格剖分小,导致计算量大。为此,发展了基于GPU和CPU协同并行的海上三维各向异性介质正演模拟方法,通过将模型分割并分配到不同进程上和任意选择并行计算的方向和每个方向上并行计算的进程个数,不仅可以减小每个进程上内存消耗,而且减少计算时间。简单3D模型的正演模拟验证了该方法可极大地提高计算效率,复杂构造各向异性介质模型中的模拟炮集记录的偏移成像结果验证了方法的可靠性,可适用于任意各向异性介质地震波场正演模拟。

三维各向异性TI介质中的P/S波快速解耦技术及在弹性波逆时偏移中的应用

随着多分量采集技术的发展,弹性波逆时偏移技术在三维各向异性介质复杂地质构造成像中得到了广泛的应用.然而耦合的P波场和S波场,会在传播过程中产生串扰噪声,降低弹性波逆时偏移的成像精度.为了解决这一问题,本研究针对具有倾斜各向异性对称轴的三维横向各向同性(Transverse Isotropy,TI)介质,提出了一种矢量弹性波场快速解耦方法,可以有效提高偏移剖面的成像质量.该方法首先通过坐标转换,将观测系统坐标系的垂直轴旋转到TI介质的对称轴方向,在新坐标系下,根据具有垂直对称轴的三维横向各向同性(Vertical Transverse Isotropy,VTI)介质中的分解算子,推导出三维TI介质解耦算子表达式.接着引入一种在空间域快速计算分解波场的方法,来实现空间域矢量P波场和S波场分离,极大地提高了计算效率.最后,通过点积成像条件,将提出的P/S波分解方法引入到三维TI介质弹性波逆时偏移中,得到高精度的PP和PS成像.与以往的波场分解方法相比,本文方法具有数值稳定和计算效率高的特点.数值算例表明,应用上述三维TI分解算子得到的偏移剖面有效压制了噪声,提高了成像质量.

三维各向异性裂缝介质正演模拟的三种交错网格适应性比较及Lebedev方法的改进

研究了三维各向异性裂缝介质的正演模拟的三种不同有限差分法,即标准交错网格(SSG)、旋转交错网格(RSG)和Lebedev方法(LS),详细对比分析这三种交错网格方法在模拟复杂各向异性介质的优势与局限.提出一种新的改进方法,简化了LS有限差分法在任意各向异性介质中的正演模拟.为了模拟三维大规模复杂各向异性介质的地震响应,提出一个优化的正演模拟计算流程:将模型参数分为模型介质参数和模型构造参数.该计算流程适用于三种有限差分法中的任何一种.使用LS方法实现任意三维各向异性裂缝介质地震响应的三维全波场模拟,通过使用三种不同的有限差分模拟方法进行二维和三维模型数值模拟试验,验证了所提出方法有效.

三维方位各向异性介质数值模拟及波场分析

采用交错网格技术将速度-应力方程中的速度对时间的导数转化为应力对空间的导数,将弹性波动方程表示为与二阶双曲方程等价的一阶应力-速度公式,以实现三维三分量地震波场模拟。对获得的波场快照、VSP记录图像和地面记录图像进行波场分析,发现在波场图像中存在明显的拟P波、拟快横波和慢横波,还出现了横波分裂、横波分裂盲区及波面三分叉等地震波在方位各向异性介质传播时产生的特殊现象。研究结果表明,用交错网格三维模拟方法研究方位各向异性介质对方位各向异性介质中地震波传播反演能起到很强的辅助作用。

三维双相各向异性介质弹性波方程交错网格高阶有限差分法模拟

基于Biot理论,给出了三维双相各向异性介质应力速度弹性波方程交错网格任意偶阶精度有限差分解法,并对三维双相各向异性(TIH)介质中弹性波场进行了模拟。结果表明,弹性波在三维双相各向异性介质中传播时存在快纵波qP1、快横波qS1、慢横波qS2和慢纵波qP2,并清楚地观测到了横波分裂、横波分裂盲点、波面三分叉等特殊现象。快纵波在固相和流相中的相位相同;而慢纵波在固相和流相中的相位相反,即慢纵波在流相中振幅大,而在固相中的振幅较小。另外,三维双相各向异性介质中弹性波场的快纵波和快横波的耦合关系、波的类型、能量分布和相位等都是在三维空间中变化的。

四面体单元剖分下三维各向异性TI介质中多次波射线追踪

采用不规则四面体单元做模型剖分,实现了三维复杂层状各向异性TI介质中多次(透射、反射及转换)波的追踪计算,弥补了现行算法主要采用规则网格计算多次波的不足。根据介质的5个弹性参数及其对称轴倾角和走向,计算主节点上qP、qSV和qSH波群速度,由此线性插值得到次级节点的群速度值;然后采用不规则最短路径算法,并结合分区多步计算技术实现多次波追踪计算。均匀各向异性介质中计算出的数值解与解析解吻合,验证了算法的有效性。复杂层状模型数值模拟结果表明:采用不规则四面体单元可有效拟合起伏地表及地下不规则速度间断面,同时该算法适用于任意倾角的TI介质,且不受各向异性强度限制。

三维正交各向异性孔隙介质震电波场数值模拟研究

各向异性等介质物性参数会对震电波场的传播产生影响.为了定量研究介质物性参数对震电波场传播的影响,本文首先研究了三维正交各向异性介质的震电耦合方程,然后采用时域有限差分方法模拟了爆炸源在该介质中的震电响应.在数值模拟中,首先计算地震波场,然后把地震波场作为输入来计算伴随电场.为了验证数值算法的精度,我们将数值结果与从Pride方程获得的解析解进行了对比,结果表明数值解可以很好地近似解析解.我们设计了几种各向异性模型,分析了介质物性参数对震电波场的影响,结果表明爆炸源在各向异性孔隙介质中会产生四种地震波,分别是快慢纵波和两个可分离的横波.产生的地震波都会在均匀各向异性孔隙介质中产生伴随电场.弯曲度对慢纵波的传播有影响,当弯曲度为各向异性时,慢纵波的波场快照为椭圆形,当弯曲度为各向同性时,慢纵波的波场快照为圆形.