二维VTI介质qP波斜率层析方法

斜率层析属于立体层析的一种特殊情况,在通过运动学反偏移重建立体层析数据空间的过程中,会出现炮检点位置和旅行时信息已经匹配而地表射线参数水平分量(以下简称地表p x参数)无法匹配的情况,这时可利用p x残差完成对速度模型和反射点坐标的更新。将各向同性介质中的斜率层析方法推广到二维VTI介质qP波情形,利用地表p x参数关于三个各向异性参数的偏导数建立了二维VTI介质qP波斜率层析线性方程组,基于该线性方程组和典型理论数据实施了二维VTI介质qP波斜率层析反演。研究结果表明,VTI介质中的运动学偏移/反偏移与二维VTI介质qP波斜率层析线性方程组相结合,可以实现二维VTI介质的各向异性参数重建,为VTI介质的参数建模提供了一条新的途径。

VTI介质改进声学近似qP波交错网格正演模拟

Alkhalifah提出的声学假设近似令沿TI介质对称轴的qSV波速度近似为0,建立了相应的qP波波动方程并进行了数值模拟,但存在两个不足:一是方程中存在退化的qSV波解,不是纯qP波波动方程;二是方程不适用于ε<δ(ε和δ为Thomsen参数)的介质。为此,在Liang等的工作基础上,将改进声学近似方法的思想引入qP波频散关系和一阶波动方程推导。令qSV波的精确频散关系中的圆频率为0,同时结合椭圆分解,推导了VTI介质纯qP波解耦频散关系,利用改进标量算子的空间域渐近近似建立了VTI介质改进声学近似qP波一阶速度—应力波动方程,采用交错网格有限差分算法实现了基于改进声学近似的VTI介质纯qP波正演模拟。频散关系分析和数值示例表明,基于改进声学近似的qP波一阶波动方程不包含退化qSV波,是纯qP波方程,与弹性波波动方程模拟结果吻合较好,具有较高精度,并且该方程在ε≥δ和ε<δ的VTI介质中均是稳定的,同时也适用于复杂VTI介质。

VTI介质修正声学近似qP波波动方程与模拟

各向异性介质中纵横波通常耦合在一起传播,纵横波解耦是地震波传播理论研究的重要内容。经典的声学近似通过设置垂向qSV波速度V_(S0)为0来解耦qP波场,但是存在退化qSV波等问题。本研究将垂向qSV波速度V_(S0)考虑成波数k_(x)、k_(z)和各向异性参数ε、δ的函数,对声学近似进行修正,推导了VTI介质修正声学近似qP波频散关系和波动方程。VTI介质修正声学近似qP波波动方程包含椭圆项和非椭圆项两部分,因此采用混合有限差分/伪谱算法进行求解,即采用有限差分法求解椭圆项、伪谱法求解非椭圆项。频散关系分析和数值示例表明,基于修正声学近似的qP波波动方程不包含退化qSV波,是纯qP波方程,与弹性波方程模拟结果吻合较好,且具有较高精度;该方程在ε≥δ和ε<δ的VTI介质中均是稳定的,并且精度高于声学近似模拟结果。

基于旋转交错网格的TI介质二维三分量面波模拟

基于标准交错网格(Standard Staggered Grid,SSG)的有限差分法在面波的正演模拟中应用广泛。单一的瑞利波或勒夫波模拟已不能满足横向各向同性(TI)介质中面波模拟的需求。为此,提出一种基于旋转交错网格(Rotated Staggered Grid,RSG)的TI介质二维三分量面波模拟方法。首先,采用一阶速度—应力二维三分量波动方程将P-SV波方程和SH波方程联合;其次,将RSG有限差分法结合多轴完美匹配层技术,实现包含瑞利波和勒夫波的二维三分量面波模拟;然后从波前快照、波形曲线和频散曲线三个方面,定性和定量地对比RSG和SSG有限差分法在二维各向同性介质均匀半空间面波模拟的效果和精度;最后,将所提方法应用在均匀半空间TI介质(包括VTI、HTI和TTI)和两层速度递增TTI介质的二维三分量面波模拟,通过波场快照、地震记录和频散能量图分析TI介质中的面波特征和各向异性参数对面波频散特征的影响。实验分析结果证明了文中方法在面波模拟实践中的适用性,为二维全波场地震波模拟甚至是全波场反演提供了重要参考,对进一步认识各向异性介质中面波的传播特征具有重要意义。

慢度平方三角网格模型VTI介质二维QP波各向异性立体层析反演

基于慢度平方三角网格剖分模型下的各向异性射线扰动理论,建立了具有垂直对称轴的横向各向同性(VTI)介质中二维QP波立体层析所需的FRECHET导数矩阵,实现了慢度平方三角网格模型的VTI介质二维QP波各向异性立体层析.考虑到各向异性参数是影响地震波运动学特征的次一级因素,制定了先反演慢度再反演各向异性参数的反演策略.由于慢度平方三角网格模型的稀疏性,使得数据空间对模型空间的FRECHET导数矩阵规模被大幅压缩,在降低了计算成本的同时也很好的保证了界面位置、背景慢度、各向异性等各个参数的反演精度.理论数据算例证实了FRECHET导数的正确性和反演策略的合理性.

二维周期性复合介质中弹性波的能带结构

用平面波展开方法，研究弹性波在二维周期性复合介质中的传播问题．由 Ｐｂ柱体嵌入 ｅｐｏｘｙ基体组成的复合介质，其弹性波带结构中，存在很大的完全带隙。研究了柱体的横截面形状、组元的体积占有率及复合介质的材料组成等因素对带结构的影响．在Ｃ柱体和ｅｐｏｘｙ基体组成的复合介质中，也观察到完全禁带的出现。但是，相反情况，由ｅｐｏｘｙ柱体和Ｐｂ或Ｃ基体组成的材料中，均无完全禁带出现。

二维黏弹性随机介质中的波场特征

在高分辨率地震数据中常常作为“噪声”处理的不相干扰动,其实部分是源于介质在小尺度上的非均匀性。随机介质模型及其相关理论,使人们有可能在统计的意义下反演出介质在小尺度上的非均匀特征(如空间自相关函数、平均异常尺度、标准差等)。本文通过波动方程的交错网格有限差分正演,模拟了地震波在二维黏弹性随机介质中的传播及其自激自收时间记录。研究了黏弹性随机介质中的波场特征以及黏弹性随机介质中的最大振幅波至旅行时、振幅衰减等特征,并得出了若干结论。通过正演模拟表明黏弹性随机介质模型对应的地震记录中有散射波、振幅衰减、旅行时扰动、地震波尾等复杂的波场特征;波的散射形式强烈依赖于介质的统计特性,如自相关函数、方差和吸收系数等;介质的自相关长度的变化对波前振幅的影响很小。

新声学近似波动方程纯qP波有限差分正演

新声学近似将qSV波各个方向的波速设为0,消除了传统声学近似在模拟过程中出现的残余qSV波,理论上能够模拟纯qP波。利用传播方向矢量代替波数矢量的空间近似方法,虽然可以在时间—空间域中对基于新声学近似的qP波频散进行有限差分法求解,但理论上会存在一定误差。为了提高纯qP波的模拟精度,通过引入中间变量,将基于新声学近似的qP波频散中分数形式的空间—波数域混合算子转化成一个求解中间变量的线性方程,将复杂的qP波频散关系转化为形式上更简单的时间—空间域纯qP波波动方程组,且推导过程未采用任何近似,因此该方程能够精确模拟基于新声学近似的qP波传播规律,理论上具有更高的精度,并通过有限差分法实现了二维VTI介质中纯qP波正演模拟。数值结果也证明,新的纯qP波波动方程具有更高的精度。

二维颗粒结构中非线性波的传播和脉冲衰减

有序颗粒介质在冲击振动缓解、能量捕获和吸收等领域具有重要的研究价值。本文运用赫兹接触理论建立二维颗粒链数学模型,在冲击激励作用下,研究二维颗粒系统中脉冲波的传播特性、能量传递规律和传递力的降低机理。二维均匀颗粒系统嵌入了耦合颗粒以传递动能,初始脉冲激励在2列颗粒链间发生能量交换和脉冲等分现象,脉冲波在激励施加点附近发生强能量散射,激发出混合型的非线性波,即纵向传播的近零频率孤立波与横向高频剪切波。与一维均匀颗粒链相比,二维颗粒系统的末端传递力峰值得到了大幅度降低。通过改变颗粒间的质量比,在二维均匀颗粒链中引入轻珠链构成非均匀结构,沿纵向传播的孤立波在轻-重颗粒交界面发生反射,能量被局部约束在轻珠链中,使得一系列低幅值脉冲波按照不同的波速,延时释放到颗粒链末端,导致末端传递力峰值的进一步降低。

各向异性介质Low-rank有限差分法纯qP波叠前平面波最小二乘逆时偏移

拟声波最小二乘逆时偏移是一种极具潜力的地震波成像工具,但该方法遭受各向异性拟声波近似的限制,TTI介质正演模拟不稳定、反偏移记录中遭受伪横波二次扰动及数值频散假象,另外拟声波最小二乘逆时偏移还面临计算效率低、收敛速度慢、对速度等模型参数依赖性高等问题.为了克服各向异性拟声波最小二乘逆时偏移的缺陷,在反演框架下,本文借助Low-rank有限差分算法首次提出并实现了TTI介质纯qP波线性正演模拟及纯qP波最小二乘逆时偏移;为了进一步提升反演成像效率,同时改善反演成像方法对模型参数误差的依赖性及对地震数据噪声的适应性,通过引入叠前平面波优化策略,发展了TTI介质纯qP波叠前平面波最小二乘逆时偏移成像方法.在编程实现方法的基础上,通过开展模型成像测试,展示了本方法的优势和潜力:一方面加快了反演成像效率,另一方面也提升了方法的抗噪性,同时还降低了方法对模型参数的依赖性.

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.

二维层状介质中衍射波的计算

本文讨论了衍射波的计算,它是文献[5]的继续和发展,是为了应用射线法解决二维地震人机联作工作的一部分。根据波的物理性质,引入了等效炮点、等效检波点和等效界面等概念,将Berryhill导出的衍射波计算公式推广到倾斜界面和楔形结构等情形。这一工作与文献[1—3]中的工作相结合,在实用上解决了二维地震人机联作解释中的正演计算方法问题。

基于VTI介质的隧道超前探测qP波正演模拟研究

由于隧道超前探测的环境与常规石油地震勘探的差异,不宜直接将过去的模拟方法拿到隧道中进行应用。结合层状地层表现出横向各向同性的特性,推导出在隧道空间适用的二维VTI介质一阶qP波方程,分析了其稳定条件。建立断层和软弱夹层的几种数值模型,利用PML边界解决模型边界反射,采用交错网格进行有限差分正演模拟,得到其共炮点道集。结果表明,qP波有限差分法可以快速地模拟不良的地震响应,规避伪S波和数值不稳定问题,为隧道超前探测资料的解释提供依据,提高预测的准确性。

应力波在二维层状介质中的传播特性研究

应用ABAQUS/Explicit软件进行动力学显示分析,选取页岩、大理岩、花岗岩和玄武岩岩性材料构建二维层状线弹性模型。以在模型上端面施加一矩形脉冲载荷为例,分析了应力波在分层介质中的传播特性,并依照模型尺寸,就同一岩性材料分别套用模型,对比分析了应力波在不同介质中的传播特性受材料固有性质的影响程度。结果表明:1在多层介质模型中,入射应力波的传播是逐步向四周扩散的,同时,在分界面前后出现反射和透射现象。在"页岩+玄武岩"分界面,反射扰动起到了加载作用;在"玄武岩+花岗岩"分界面,反射扰动以卸载波的形式阻碍入射扰动传播;在"花岗岩+大理岩"分界面,由于这两种岩性材料的物理属性相似,可认为其阻抗匹配,入射扰动以无反射的形式通过分界面。2在单一介质模型中,波阻抗与应力峰值呈正相关。3对比分析在层状模型和单一介质模型中,应力波在不同时刻随传播距离的变化趋势后发现,在1.31μs时,入射应力集中,层状模型应力峰值最大且变化范围大,应力波传播距离比任一单一介质模型都要小;在2.67μs和5.64μs时,入射应力扩散,层状模型应力峰值小于单一介质模型,但其传播距离大于页岩性单一介质模型。

二维金属凹槽填充各向异性介质时散射的边界元方法:TE情形

由各向异性介质无界空间Green函数和Green恒等式出发,推导了TE波入射时二维任意截面金属凹槽填充各向异性介质时所满足的边界积分方程,并用边界元法和广义网络原理计算了金属凹槽填充各向异性介质时的散射.用文中方法退化计算了凹槽填充各向同性介质时的散射,计算结果与解析结果一致.并给出了凹槽填充各向异性介质时的散射算例.

GPU加速的二维地震波场模拟研究

采用交错网格有限差分方法模拟二维地震弹性/粘弹性波场要花费大量的计算时间,为此利用GPU并行处理特点和绘制管道,将计算区域划分为内部区域和PML边界处理区域,整个计算过程由顶点编程和片段编程处理,采用FBO技术实现差分迭代结果的纹理转换。实验结果表明,与CPU实现相比,GPU方法提高了模拟效率,并且随着网格规模的增加,其效率不断提升,可以实现大规模的高效模拟。

层状介质二维井间电磁成像

根据分层介质中波的传播规律,利用均匀介质中的三维张量格林函数推导出二维情况下分层介质的张量格林函数,它是一个对kx的一维Sommerfeld积分。准确求取这一积分后,可以方便地利用迭代等方法反演出井间的电导率。给出了利用上行波和下行波方式表达的界面反射和折射张量函数及其各分量。通过积分方程方法对埋置于有8个分层的两个垂直方向电导率异常体模型进行了计算,反演结果与原模型基本吻合,有效地实现了层状介质中二维井间电磁成像。

二维介质中的空间变量分离速度成像技术

二维介质速度成像的新方法是基于地震波的旅行时间,由射线路径沿线的速度分布特征所决定的,将二维介质中的速度分布用两个分别以二维空间坐标为自变量的勒让德多项式的线性组合来描述。根据走时积分方程,即可建立地震波走时与其射线路径沿线的速度分布之间的对应关系,进而重建出地震波射线覆盖区域的速度结构。该成像技术是一个迭代过程,且适用于折射波及反射波。

二维非均匀介质中大地电磁响应的计算

在二维非均匀介质中 ,将大地电磁问题可看作电磁波在有耗开放波导中的传播问题 ,借用研究波导问题的数值模式匹配法予以解决 .在计算Ex型问题时 ,使用Hermite基函数和非均匀元素 ;在计算Hx型问题时 ,使用变型Hermite基函数 .

2-D与3-D横向各向同性介质中波慢度面研究

首先简述了2-D横向各向同性介质中的波慢度面方程及其似P波、似SV波与似SH波速度关系式;接着推导了3-D横向各向同性介质中波慢度面方程,导出了3-D条件下地震波速度随波动传播方向变化的关系式;计算并讨论了2-D与3-D横向各向同性介质中地震波波慢度面及地震波波速,并发现,似P波、似SV波及似SH波波慢度面一般为不规则椭圆或椭球;似P波、似SV波与似SH波速度不仅与θ、(?)有关,而且,似SV波与似SH波的传播速度不同。