基于弹性波方程的层状介质反演方法及在岩土工程检测中的应用

岩土工程检测中,层状介质的结构特性对于工程的安全性和稳定性至关重要。本文介绍了一种基于弹性波方程的层状介质反演方法,旨在通过解析弹性波在层状介质中的传播特性,反演出介质的物理参数。文章首先阐述了弹性波方程的基本理论和层状介质中弹性波的传播特性,然后详细介绍了反演方法的原理、步骤和关键技术。最后,通过岩土工程检测实例,验证了该反演方法的有效性和实用性。

用于弹性波方程模拟的基于逐元技术的谱元法

由于结合了谱方法和有限元法的优势,谱元法为弹性波方程的数值模拟提供了一种新的有效工具.文中从弹性动力学方程的弱形式出发,详细阐述了使用Legendre正交多项式展开的谱元法基本理论及相应数学公式.单元内的弹性波场用高阶Lagrange插值近似,而每个单元上的数值积分采用Gauss-Lobatto-Legendre积分方法.如此可得到对角形式的全局质量阵,简化了运算.逐元技术被用于Legendrc谱元程序中,极大地减少了内存和计算需求.最后,四个数值算例被用于验证这种谱元法的高精度和强适应性.同时证明这种新的谱元法很适合用于那些具有复杂结构,包括起伏自由表面的非均匀介质中的弹性波模拟.

一阶弹性波方程交错网格高阶差分解法

提高计算精度和运算效率是所有波场正演方法所追求的目标，本文通过将速度 （应力）对时间的奇数阶高阶寻数转化为应力（速度）对空间的导数，运用时间和空间差分精度 均可达任意阶的高阶差分法，通过交错网格技术，对一阶速度－应力弹性波方程进行了数值求 解．波场快照以及实际模型的正演结果表明，这种求解一阶弹性波方程的高阶差分解法，和 常规的差分法相比网格频散显著减小，精度明显提高，而且可以取较大的空间步长，提高计算 效率。

一阶弹性波方程交错网格高阶差分解法稳定性研究

稳定性问题是数值求解波动方程的基本问题 .文中对三维横向各向同性介质中一阶弹性波方程交错网格高阶差分解法的稳定性进行了分析 ,给出了不同精度差分方程统一的稳定性条件 ,证明了三维TI介质中一阶弹性波方程交错网格高阶差分解法的稳定性由弹性波在X、Y、Z三个方向上的Courant数共同决定 .最后通过几种精度差分方程的稳定性条件 ,说明了这种一阶弹性波方程高阶差分解法具有高精度、高效率的特点 .

变网格有限差分弹性波方程数值模拟方法

研究复杂介质中地震波传播规律及地震响应特征,需要在细小网格剖分下进行弹性波方程数值模拟计算,而小网格下的数值模拟计算将带来巨大的计算量问题,采用变网格计算是减少计算量的有效途径。本文给出一种变网格差分计算的实现方法,在局部复杂介质区域采用细网格计算,其余区域采用粗网格计算,在两种网格的过渡区通过改变差分算子和波场插值实现波传播的过渡衔接。理论分析和数值模拟结果表明,变网格时在粗细网格的过渡区不会对地震波传播模拟带来影响,从而达到了既减少计算量又保证计算精度的目的。

薄互层油藏模型井间地震弹性波方程正演模拟研究

本文采用非均匀介质中弹性波方程交错网格高阶有限差分法进行数值模拟,并通过对正演过程中每一时刻的弹性波场求散度和旋度实现了弹性波场分离。其散度场以纵波场为主,旋度场以转换波和横波为主;采用模型多尺度网格化、参数化技术,建立了薄互层油藏2D井间地震弹性介质模型。数值模拟试验表明,弹性波方程数值模拟能够更加真实地模拟井间地震的波场。正演模型与偏移成像结果剖面吻合很好。

用于弹性波方程数值模拟的有限差分系数确定方法

有限差分方法是波场数值模拟的一个重要方法,交错网格差分格式比规则网格差分格式稳定性更好,但方法本身都存在因网格化而形成的数值频散效应,这会降低波场模拟的精度与分辨率.为了缓解有限差分算子的数值频散效应,精确求解空间偏导数,本文把求解波动方程的线性化方法推广到用于求解弹性波方程交错网格有限差分系数;同时应用最大最小准则作为模拟退火(SA)优化算法求解差分系数的数值频散误差判定标准来求解有限差分系数.通过上述两种方法,分别利用均匀各向同性介质和复杂构造模型进行了数值正演模拟和数值频散分析,并与传统泰勒展开算法、最小二乘算法进行比较,验证了线性化方法和模拟退火方法都能有效压制数值频散,并比较了各个算法的特点.

求解弹性波方程的辛RKN格式

将弹性波方程变换至Hamilton体系,构造适用于弹性波模拟的高效显式二阶辛Runge-Kutta-Nystrm(RKN)格式,运用根数理论得到此格式的阶条件方程组.通过给定系数的限定条件,得到方程的对称解.为了使时间离散误差达到极小,提出数值频率与真实频率比较,通过Taylor展开,得到关于辛系数的限定方程,求解方程组得到最小频散辛RKN格式.对比分析时间演进方程的稳定性,得到使库朗数达到极大值的限定方程,求解方程组得到最稳定辛RKN格式.发现此两种格式为同一格式.新得到的辛RKN格式不依赖于空间离散方法,为了对比的需要,选取有限差分法进行空间离散.在频散、稳定性分析中,与常见辛格式对比,从理论上分析了本文提出的格式在数值频散压制、稳定性提升等方面的优势,数值实验进一步证实了理论分析的正确性.

起伏地表二阶弹性波方程差分策略稳定性分析

采用坐标变换的思想将起伏地表情况的曲线网格变换成水平地表情况的矩形网格,推导出了变换后的二阶弹性波动方程,研究了基于坐标变换的起伏地表二阶弹性波场有限差分数值模拟方法。重点针对起伏地表变换成水平地表后的3种不同特点的自由边界条件,包括隐式、单边伪节点和混合自由地表边界条件的处理,并给出了具体的差分格式。数值模拟结果表明,起伏地表二阶弹性波方程模拟方法是有效可行的,但不同的地表处理方法对模拟结果有不同的影响。在这3种自由地表处理方法中,隐式的自由地表边界条件有最好的稳定性。

扩展的近似解析离散化方法及弹性波方程数值模拟

地震波场数值模拟是研究地震波理论、偏移成像和地震反演等工作的基础,提高数值模拟的精度具有重要意义。在前人的研究基础上,提出了一种扩展的近似解析离散化数值模拟方法,并从理论上对该方法的精度、数值频散、稳定性和计算效率进行了分析。该方法在时间差分上比扩展前提高了一阶精度、误差最大降低了88%。与其他近似解析离散化类方法一样,具有算子半径小和适应粗网格步长的优势,在最小主波长内仅需使用5.9个网格点。与四阶Lax-Wendroff修正格式和交错网格有限差分格式的频散曲线和模拟结果对比,验证了该方法能更好地压制数值频散。二维各向同性均匀介质和水平层状介质模型数值模拟的地震弹性波场特征清晰准确,说明了该方法的实用性。

层状半空间地震数据的弹性波方程反演

由于叠前地震数据同时含有丰富的纵波和横波信息,而且这些信息与岩性密切相关,因此根据叠前数据的反演可以得到比常规叠后波阻抗反演更丰富、更有效的岩性信息。由于层状弹性半空间的地震波传播规律具备模拟AVO分析的条件,所以可采用一种基于弹性波波动方程的方法来合成叠前记录。文中推导了球面波在层状半空间形成的反射公式,此式包含了波前扩散效应、层状地层的横波反射及自由表面的反射,以此正演模拟算法为基础,建立了一套叠前弹性波方程反演方法,其中反演问题的求解用遗传算法完成。为了能有效地搜索到最佳地层参数,遗传算法的具体实现完全依照叠前反演这一特定的多参数非线性优化问题而设计。由叠前弹性波反演得到的纵横波速度和密度可用来计算泊松比、弹性模量等岩石物性参数,为识别储层孔隙中的流体性质提供了新手段。

盐丘模型弹性波方程正演模拟及波场特征分析

本文采用非均匀介质弹性波方程和声波方程的交错网格高阶有限差分法,对盐丘构造的理论模型和实际模型进行了正演模拟。采用单频谐波震源,通过弹性波方程数值模拟获得了弹性波的散度场、旋度场以及动能场和势能能流场,定量刻画了弹性波的能量特征及传播特征。通过弹性波方程和声波方程正演模拟的波场快照、单炮记录和零炮检距剖面记录,详细分析了复杂盐丘构造对地震波响应的影响。理论模型和实际模型数值模拟结果表明:①弹性波散度场、旋度场分别刻画了纵波波场能量特征和转换波波场能量特征,弹性波动能场和势能能流场则刻画了总场能量特征及其传播特征;与声波方程相比,弹性波方程数值模拟能够更加真实地表征复杂盐丘构造的波场特征及其响应。②盐体引起反射波、散射波场的能量聚焦效应明显,对透射波波前面的调制作用很大,且盐体产生的散射波、回转波以及高速盐体的能量屏蔽可形成能量阴影区,均影响了深部反射信号,降低了信噪比。③与基尔霍夫叠前时间偏移相比,基尔霍夫叠前深度偏移对大倾角盐侧和盐下成像较准确,但在盐内左、右侧的散射波成像质量不高,这是由于基尔霍夫积分偏移方法基于射线追踪所致,因此需要引入针对散射波的成像方法。

复杂地表复杂构造模型的弹性波方程正演模拟

本文根据地质地球物理模型建模原则和方法,结合中国四川广安地区的典型起伏地表、近地表结构和复杂构造的实际模型,分别建立了水平地表复杂构造模型、无降速带复杂地表复杂构造模型、含降速带复杂地表复杂构造模型,并采用任意起伏地表二维弹性波方程交错网格高阶有限差分法,开展上述地质—地球物理模型的弹性波正演模拟。数值模拟结果表明:起伏地形造成不同炮点的波场特征(振幅、相位、频率等)和炮记录面貌(同相轴、波组、波型等)的明显差异,主要表现为散射波影响;地表低速层造成不同炮点的波场特征和炮记录面貌的明显差异,主要表现为低通滤波作用。模型正演数据经深度偏移后,层位、断层及断点等成像清楚,地层产状及空间位置与真实模型较吻合,但没有反映地表的精细速度结构(近地表速度结构比较光滑)。

改进的一阶弹性波方程交错网格高阶差分解法

本文对董良国、马在田等人发表在《地球物理学报》上的一阶弹性波方程交错网格高阶差分解法一文进行了差分格式的改进.发现原文对一阶空间导数采用2N阶差分精度,而对高阶导数却采用简单的中心差分,即对同一方程中的各阶导数的处理存在有的采用高阶格式、有的采用低阶格式的不一致性问题,本文的改进点正是消除了这种不一致性,建立了时间和空间均为四阶精度的差分格式.该方法具有编程简便、易于计算机实现和精度较高的特点.

二维弹性波方程反问题的脉冲谱──多重网格迭代算法

提出了一种利用多重网格方法快速求解正问题，脉冲谱技术求解反问题，有限元技巧避开Ｇｒｅｅｎ函数计算的分层反演弹性参数的选代算法。数值算例表明，此种反演技术是十分有效的。

拟空间域弹性波方程交错网格有限差分逆时偏移

弹性波逆时偏移是一种高精度的复杂构造地震成像方法.然而,在传统的基于矩形网格离散化的逆时偏移中,介质界面通常会产生畸变.另外,因使用双程波动方程进行波场延拓,其产生的反射波会在成像过程中产生偏移假象.为解决这些问题,本文提出了一种拟空间域弹性波方程高阶交错网格有限差分格式,并给出了差分格式的稳定性条件,进而实现了高精度的拟空间域弹性波方程有限差分逆时偏移.模型实验表明,若在计算拟空间域采样间隔时引入速度界面信息,则拟空间域弹性波方程高阶交错网格有限差分逆时偏移能够避免常规弹性波方程逆时偏移中弯曲界面形态畸变问题;此外基于该方法进行波场延拓时可有效压制弯曲界面的假散射现象,并能有效压制层间反射波,因此可以减少剖面上的偏移假象,从而显著提高成像的质量.

一阶速度—胀缩—旋转弹性波方程交错网格数值模拟

弹性波正演在地震波传播机理研究以及多波地震资料采集、处理、解释和反演中发挥着重要作用。现有的弹性波方程正演模拟常常数值求解一阶速度—应力方程或二阶位移弹性波方程,只能直接得到同时包含纵波和横波的三个质点振动速度分量或位移分量,要想得到更直观的纯纵波和纯横波分量记录,还需要在模拟过程中采用波场解耦算子进行纵、横波分离,因此纵、横波模拟精度同时受制于模拟算法和波场解耦算法的精度。为此,推导了一阶速度—胀缩—旋转弹性波方程在三维交错网格空间中的高阶有限差分格式,并给出了相应的稳定性条件;推导了适应该方程的PML吸收边界条件,实现了一阶速度—胀缩—旋转弹性波方程的正演模拟;分析了模拟结果中各分量的物理意义。由于一阶速度—胀缩—旋转弹性波方程不仅包含了质点的振动速度矢量,而且显式地包含了横波振动速度矢量和纵波振动速度矢量,还包含了一个体应变和一个旋转矢量,因此应用该方程模拟除了能得到三个质点振动速度分量外,还可以直接得到解耦后的纵、横波分量,避免了解耦算法对模拟精度的影响。模型试算证明了该模拟方法的正确性和优越性。

基于一阶弹性波方程的能量互相关成像条件

基于地震波场能量构建的能量互相关成像条件,具有易实现、物理意义明确及背向散射压制效果明显等优势.但是,目前构建的能量互相关成像条件仅适用于二阶弹性波方程,难以直接应用于一阶弹性波方程.为此,本文针对一阶弹性波方程,基于能量守恒定理及能量密度,构建以速度-应力为参数的能量范数以表征弹性波场能量,将速度-应力能量范数拓展为能量内积以提取弹性波场反射能量.震源端与检波端的基矢量正方向保持一致的基础上,构建得到可有效压制背向散射的弹性波能量成像条件.数值模拟结果表明:该成像条件可以得到背向散射压制、振幅有效保持的能量成像结果.

三维弹性波方程的修正时空优化保辛数值求解方法

正演计算是反演研究的基础,为了实现基于三维弹性波方程的全波形反演成像,发展准确、高效、低数值频散的三维正演模拟方法至关重要.为此,本文将修正保辛分部龙格-库塔格式与优化有限差分算子结合,发展了用于数值求解三维弹性波方程的修正时空优化保辛方法(MTSOS).新方法使用二级龙格-库塔格式达到了三阶时间精度,且更适用于求解非均匀介质情况下的弹性波方程,数值频散误差小于同精度保辛分部龙格-库塔(SPRK)方法的误差,提高了计算精度.波场模拟结果表明,三维MTSOS方法可以精确给出数值模拟结果,能够清晰模拟地震波传播过程中产生的各种震相、有效压制数值频散.

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.