分区多步最短路径极值法多值多次反射波追踪

基于网格单元扩展的射线追踪算法,如:较为流行的有限差分解程函方程法和最短路径法均是建立在费马(最小走时)原理基础上的射线追踪算法,只能进行单值(最小走时)的多次反射波的追踪.然而当介质速度反差较大或存在复杂反射界面(如:常见的向斜、背斜、透镜体、塌陷构造等)时,将出现波前的自相缠绕(即蝴蝶结现象),相应的地震射线则为多值射线.为了模拟计算这种多值多次反射波,本文提出了一种多值地震射线追踪算法,即分区多步最短路径极值算法,可进行含复杂反射界面速度模型中的多值多次反射波射线的追踪计算.其基本原理是:将炮点和和检波器均设为震源,分别进行下行波射线追踪至离散反射界面,求出各个反射点走时和路径,进而将反射点处的走时加起来,形成叠加‘走时'曲线(三维时为曲面),再对该曲线(或曲面)求极值点,极值点所对应的反射点即为该炮一检对的反射点位置,最后将炮—反射点—检波器的走时及相应路径连接,从而实现了多值多次反射波的追踪计算.该方法原理简单,计算精度高,计算速度快,适应复杂介质的能力强.通过误差分析并与快速行进法之间的对比分析,认为分区多步最短路径极值法是一种行之有效的多值多次反射波的计算方法.

倾斜正交各向异性介质中多次反射qP波射线追踪

实际地层中常发育裂隙,表现出正交各向异性介质特征。为研究此类复杂介质中qP波的传播规律以及计算旅行时和射线路径,首先从Christoffel方程出发讨论了正交各向异性介质中qP波相速度和群速度的计算方法,并利用旋转矩阵求得倾斜正交各向异性介质的群速度分布,然后结合分区多步改进型最短路径算法,实现了在倾斜正交各向异性介质中追踪直达、反射和多次反射qP波。求取群速度分布时,引入了球面三角剖分算法确定近似均匀分布的相速度方向采样点,能够节省约一半的计算量;此外采用GPU并行计算技术可进一步提高计算效率。数值模拟结果表明,该算法旅行时计算相对误差不超过0.35%,具有较高的稳定性和计算精度,可应用于追踪复杂的多次波;效率分析结果显示,求取群速度分布是较为耗时的过程,串行程序中该过程约占总耗时的61%,采用GPU并行计算后,计算效率提高了近30倍。

三维复杂层状介质中多震相走时联合反演成像

采用新近提出的改进型不规则最短路径多次波射线追踪正演技术,结合共轭梯度法求解带约束的阻尼最小二乘最优化反演问题,讨论了三维复杂层状模型中利用多震相走时资料进行联合反演成像的技术方法.考虑到不同震相种类走时的拾取误差不同,反演算法中引入了不同震相种类数据的权系数;另外,考虑到同时反演速度模型和反射界面起伏中不同参数变化对走时影响程度的不同,Jacobi偏导矩阵元素中引入了不同种类参数的归一化因子.几种数值模拟实例表明:多震相走时的联合或同时反演成像是一种提高走时成像空间分辨率,进而降低重建速度模型失真度行之有效的方法技术.

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。

二维复杂黏弹性各向异性介质中的地震射线追踪

实际地层中传播的地震波普遍存在速度各向异性和能量衰减现象,因此基于弹性介质假设条件下的地震射线正反演算法具有一定的局限性,而研究黏弹性各向异性介质中的地震波传播规律可为揭示地下结构提供更加可靠的理论依据.射线追踪技术是揭示高频地震波传播特性的有效手段之一,然而绝大多数研究仅限于弹性介质.针对黏弹性各向异性介质,本文首先给出了一种射线速度和振幅衰减的计算方法,然后结合改进型最短路径算法,在实空间内实现了计算复杂介质模型中地震波(qP,qSV,qSH)的射线路径和传播走时以及能量衰减(虚走时).该算法适用于复杂黏弹性各向异性介质.误差分析结果显示,实走时的最大相对误差小于0.13%,虚走时的最大相对误差小于0.55%,表明该算法具有较高的计算精度.