时间-空间高阶精度矩形交错网格隐式有限差分声波正演模拟

有限差分方法因其操作简单、计算消耗低而成为地震勘探领域中最为常用的数值模拟方法之一,然而用离散的显式差分算子数值逼近地震波动方程中的连续导数容易导致数值频散,并且基于正方形网格离散形式的有限差分方法对不同地质模型的适应性较低.针对一阶变密度声波方程的数值模拟,本文发展了一种适用于矩形网格离散形式的时间高阶空间隐式有限差分格式,可以有效压制时间和空间频散,同时灵活的网格剖分增强了其应用的广泛性.基于本文矩形交错网格时间高阶空间隐式有限差分格式的时空域频散关系和变量替换的思想,首先采用泰勒级数展开方法求解不同方向的非轴上时间差分系数及轴上空间差分系数,使本文差分格式可以获得任意偶数阶时间和空间精度.为了进一步提高本文差分格式在更大波数区域的空间模拟精度,我们采用线性优化方法来求取新的轴上空间差分系数用于一阶变密度声波方程的波场迭代求解中.频散、稳定性分析及数值模拟算例表明:相比于传统十字形空间域隐式有限差分格式,本文矩形交错网格时间高阶空间隐式有限差分格式在精度、稳定性和效率方面均具有优势.

高阶弹性波数值模拟及逆时偏移成像研究

利用地震波在地质体中的传播为地质体建立模型,得到地震波的传播规律和变化特征,以达到探测地球深部的目的。在前人研究的基础上,使用交错网格高阶有限差分法对几种典型的地质构造模型进行地震波数值模拟,得到各模型观测的地震记录以及去除直达波和分界面反射波后的地震记录图,再使用叠前逆时偏移成像对数值模拟结果进行成像处理,实现对不同散射体和地质构造的复原。偏移结果很好地反映了地下构造形态,能够使地表接收到的波场准确归位,提高资料处理的精度。

RVSP弹性波数值模拟及传播特征分析

基于纵波、横波解耦的弹性波高阶有限差分方程和PML吸收边界条件,实现了RVSP观测统中弹性波数值模拟。采用完全弹性波波动方程进行数值模拟,可以得到纵波和横波的混合波场,且波场丰富,符合实际地震波的传播规律。该正演模拟方法纵波、横波自然解耦,产生全波场、纯纵波和纯横波模拟记录。通过对层状介质模型、凹陷模型,以及实际复杂介质模型的RVSP弹性波进行数值模拟,得到各模型不同分量下全波、纯纵波和纯横波的波场,并对弹性波传播特征进行了分析,为下一步的RVSP地震资料处理和解释工作奠定了理论基础。

煤矿巷道内地震勘探的数值模拟

用交错网格高阶有限差分波场数值模拟方法模拟了煤矿巷道内点震源激发产生的弹性波场,识别了波场中不同类型的波.分析巷道底部不同深度激发的全空间3分量波场传播的波场特点,结果表明:①在巷道底部激发,巷道顶、底界面引起的混响是巷道内地震勘探的主要干扰波,它严重干扰巷道下方深处煤层的反射;②在巷道底界面以下一定深处激发,混响干扰波大大减少,深部煤层的反射可得到较清楚地显现;③由于SH波偏振和传播的特点,Y-分量波场特别简单清楚,因而用与测线垂直的水平分量检波器接收有可能采集到信噪比高的资料;④巷道内地震勘探分辨率较高,在所设计的模型情况下,可以检测到巷道下方高3 m、宽4 m的空洞.

煤矿巷道内地震勘探波场特征

为了研究巷道内地震波的波场特征,识别出波场中的各种波,利用交错网格高阶有限差分正演方法模拟了煤矿巷道内点震源激发及平面波震源激发产生的弹性波场。通过波场分析得出煤矿巷道内的共炮点道集中除了有常规地面地震中的各种波外,还有在巷道内上下界面的多次反射波和多次折射转换波,是巷道内地震勘探的主要干扰波。利用平面波震源在巷道内激发产生的波场中,巷道下方的空洞在平面波震源激发的地震记录上,其多次反射绕射波互相叠合在一起,表现为"糖葫芦"状的明显异常特征。这些都为巷道内地震勘探资料处理和解释提供了重要依据。

三角形线元的校正法

有限元校正是近年开始研究的一种高精度算法,从已得结果来看它已显示了许多优点:1.它比差分法校正简单,由于在内积中使用分部积分,降低了要逼近的导数阶次;2.校正法的证明虽比外推法复杂,但用直接法求解时计算量却少些,而且数值试检表明它的计算精度更高些。Mackinnon-Carey研究过有限元的校正,但其证明模仿差分法,某些优点未能显示出来。陈传森—张智江用有限元的论证技巧讨论了一维问题。文研究了双一次元的校正。本文考虑矩形上的三角形线元,关于更一般的三角形剖分将在另文中讨论。

煤矿井下槽波三维数值模拟及频散分析

采用交错网格高阶有限差分法编制了地震波场三维正演模拟软件,设计了基于镜像法原理处理煤矿井下近水平和起伏巷道特殊空间的算法;模拟了煤矿井下含巷道和不含巷道情况下煤层中传播的地震波场,并分析其频散特征.结果发现:由于巷道的影响,巷道壁上产生很强的巷道振型槽波,煤层中则出现了以Love型为主的槽波,据此分析了实际槽波记录的形成机理,研究结果对今后煤矿井下巷道地震超前探测和工作面弹性波透视等具有重要的理论意义和实际价值.

三维粘弹性介质地震波场数值模拟技术研究

为了适应油气田勘探的发展需求,提高勘探精度,地震勘探由二维向三维发展。传统的地震波数值模拟一般假设地层介质是均匀、完全弹性的,但在实际情况中,由于介质是非完全弹性、各向异性、物性参数可连续变化的,因此地震波的能量在传播过程中是逐渐衰减的。在非均匀介质情况下进行地震波的数值模拟,可以更真实地反映地震波的传播和能量变化规律。推导出三维交错网格高阶有限差分算法,求取优化差分算子,实现三维粘弹性波数值模拟,获得地震记录,并分析其波场特征和能量变化情况。

黏弹煤层介质断层构造槽波响应特征分析

隐伏断层是影响工作面透明化建设、煤矿智能化发展的重要地质因素之一,槽波地震勘探是目前探测断层的常用方法。目前,槽波理论研究主要基于煤层弹性各向同性条件,但煤层是由有机物质和无机物质组成的层状沉积岩体,具有较强的黏弹性。基于Kelvin-Voigt黏弹性理论,采用三维交错网格高阶有限差分法,边界吸收采用PML吸收边界算法,研究了煤层黏弹性和断层断距对槽波传播的影响。结果表明:黏弹介质煤层中地震波能量衰减增强,高频部分能量衰减严重,黏弹介质更加接近实际煤层的衰减特性;槽波遇到断层后,z分量高阶Rayleigh槽波发生透射和绕射现象,产生了新的转换波组基阶与高阶Rayleigh槽波;煤层的横波品质因子Qs=50时,基阶槽波具有明显的频散曲线形状,Qs衰减至10时,高阶Rayleigh槽波仍有清晰记录,槽波能量峰值向低频移动;随着断层断距的增大,绕射和透射作用逐渐增强,转换波组能量逐渐增大,断层后z分量的转换波组能量逐渐增强,槽波能量峰值向高频移动。