基于完全三叉树堆排序的波前扩展有限差分地震波走时快速算法

波前扩展有限差分地震波走时算法具有物理意义明确、因果稳定性强的特点,但每次波前扩展都要寻找波前面上的最小走时点。当计算网格点数较多,特别是涉及到三维走时计算时,寻找波前面上的最小走时点是一项十分耗时的工作。研究发现,波前扩展有限差分地震波走时算法的波前点具有两个突出特点:①波前点更新十分频繁,通常每次取出波前最小走时点后都要插入若干新的波前点;②新计算出的波前点的走时通常比较大。数据结构中的二叉树堆排序方法可以提高寻找波前面上最小走时点的效率,根据特点①,在原始二叉树堆排序方法的基础上,优化了插入新波前点和移除波前面上最小走时点的流程,实际计算结果表明,与原始的二叉树堆排序方法相比,改进后的二叉树堆排序方法可以提高大约20%的计算效率。根据特点②,将原始的二叉树堆排序方法推广到多叉树,实际计算结果表明,完全三叉树堆排序方法优于二叉树和四叉树堆排序方法,可以再提高5%的计算效率。

2.5维起伏地表条件下坐标变换法直流电场数值模拟

研究起伏地表对视电阻率分布的影响是进行地形校正的基础。由于很难处理不规则边界,计算简洁且效率高的有限差分方法很少用于解决起伏地表问题。为了解决该问题,引入曲化平思想,实现了一种基于坐标变换法的起伏地表条件下的直流电场数值模拟方法。方法从传统的2.5维基本方程及边界条件出发,通过坐标变换将起伏地表问题转化为水平地表问题,并利用有限差分法求解水平地表问题,最后再通过坐标映射得到起伏地表条件下的电位和视电阻率分布。精度分析及计算实例表明:本方法实现简洁,计算误差主要集中在震源附近,整个计算区域内的平均相对误差为1.39%,计算结果满足起伏地表条件下的电位和视电阻率的分布规律。

三维直流电场积分方程中奇异性的近似处理

直流电场积分方程的核函数是磁并矢格林函数,其数学表达式与电并矢格林函数的数学表达式完全不同。因此,在处理直流电场积分方程的奇异性时不能直接利用文献中针对电并矢格林函数所提出的奇异性消除公式。为了寻求处理磁并矢格林函数奇异性的有效途径,参考文献中针对电并矢格林函数的奇异性消除方法,提出了针对磁并矢格林函数的拟源并矢概念,并求出了当包围奇异点的小邻域为球体、立方体等不同形状时的拟源并矢。如果将这些拟源并矢代入到电场的积分方程中,可以得到只含有正常非奇异积分的数值计算方案。将这个计算方案用于实现关于直流电场的拟解析近似理论,则可以使三维直流电场的快速数值模拟成为可能。