波动方程变网格步长有限差分数值模拟

有限差分算法是常用的正演模拟方法之一，传统的有限差分方法在处理近地表低速层模型或地层中夹有低速、高速层模型时，为了得到较高精度的模拟结果，通常需要减小网格步长，这样既增加了计算时间，又浪费了计算机内存资源。为此，采用具有较好性能的变网格算法来解决这一问题。设计了近地表低速层和地层中夹有低速层两种模型，分别采用传统常网格有限差分算法（大网格步长和小网格步长）和变网格步长有限差分算法对模型进行了数值模拟，并对比了模拟结果。变网格步长有限差分算法不仅提高了模拟结果的分辨率，而且降低了内存需求量，减少了计算时间。此外，变网格算法具有较高的灵活性，可以根据实际情况，综合考虑计算时间、内存需求量和模拟结果的分辨率来优选网格步长。     

应用自适应变网格紧致差分的地震波数值模拟及逆时偏移

紧致有限差分(Compact Difference, CD)格式相对于中心有限差分(Finite Difference, FD)格式具有计算精度高、边界处理简单等优点，其中，规则网格四阶CD格式所需计算节点数少，计算精度高，但使用该格式求解声波方程时需求解大型稀疏对角矩阵方程组，当模型较大时，该格式计算效率较低，同时用于存储和计算对角矩阵方程组的内存需求也较大。自适应变网格策略能够通过优化网格剖分，有效降低模型网格数，从而达到提高计算效率、降低内存占用的目的。文中推导了求解二维声波方程的时间二阶中心差分、空间四阶CD的离散格式，并应用于正演模拟；通过引入自适应变网格策略，推导了修正声波方程，发展了高效、高精度的自适应变网格紧致差分逆时偏移成像方法。数值实验表明：该方法可实现复杂构造的高效、高分辨率成像；与规则细网格剖分方法相比，在保证精度的前提下，该方法可将Marmousi模型的成像效率提高约33.7%。     

地震波数值模拟中的频散压制方法分析

波动方程有限差分法正演模拟对认识地震波传播规律和指导地震资料解释等具有重要的意义。但差分算法固有的数值频散在正演模拟中是一种严重的干扰，会降低波场模拟的分辨率。为提高模拟精度，同时又尽可能减少计算量，采用定量分析的方法，对比分析了横纵网格比变化时入射方向和差分精度等因素对数值频散的影响，分析结果表明，矩形网格较之正方形网格能更好地压制频散，同时可以避免高阶差分导致的低计算效率。模型试验表明，该方法切实可行，能较好地适应实际地震勘探中的波场模拟。     

海上粘弹介质FCT有限差分正演模拟

高阶有限差分正演模拟将时间和空间离散,以差分代替微分,其求解精度受子波主频、网格大小以及有限差分精度的影响,不当的话会引起数值频散.海上勘探采用的气枪震源子波频带较宽,主频高,波长短,数值频散现象严重,而减小空间网格大小和提高有限差分精度需要较大的计算量和较长的计算时间.针对这一特点,采用通量校正传输(FCT)技术与有...     

一种基于非规则网格的地震波射线追踪方法

地震波走时计算对地震资料层析速度建模、偏移成像及地震定位等研究都具有非常重要的意义。有限差分法计算地震波走时具有计算效率高、易于实现、准确性高的优点,因而得到广泛应用。针对规则网格有限差分方法处理尖锐速度界面时存在不足的问题,提出了一种非规则网格的有限差分走时计算方法,即在Vidale差分算式的基础上推导出不规则网格差分算式,使其适用于不同的网格剖分方式。对均匀介质模型、复杂模型和Marmousi模型试算的结果表明,改进的方法能较好地解决尖锐速度界面和首波走时计算问题,且对复杂速度模型具有较好的适应性。     

贴体坐标系二维声波方程SBP有限差分法的稳定性分析

有限差分方法(Finite Difference Method,FDM)是波动方程正演数值模拟领域应用最为广泛的方法之一,然而,当模拟区域不规则或者地表起伏不平时,规则网格有限差分法求解波动方程会产生阶梯状近似,影响模拟的精度。借助贴体网格技术,将不规则的物理区域转换为规则的计算域,给出了贴体坐标系下的二维声波方程及其二阶精度的分部求和(Summation by Parts,SBP)有限差分离散格式,采用Fourier谱分析方法分析了该离散格式的稳定性,得到了贴体网格二维声波方程SBP有限差分方法的稳定性条件。数值实验结果表明:1当时间采样间隔的选取满足稳定性条件时,贴体网格SBP有限差分的数值计算过程是稳定的;2与贴体网格中心差分方法相比,贴体网格SBP有限差分方法的稳定性更好。     

准规则网格高阶有限差分法非均质弹性波波场模拟

为精确描述弹性波在非均匀介质中的传播，本文提出一种准规则网格高阶有限差分地震正演模拟方法。该法是将位移分量交错排列，做中心差分运算，在数学上等价于交错网格法，并给出了震源加载方法、边界条件和稳定性条件。与传统交错网格法和规则网格法相比，该方法在模拟精度和稳定性方面与交错网格法相同且优于传统规则网格法；而从内存占用上，相较于交错网格，二维时内存占用减少了60%，三维时减少了66.7%。利用层状模型验证了方法的模拟精度；利用复杂的Marmousi-2模型说明了方法的适用性和稳定性。     

非结构网格油藏数值模拟方法研究

根据所建立的单个控制体离散形式的物质平衡方程,基于PEBI和CVFE网格,采用任意形式的渗透率张量,建立了相应的数值算法。PEBI网格是一种局部正交网格,其离散形式与有限差分方法相似,流动系数的取值原则和界面渗透率的取法均与有限差分相同。CVFE网格是非正交网格,本文混合运用有限差分和有限元方法计算折算压力梯度,得到与有限差分和PEBI网格不同的离散形式,提出了根据流量符号判定上游的方法,使模型更为合理。模型计算表明,对于形式简单的对角渗透率张量,本文方法可以与九点差分格式相比,精度是可靠的,并且该方法还能模拟完全各向异性渗透率张量,对于精细油藏数值模拟,其应用范围将更为广泛。     

基于四叉树网格的MT二维正演

本文提出了一种基于四叉树网格剖分的大地电磁（MT）响应有限差分正演算法。首先基于四叉树数据结构进行模型网格剖分,然后用待定系数法推导了该网格中各类节点的有限差分计算公式,实现了复杂模型大地电磁响应的正演计算。多个模型计算结果表明,该算法与常规的有限差分法和有限单元法的计算精度相当时,在计算效率上有较大提高。     

基于PML边界的变网格高阶有限差分声波方程逆时偏移

叠前逆时深度偏移采用全声波方程求解,不受介质横向速度变化和高陡倾角的影响,具有成像精度高、相位准确、实现回转波成像等优点。逆时偏移利用双程波动方程构造波场延拓算子,正向延拓时间域震源点波场,逆时反向外推时间域检波点波场,然后利用互相关成像条件实现成像,因此正演模拟技术是其成功与否的关键。当浅层为海水或者低速层时,常规的有限差分方法必须采用小网格才能有效压制频散,得到高质量的波场记录,从而保证成像精度。但是若对整个区域都用小网格和小的时间采样间隔进行波场计算,势必造成计算量的增加。本文给出了声波方程变网格算法的差分格式,推导了基于PML边界条件的变网格高阶有限差分方程,将可变网格和可变时间步长算法应用于逆时偏移的波场外推,既保证了波场外推计算的精度和最终逆时偏移的成像效果,同时又提高了计算效率,并通过数值算例试算和逆时偏移成像的应用,说明了该方法的有效性和可行性。     

高精度傅里叶有限差分法模型正演

 波动方程数值模拟方法分为有限差分法和频率—波数域法两类，其中有限差分法的计算精度取决于波场外推算子的近似程度、离散网格间距及差分方程阶数，它能适应速度任意横向变化，但在大倾角处易出现频散现象及背景噪声。频率—波数域法算法简单、精度高、噪声小，能适应任意地层倾角情况，但不适于速度场的任意横向变化。文中结合有限差分法和频率—波数域法的优点，应用傅里叶有限差分法（FFD）实现在多域用高精度延拓算子对模型进行地震记录的数值模拟，其波场外推算子由相移项、折射项（时移项）和有限差分补偿项组成。对FFD法进行了理论与误差分析，并用单程声波方程分别进行了层状模型和SEG/EAGE盐丘模型的数值模拟试验。数值试验的对比分析表明，FFD法适用于速度场横向剧烈变化情形，且具有精度高、无频散、背景噪声弱等优点，模拟结果反射特征清楚，能对复杂地质构造进行准确的地震数值模拟。     

曲网络伪谱法二维声波模拟

为更精确地模拟地质界面和波的传播 ,给出了一种曲界面波场模拟算法。提出了具体的计算方案 ,并改进了快速傅氏变换的计算。为使用方便 ,推导了稳定性条件。该方法利用多块映射和超限插值技术将直角坐标系下的曲界面变换成曲坐标系下的规则界面 ,在曲坐标系下利用伪谱法模拟波场。它能有效地消除因离散化曲界面产生的人为阶梯状界面所带来的不必要的绕射。直网格下的合成记录和曲网格下的合成记录的比较 ,明显地说明了方法的有效性     

三维正交各向异性介质三分量高精度有限差分正演模拟

三维各向异性正演模拟是研究各向异性介质中波场传播规律的重要方法。本文就三维正交各向异性介质给出了一种快速精确的有限差分正演方法。该方法采用了4阶精空间差分格式和2阶精度的时间差分格式,这既提高了精度,也不增加过多计算量;另外还爱量校正法来克服数值频散,使计算能以较大的网络步长进行,在减少了计算量的同时,还提高了精度。对边界反射,文中提出一种简单实用的三维各向异性吸收边界条件,易于编程,且吸收效果明显数值计算的稳定性问题也作了一般讨论。数值算例验证了本文方法的正确性和有效性,并表明这它具有精度稿和边界吸收明显的优点。该方法不但可以用来合成三维各向异性介质的共炮点记录、VSP三分量记录及零偏移距离地震记录,而且还适用于其他各种类型的波场正演。     

地震记录的快速f—k正演模拟

通常波动方程正演与波动方程偏移有密切的关系,唯有Stolt的f-k偏移没有相应的正演方法。经研究发现,f-k正演中存在严重的折返效应。为此,本文提出一种改进的正演公式及相应的算法:①利用振幅衰减因子克服有限离散傅氏变换的周期性影响;②在插值映射中使用两项Sinc插值,消除假同相轴的干扰和提高计算效率;③利用时—深和深—时变换方法使f-k域正演适用于垂向变速和弱横向变速的正演情况。试验结果表明,f-k域正演记录具有与f-k波动方程偏移相似的快速、高效、对地层倾角无限制、稳定性好等优点,是一种有实用价值的波动方程正演模拟方法。     

基于Lebedev网格的TTI介质二维三分量正演模拟

传统交错网格有限差分法是研究地震波传播规律的一种较为常用的数值模拟方法,但是在交错网格中每个变量的不同分量都是交错定义的,对于没有定义的点需要进行变量插值,从而降低了模拟精度。为此,在前人的研究基础上,推导了TTI介质二维三分量的应力—速度方程,采用Lebedev网格对其进行了高精度的差分离散处理,避免了传统交错网格在处理各向异性介质时波场插值引起的误差,提高了模拟精度,并将多轴完全匹配层吸收边界（M-PML）引入了Lebedev网格。分别对单层TTI介质和含透镜体的复杂TTI介质模型进行了正演模拟,结果表明：①由于Lebedev网格对各向异性介质的弹性波方程做离散时无需进行波场插值,与传统交错网格有限差分方法相比,模拟精度更高;对TTI介质进行模拟时可以清晰地观察到纵波、快横波和慢横波,并且快、慢横波的偏振方向相反,在单炮记录中观测到的三种波的速度特征也符合波场传播规律。②引入多轴完全匹配层（M-PML）吸收边界条件后,在不影响模拟效果的情况下边界反射现象被有效地压制。     

稳定地电场三维有限差分正演模拟

本文阐述了用有限差分模拟计算三维稳定点电场的原理,提出了可以节约内存,提高运算速度的剖分网格、差分格式和超松弛迭代数值解的计算方法;采用解析法计算点电源在均匀大地条件下产生的正常电位场,用有限差分法计算地电异常体引起的异常电位场,进而得到实际电位场;简化了三维地电场数值模拟的问题,并且有效地控制了模拟计算精度。     

三参量速度分析中的构造形态约束

在三参量速度分析中,需要根据三维地震勘探资料充求取地下界面的倾向和倾角,然后确定均方根速度.由于进行速度分析所用的地震数据不可能很多,如果地震资料的信噪比又不高,就很难求准地层的倾向和倾角,进而使均方根速度有较大误差,降低了三参量速度分析的整体效果.只要原始资料的信噪比不是特别差,处理参数也没有太大的问题,在叠加剖面上总是能看到地下构造的形态.由于叠加剖面在时间和空间两个方向上都有较大的尺度,所以在叠加剖面上确定同相轴的倾角比较准确.叠加剖面上同相轴的倾角实际上是反射层的时间视倾角.如果知道纵测线和横测线两个方向上的时间视倾角,又知道地层的平均速度,就能求得反射层的真倾向和真倾角.这样求出的倾向和倾角能表示较大范围的反射层结构的总体情况,虽然它与速度分析点上的倾向和倾角有一定的差异,但作为后者的参考值和约束还是可以接受的.采用大范围反射层的倾向和倾角对三参量速度分析进行约束之后,避免了计算过程中倾向和倾角出现较大的误差,改善了低信噪比资料的三参量速度分析的效果.理论模型数据和实际资料处理结果表明,该方法是切实可行的,可以提高三维地震资料的处理水平.     

基于非均质体的波动方程有限元正演模拟

通常地震波声波方程正演模拟所采用的方程是描述波在均匀介质中传播的波动方程,该方程用于非均质介质时,其模拟结果存在较大误差,因此需要在界面处引入过渡层,即认为弹性参数是连续变化的。采用有限元方法求解非均质声波方程,将单元内的弹性参数插值,使介质上任意一点的位移和应力始终是一个连续函数,这样对于突变界面就能通过过渡层来近似模拟,当该层单元格足够小时可以有效控制误差,提高正演模拟精度。最终通过数值模型算例验证了该方法的有效性。     

基于余弦变换的密度界面重力异常正反演研究

针对提高重力资料处理的精度问题，本文提出利用余弦变换研究密度分界面重力异常正、反演问题，从理论上推导出二维、三维常密度单界面重力异常余弦变换谱正演公式及其界面深度反演公式。为探讨该方法的反演精度，分别利用Parker—Oldenberg法和余弦变换法反演了常密度单界面理论模型的深度，并进行了误差对比分析。Parker-Oldenberg法反演的界面深度相对于理论模型深度的计算点最大误差和均方差分别为0．148km、0．013km，而余弦变换法反演为0．041km、0．003km，最大误差和均方差分别降低了0．107km、0．010km，这说明余弦变换法的反演精度明显高于Parker—Oldenberg法，其反演精度提高了3倍多。     

高精度地震曲率体计算技术与应用

地震曲率分析法能根据致密脆性岩石的地震反射同相轴的弯曲程度(曲率),预测裂缝发育程度。曲率在数学上可以通过倾角与倾角的导数表示,由此利用地震数据体的二次倾角计算就可以获得地震曲率体。目前基于倾角的地震曲率体计算方法适应于连续反射面的曲率计算,但在错断与中断等不连续部位,由于在时窗内不能扫描到精确的倾角而导致曲率计算的模糊,从而降低断层两盘地段曲率的准确预测。本文提出基于直平面与曲界面相结合的二次倾角扫描方法,结合保持边缘的多窗口扫描技术,实现连续反射、错断反射两类同相轴弯曲程度的准确检测,进而实现高精度地震曲率体的计算。实际资料的检测结果表明,文中所提方法提取的曲率异常能更加准确地反映微起伏构造,精细检测与刻画断裂带细节。