基于MPI的OBC三维多波多分量地震观测正演模拟并行算法实现

针对海上OBC三维地震观测正演数值模拟的海量计算需求,研究并实现了基于信息传递接口(Message Passing Interface,MPI)并行平台的交错网格有限差分数值模拟并行算法。该算法能够以三维任意偶阶空间精度从X,Y和Z3个方向同时实现并行运算,可以任意选择空间并行计算方向以及并行计算的进程个数。在算法实现过程中,引入了进程坐标系的概念,使得每一个参与计算的进程对应一个进程坐标,通过进程坐标来判断边界条件的使用;同时引入虚拟进程以方便模型边界处的数据交换。通过层状模型采用不同计算进程个数的正演计算验证了该并行算法的可行性和运行效率;最后对海上某靶区三维地质模型进行了Patch观测系统下的多波多分量地震观测正演并行模拟。     

非分裂完全匹配层边界存储时间域全波形反演

正演波场的储存或重建是制约时间域全波形反演的关键问题,以计算代替存储的常规分裂完全匹配层（PML）边界存储策略可有效减少存储量。但常规分裂PML边界条件所需变量个数多、计算存储量大以及编程复杂。为此,采用非分裂复频移完全匹配层（CFS-NPML）有效边界存储策略重建正演波场实现时间域全波形反演。研究表明：CFS-NPML所需变量个数少,在边界吸收层网格点较少时吸收效果优于常规PML边界条件,波场重建过程中所需存储量少于常规PML边界条件。数值试验表明,该存储策略得到的重建波场与正向传播波场几乎无差别,其全波形反演结果与常规保存波场反演法一致;正演过程中引入并行计算技术未显著增加波场重建导致的额外正演时间。     

基于柯西分布的频率域全波形反演

全波形反演利用了波形的整体特征,是一种高分辨率的成像方法。目前广泛使用的最小二乘法全波形反演隐含了地震数据处理中噪声服从正态分布,限制了实际应用的效果。本文在假设地震数据噪声误差服从柯西分布的前提下,提出了一种基于柯西分布的频率域目标函数构造方法,推导出了相应的梯度表达式,通过对理论模型的数值合成记录加入随机脉冲噪声、高斯噪声和线性噪声,验证本方法的正确性。反演过程中采用拟牛顿法从低频到高频进行了多尺度的全波形反演,并将低频反演结果作为高频反演的初始模型以便减少解的非唯一性。研究结果表明：该方法相对于最小二乘全波形反演方法,在噪声存在且不满足高斯正态分布的情况下,仍然能够得到较好的反演结果。     

基于三次卷积插值的时间域多尺度全波形反演

时间域全波形反演采用全频带地震数据时容易陷入局部极值,通过滤波器对地震数据分频段开展时间域的多尺度反演研究。从一阶导数的高阶交错网格有限差分格式出发,给出了不同差分阶数下不同频段反演时可取的空间步长;采用巴特沃斯自相关滤波器将地震数据滤波成一系列不同频段的地震数据,从低频到高频依次反演,上一个低频段反演的结果作为下一个高频段反演的初始模型。考虑到不同频段反演时采用的空间步长不是简单的倍数关系,通过引入三次卷积插值技术来实现不同频段之间的插值。理论模型试算证明:在不同的反演频带下分别选择合适的空间步长,同时相应改变时间步长,能最大程度减少反演所需时间;三次卷积插值技术可实现粗网格大小与细网格大小为任意倍数的插值,基于三次卷积插值法反演可得到与常规统一网格步长反演法精度相当的结果。     

实际地层条件下爆炸震源子波模拟研究

炸药激发是陆地上地震勘探的主要激发方式。不同的激发位置得到的子波的频率成分、主频、频宽均不同。由于反射系数及虚反射等多方面的影响,子波波形和频谱随着传播的距离而改变,从而影响地震资料的分辨率。通过计算得到了均匀弹性介质中的球腔震源作用下的位移公式,并分析了影响球腔震源子波的各个因素。最后在实际地层中得到了不同位置激发下的震源子波,以及各个激发位置下所得到的子波的频率变化。通过分析远场子波的主频及频宽得到最佳激发位置,来指导实际震源的安置。     

面向目标与成像的海上多方位观测系统的评价与优化

针对南海深水区崎岖海底、陡坡带、断裂带和较大向斜、背斜构造下的地震成像模糊问题,开展面向目标照明和成像的多方位采集设计评价和优化研究。主要采用正演模拟、照明分析及偏移成像等多项技术对观测系统做精细评价和优化;综合考虑采集成本、施工难度、数据处理及成像效果等因素,认为沿0°、90°、120°和150°等4个方位的多方位观测系统为最佳;建立了一套完整、有效、适用于海上多方位观测系统评价的方法和流程,有利于实际海上复杂区地震数据采集。     

利用自适应迭代多级中值滤波法分离海上多震源混合波场

多震源激发技术可提高海上地震勘探作业效率,但其混合波场的分离是影响成像的关键因素。伪分离记录中次震源波场在共炮集域之外的其他时域中呈现与主震源波场不同的随机分布特征。本文采用自适应迭代多级中值滤波去噪法以实现海上多震源混合波场的分离,迭代过程中通过自适应减小中值滤波窗口逐步提取波场细节信息。海上实际多震源采集混合炮集记录的波场分离结果表明,分离后的各震源单炮记录清晰,频谱特征相近,证实本文方法具有很好的实际应用价值。     

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...     

二维弹性波方程频率空间域有限差分正演研究

时间空间域有限差分正演模拟方法比较成熟,但是,该方法存在截断误差,并且该误差会随着计算量的增加不断累积。而频率空间域有限差分正演模拟方法是对空间网格后的所有网格点按照频率切片进行整体求解方程组,计算的误差被分配到了每一个网格点上。因为每个频率切片是单独计算的,不存在累积的舍入误差。推导了二维弹性波方程频率空间域的最优化旋转有限差分格式,通过模型的正演模拟试算,验证了频率空间域有限差分方法算法的有效性。     

CSC频率—空间域波动方程数值模拟

针对频率—空间域波动方程数值模拟需要巨大内存空间的现状,提出了利用列索引压缩存储(CSC)技术存储大型稀疏非对称复数型的矩阵系数。CSC技术将系数矩阵转化为三个一维数组来存储,分别存储系数非零元素、非零元素对应所在的行以及每列起始非零元素所在位置。经CSC技术压缩存储后显著减少了内存空间及计算量,在计算时只有少许的非零元素参加计算,且根据三个一维数组可以简便地找到对应的非零元素,进而采用LU分解快速而精确地求解。本文基于Jo等提出的最优化9点差分方法,首次应用CSC技术在频率—空间域进行二维声波方程数值模拟。通过对Corner-edge模型和二维Marmousi模型进行试算,可以显著节省内存需求,明显提高计算速度,进而得到精度较高的正演结果。