基于Remez迭代算法求解差分系数的双相介质自适应有限差分正演模拟

利用传统有限差分方法对基于Biot理论的双相介质波动方程进行数值求解时,由于慢纵波的存在,数值频散效应较为明显,影响模拟精度.相对于声学近似方程及普通弹性波方程,Biot双相介质波动方程在同等数值求解算法和精度要求条件下,其地震波场正演模拟需要更多的计算时间.本文针对Biot一阶速度-应力方程组发展了一种变阶数优化有限差分数值模拟方法,旨在同时提高其正演模拟的精度和效率.首先结合交错网格差分格式推导Biot方程的数值频散关系式.然后基于Remez迭代算法求取一阶空间偏导数的优化差分系数,并用于Biot方程的交错网格有限差分数值模拟.在此基础上把三类波的平均频散误差参数限制在给定的频散误差阈值和频率范围内,此时优化有限差分算子的长度就能自适应非均匀双相介质模型中的不同速度区间.数值频散曲线分析表明:基于Remez迭代算法的优化有限差分方法相较传统泰勒级数展开方法在大波数范围对频散误差的压制效果更明显;可变阶数的优化有限差分方法能取得与固定阶数优化有限差分方法相近的模拟精度.在均匀介质和河道模型的数值模拟实验中将本文变阶数优化有限差分算法与传统泰勒展开算法、最小二乘优化算法进行比较,进一步证明其在复杂地下介质中的有效性和适用性.     

非均匀TI介质P-SV波传播交错网格高阶有限差分数值模拟

给出了在非均匀横向各向同性(TI)介质情况下,四阶时间精度、高阶空间精度的一阶速度-应力P-SV波的波动方程交错网格有限差分解法.首先根据一阶速度(应力)波动方程把速度(应力)对时间的一阶和三阶导数转换为应力(速度)对空间的导数,从而在使用四阶时间精度有限差分格式计算某一时刻的波场时只需要前面两个时间步的波场值;然后在空间上采用高阶有限差分格式以提高数值模拟的精度.数值模拟结果和实测垂直地震剖面(VSP)记录符合得很好,说明该方法是可行的.     

利用高阶交错网格有限差分法模拟地震波在非均匀孔隙介质中的传播

烃类储集层是一种复合多相介质，在固体颗粒的空隙中含有气体或液体. 研究弹性波在该类地层中的传播规律对于油气勘探开发，特别对于全波列声波测井有重要意义. 为了提高孔隙弹性介质数值模拟的计算效率，本文采用改进显式交错网格有限差分算法取代常用的空间域四阶和时间域二阶的速度 - 应力有限差分算法，算法的空间域为八阶、时间域为二阶. 虽然计算的时间步长略小于空间域四阶的情形，但高阶有限差分算法可以选择较粗糙的网格，因此补偿了计算的低效；同时高阶交错网格有限差分算法的空间频散性比低阶算法小. 利用该算法计算了一个两层模型的波场，同时还模拟了等效弹性和孔隙弹性模型中波的传播. 结果表明慢波及其影响明显，尽管慢波衰减很快，但被某一界面反射后，转换形成的P波和S波仍以正常的方式传播，且比慢波衰减小.     

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.     

黏弹TTI介质中旋转交错网格高阶有限差分数值模拟

以Carcione黏弹各向异性理论为基础,给出了适用于黏弹性具有任意倾斜对称轴横向各向同性介质(黏弹TTI介质)的二维三分量一阶速度-应力方程,采用旋转交错网格任意偶数阶精度有限差分格式求解该方程,并推导出了二维黏弹TTI介质完全匹配层(PML)吸收边界条件公式和相应的旋转交错网格任意偶数阶精度有限差分格式,实现了该类介质的地震波场数值模拟.数值模拟结果表明:该方法模拟精度高,边界吸收效果好,可以得到高精度的波场快照和合成记录;并且波场快照和合成记录能较好地反映地下介质的各向异性特征和黏弹性特征.     

求解二阶解耦弹性波方程的低秩分解法和低秩有限差分法

时间域的波场延拓方法在本质上都可以归结为对一个空间-波数域算子的近似.本文基于一阶波数-空间混合域象征,提出一种新的方法求解解耦的二阶位移弹性波方程.该方法采用交错网格,连续使用两次一阶前向和后向拟微分算子,推导得到了解耦的二阶位移弹性波方程的波场延拓算子.由于该混合域象征在伪谱算子的基础上增加了一个依赖于速度模型的补偿项,可以补偿由于采用二阶中心差分计算时间微分项带来的误差,有效地减少模拟结果的数值频散,提高模拟精度.然而,在非均匀介质中,直接计算该二阶的波场延拓算子,每一个时间步上需要做N次快速傅里叶逆变换,其中N是总的网格点数.为了减少计算量,提出了交错网格低秩分解方法;针对常规有限差分数值频散问题,本文将交错网格低秩方法与有限差分法结合,提出了交错网格低秩有限差分法.数值结果表明,交错网格低秩方法和交错网格低秩有限差分法具有较高的精度,对于复杂介质的地震波数值模拟和偏移成像具有重要的价值.     

用于弹性波方程数值模拟的有限差分系数确定方法

有限差分方法是波场数值模拟的一个重要方法,交错网格差分格式比规则网格差分格式稳定性更好,但方法本身都存在因网格化而形成的数值频散效应,这会降低波场模拟的精度与分辨率.为了缓解有限差分算子的数值频散效应,精确求解空间偏导数,本文把求解波动方程的线性化方法推广到用于求解弹性波方程交错网格有限差分系数;同时应用最大最小准则作为模拟退火(SA)优化算法求解差分系数的数值频散误差判定标准来求解有限差分系数.通过上述两种方法,分别利用均匀各向同性介质和复杂构造模型进行了数值正演模拟和数值频散分析,并与传统泰勒展开算法、最小二乘算法进行比较,验证了线性化方法和模拟退火方法都能有效压制数值频散,并比较了各个算法的特点.     

横向各向同性介质地震波场数值模拟研究

地震波场数值模拟是理解地震波在地下介质中的传播特点，帮助解释观测数据的有效手段，而提高计算精度和运算效率是所有波场数值模拟方法研究所追求的目标.有限差分技术是求解波动方程计算效率最高、应用最为广泛的方法之一.但传统的有限差分技术计算过程中的数值频散问题影响了该技术的计算精度与计算效率.本文通过交错网格高阶有限差分技术与通量校正传输方法（Flux|corrected transport method，FCT）相结合, 对横向各向同性介质（Transverse isotropic medium，TI）一阶速度|应力弹性波动方程组进行了数值求解研究.波场快照数值模拟结果表明，本文研究的数值模拟方法与波动方程二阶有限差分方法、交错网格四阶有限差分方法相比，在压制网格数值频散方面有明显的优势，计算精度提高，而且可以利用较大的空间步长，提高计算效率.     

基于LS-RSGFD方法优化的横向各向同性(TI)介质一阶qP波高精度数值模拟

为克服各向异性介质弹性波数值模拟中存在着计算量大和波场分离困难等局限,研究了声学近似的VTI介质和TTI介质一阶qP波数值模拟方法.首先对VTI介质弹性波方程进行声学近似,推导了VTI介质一阶qP波方程;然后基于精确的TTI介质频散关系,引入一个包含各向异性控制参数σ的新辅助波场,推导了稳定的TTI介质二阶耦合qP波波动方程,并通过引入波场的伪速度分量,推导了等价的一阶应力-速度形式.结合旋转交错网格有限差分(RSGFD)和基于最小二乘优化的有限差分(LS-FD)两种各具优势的方法,研究了最小二乘旋转交错网格有限差分(LS-RSGFD)方法,并用其数值求解VTI和TTI介质一阶qP波方程,然后通过构造其LS-RSGFD格式,实现了高精度的各向异性介质qP波波场数值模拟.数值模拟结果表明:TI介质一阶qP波方程能够准确地模拟各向异性介质中qP波的运动学特征,引入控制参数σ能够有效地减弱不稳定性问题,保证非均匀TTI介质中qP波场的稳定传播;利用优化的LS-RSGFD方法可以得到高精度的合成地震记录,同时还可以相对地提高计算效率.     

旋转网格和常规网格混合的时空域声波有限差分正演

压制数值频散,提高正演模拟精度,一直是有限差分正演模拟研究的重要内容.基于时空域频散关系的有限差分法,比基于空间域频散关系的传统有限差分法,模拟精度更高.时空域声波方程数值模拟,普遍采用常规十字交叉型高阶有限差分格式.而在频率-空间域,普遍采用旋转网格和常规网格混合的有限差分格式,有效提高了模拟精度和计算效率.本文将频率-空间域混合网格有限差分的思想引入到时空域,提出了时空域混合网格2 M+N型声波方程有限差分方法.首先推导出基于时空域频散关系的混合网格差分系数计算方法,然后进行频散分析、稳定性分析,并和传统高阶、时空域高阶有限差分法对比,结果表明:计算量相同时,新方法能有效压制数值频散,显著提高模拟精度;新方法相比传统2 M阶有限差分法,稳定性增强,与时空域2 M阶有限差分法稳定性基本相当.最后利用新方法进行均匀介质、层状介质、盐丘模型的数值模拟和盐丘模型的逆时偏移,模拟效果和成像质量进一步证实了该方法的有效性和普遍适用性.     

Numerical simulation of seismic wavefields in TTI media using the rotated staggered-grid compact finite-difference scheme

Numerical simulation in transverse isotropic media with tilted symmetry axis(TTI) using the standard staggered-grid finite-difference scheme(SSG)results in errors caused by averaging or interpolation. In order to eliminate the errors, a method of rotated staggered-grid finite-difference scheme(RSG) is proposed. However, the RSG brings serious numerical dispersion. The compact staggered-grid finite-difference scheme(CSG) is an implicit difference scheme, which use fewer grid points to suppress dispersion more effectively than the SSG. This paper combines the CSG with the RSG to derive a rotated staggered-grid compact finite-difference scheme(RSGC). The numerical experiments indicate that the RSGC has weaker numerical dispersion and better accuracy than the RSG.     

Implementation of Elastic Prestack Reverse-Time Migration Using an Efficient Finite-Difference Scheme

Elastic reverse-time migration (RTM) can reflect the underground elastic information more comprehensively than single-component Pwave migration. One of the most important requirements of elastic RTM is to solve wave equations. The imaging accuracy and efficiency of RTM depends heavily on the algorithms used for solving wave equations. In this paper, we propose an efficient staggered-grid finite-difference (SFD) scheme based on a sampling approximation method with adaptive variable difference operator lengths to implement elastic prestack RTM. Numerical dispersion analysis and wavefield extrapolation results show that the sampling approximation SFD scheme has greater accuracy than the conventional Taylor-series expansion SFD scheme. We also test the elastic RTM algorithm on theoretical models and a field data set, respectively. Experiments presented demonstrate that elastic RTM using the proposed SFD scheme can generate better images than that using the Taylor-series expansion SFD scheme, particularly for PS images. FurH. thermore, the application of adaptive variable difference operator lengths can effectively improve the computational efficiency of elastic RTM.     

基于Chebyshev自褶积组合窗的有限差分算子优化方法

有限差分法广泛应用于地震波数值模拟、成像和波形反演中,差分数值解的精度直接影响着地震成像和反演的效果.因为有限差分算子可以通过截断伪谱法的空间褶积序列得到,而截断窗函数的属性影响有限差分算子逼近微分算子的精度.具体地讲,窗函数的幅值响应的主瓣和旁瓣决定了有限差分算子逼近的精度,主瓣越窄,旁瓣衰减越大,则有限差分算子逼近微分算子的精度越高,更好地压制数值频散.基于此认识,本文提出了一种基于Chebyshev自褶积组合窗截断逼近的有限差分算子优化方法.Chebyshev自褶积组合窗的主瓣较窄,且旁瓣衰减大,其可通过只调节三个参数,更直观和可视化地控制主瓣和旁瓣的形状,改变有限差分算子逼近微分算子的精度;该窗函数截断逼近的有限差分算子不仅有较大的谱覆盖范围,而且精度误差波动较小,这表明低阶的差分算子可以达到高阶算子的精度,且逼近误差更稳定;从经济上来讲,将有效地减少模拟计算花费,提高计算效率.     

Finite-difference modeling with variable grid-size and adaptive time-step in porous media

Forward modeling of elastic wave propagation in porous media has great importance for understanding and interpreting the influences of rock properties on characteristics of seismic wavefield. However,the finite-difference forward-modeling method is usually implemented with global spatial grid-size and time-step; it consumes large amounts of computational cost when small-scaled oil/gas-bearing structures or large velocity-contrast exist underground. To overcome this handicap,combined with variable grid-size and time-step,this paper developed a staggered-grid finite-difference scheme for elastic wave modeling in porous media. Variable finite-difference coefficients and wavefield interpolation were used to realize the transition of wave propagation between regions of different grid-size. The accuracy and efficiency of the algorithm were shown by numerical examples. The proposed method is advanced with low computational cost in elastic wave simulation for heterogeneous oil/gas reservoirs.     

VTI介质qP波方程高精度有限差分算子

波动方程有限差分法是一种使用广泛的地震波数值模拟方法.但是有限差分法本身固有存在着数值频散问题，会降低地震波场模拟的精度与分辨率.为了克服常规有限差分算子的数值频散，本文针对VTI介质地震波数值模拟问题，构造了频率-空间域qP波波动方程高精度有限差分优化算子，根据最优化理论中高斯-牛顿法确定了高精度有限差分算子的优化系数.利用常规差分算子和高精度优化差分算子对归一化相速度的频散关系精度进行了对比分析，并对均匀各向同性介质和均匀VTI介质中的qP波地震波场进行了有限差分数值模拟，通过频散关系精度分析和波场数值模拟结果表明：有限差分优化算子具有较高的波场数值模拟精度，有效压制了传统有限差分算子数值模拟中的数值频散现象，提高了有限差分算子精度，为VTI介质频率-空间域qP波正演模拟奠定了基础.     

Acoustic Reverse-time Migration using Optimal Staggered-grid Finite-difference Operator Based on Least Squares

Reverse-time migration (RTM) directly solves the two-way wave equation for wavefield propagation; therefore, how to solve the wave equation accurately and quickly is very important for RTM. The conventional staggered-grid finite-difference (SFD) operators are usually based on the Taylor-series expansion theory. If they are used to solve wave equation on a larger frequency content, a strong dispersion will occur, which directly affects the seismic image quality. In this paper, we propose an optimal SFD operator based on least squares to solve acoustic wave equation for prestack RTM, and obtain a new antidispersion RTM algorithm that can use short spatial difference operators. The synthetic and real data tests demonstrate that the least squares SFD (LSSFD) operator can mitigate the numerical dispersion, and the acoustic RTM using the LSSFD operator can effectively improve image quality comparing with that using the Taylor-series expansion SFD (TESFD) operator. Moreover, the LSSFD method can adopt a shorter spatial difference operator to reduce the computing cost.     

双相各向同性介质弹性波高精度波场分离数值模拟方法

为了便于研究双相介质固流相混合弹性波场中纵横波波场的传播规律,提出了基于交错网格的Biot双相各向同性介质弹性波动方程高精度波场分离正演数值模拟方法.采用高阶交错网格有限差分法来构建一阶双曲型双相各向同性介质弹性波动方程正演算子实现波场正演,并在每一步递推过程中,分别计算出同相和流相分量相应的散度场(纯纵波场)和旋度场...     

Optimized staggered-grid finite-difference operators using window functions

The staggered-grid finite-difference (SGFD) method has been widely used in seismic forward modeling. The precision of the forward modeling results directly affects the results of the subsequent seismic inversion and migration. Numerical dispersion is one of the problems in this method. The window function method can reduce dispersion by replacing the finite-difference operators with window operators, obtained by truncating the spatial convolution series of the pseudospectral method. Although the window operators have high precision in the low-wavenumber domain, their precision decreases rapidly in the high-wavenumber domain. We develop a least squares optimization method to enhance the precision of operators obtained by the window function method. We transform the SGFD problem into a least squares problem and find the best solution iteratively. The window operator is chosen as the initial value and the optimized domain is set by the error threshold. The conjugate gradient method is also adopted to increase the stability of the solution. Approximation error analysis and numerical simulation results suggest that the proposed method increases the precision of the window function operators and decreases the numerical dispersion.     

弹性波数值模拟的非规则网格差分法

基于应力、速度混合变量弹性波方程及任意四边形网格差分算子,给出了交错计算应力及速度的非规则网格弹性波应力一速度差分法该方法融合了有限元法能适应复杂形状边界及差分法无需计算刚度阵的特点,具有较高的计算精度,所需计算机存储空间较少,计算效率也很高．基于积分平衡方程引入了任意形状自由表面的边界条件,且通过局部滤波改善了自由表面边界条件的稳定性,使得该方法可应用于考虑地表形状影响的地震波数值模拟