地震波数值模拟的褶积微分算子法与伪谱法的对比分析

将基于Forsyte广义正交多项式的褶积微分算子法运用于复杂非均匀介质地震波场模拟中,并将计算结果与伪谱法计算结果进行分析比较。通过二者的计算时间对比发现:在同样的计算条件下,褶积微分算子法的采样时间始终小于伪谱法,这是其进行地震波数值模拟的一个明显优势。通过波场快照的对比,褶积微分算子法的模拟结果与伪谱法数值模拟结果的频散效应相当,可为地震波场的值计算提供一种新的选择。     

复杂介质地震波传播的褶积微分算子数值模拟h

将佛尔塞（Forsyte）广义正交多项式微分算子地震波场正演模拟算法运用于复杂非均匀介质模型的波场数值模拟中,并比较了该方法在计算效率和计算精度方面与有限差分方法和伪谱法的差异. 数值结果表明,这种广义正交多项式微分算子法计算速度快、精度高,对计算资源需求低,是一种颇具潜力的数值模拟方法.      

2.5维地震波场褶积微分算子法数值模拟

早期的褶积微分算子都是基于正反傅立叶变换而实现的,其精度比四阶有限差分的精度稍高,本文将计算数学中的Forsyte广义正交多项式微分算子与褶积算子相结合,构建了一个新的快速、高精度褶积微分算子,其计算结果非常接近实验函数微分的精确值,精度与16阶有限差分的精度相当,远优于错格伪谱法的精确度.另外,2.5维数值模拟比二维模拟可以更真实地模拟三维介质的臬个剖面的波场,并且2.5维地震波模拟的计算量比三维模拟的计算量及计算耗时要大大减少.本文利用基于Forsyte广义正交多项式褶积微分算子法计算2.5维非均匀介质地震波场,模拟结果表明,该算法的计算速度快,计算精度高,能够直观、高效地反映复杂介质中波场的传播规律,并且2.5维波场数值模拟具有更高的计算效率,是一种非常值得深入研究并广泛应用的方法.     

基于Shannon奇异核理论的褶积微分算子在地震波场模拟中的应用

本文在前人工作的基础上,建立了一种基于Shannon奇异核的交错网格褶积微分算子方法.文中不仅详细讨论了影响算子精度的各种因素,同时也着重分析了其在弹性波模拟中的频散关系和稳定性条件.通过和交错网格有限差分算子比较,发现该算子即使在高波数域也具有较高的精度.均匀介质中的数值试验也表明,该方法9点格式就基本上达到了解析解精度.而分层均匀介质和复杂介质中的地震波数值模拟也同时证实了该方法精度高,稳定性好,是一种研究复杂介质中地震波传播的有效数值方法.     

基于辛格式奇异核褶积微分算子的地震标量波场模拟

本文在对地震波场进行模拟时,采用辛差分格式对波动方程进行时间离散,采用奇异核褶积微分算子对波动方程进行空间离散.该方法尽管增加了一些计算量,但提高了计算精度和稳定性;相对于其他非辛算法,它是全局保结构的,并且具有较强的长时间跟踪能力.该方法为解决大尺度、长时程地震波场的高精度模拟问题提供了一种新的、有效的选择.     

基于广义正交多项式褶积微分算子的地震波场数值模拟方法

地震波场模拟方法研究对于与波动现象有关的地震学问题的重要性是不言而喻的.就目前现有的各种正演算法来说,精度较高的算法（如有限元法、谱元法、高阶有限差分法等）,其计算速度较慢;计算速度较快的算法（如低阶有限差分法、付氏伪谱法等）计算精度却比较低.为了兼顾地震波场模拟的精度与速度,本文推出了一种快速的、高精度地震波场模拟方法（基于Forsyte广义正交多项式的褶积微分算子法）,该方法是以计算数学中的Forsyte广义正交多项式插值函数为基础,构建一个新的褶积微分算子,并将该算子引入到地震波动方程的一阶速度-应力方程的空间微分运算中去,采用时间交错网格有限差分算子替代普通的差分算子以匹配高精度的褶积微分算子,从而构造一种全新的地震波场数值模拟方法.该方法同时具有广义正交多项式方法的高精度和短算子低阶有限差分算法的高速度.通过对算子长度的调节及算子系数的优化,可同时兼顾波场解的全局信息与局部信息.复杂非均匀介质模型中的波场数值模拟实验证实了该方法的可行性及优越性.     

地震波数值模拟中的最优Shannon 奇异核褶积微分算子

如何有效协调地震波数值模拟过程中的计算精度和计算效率,一直是许多地球物理工作者密切关注且努力寻求解决的问题.这一问题求解的好坏,将直接影响到人们正确认识地下构造的地球物理响应.本文从离散Shannon奇异核理论出发,推导了基于Shannon奇异核的交错网格褶积微分算子,分析并求出了影响算子精度窗函数的最优化参数.通过将...     

最优化辛格式广义离散奇异核褶积微分算子地震波场模拟

将波动方程变换至Hamilton体系,构造了一种新的保结构算法,即最优化辛格式广义褶积微分算子(OSGCD). 在时间离散上,首先引入了Lie算子设计二级二阶辛格式,基于最小误差原理得到了优化的辛格式. 在空间离散上,引入广义离散奇异核褶积微分算子计算空间微分,提出了一种有效方法优化GCD并得到了稳定的算子系数. 针对本文发展的新方法,给出了OSGCD稳定性条件. 在数值实验中,将OSGCD与多种方法比较,从精度和计算效率两方面分析了OSGCD的计算优势,计算结果也表明OSGCD长时程以及非均匀介质中地震波模拟亦具有较强能力.     

基于辛格式离散奇异褶积微分算子的弹性波场模拟

本文发展了基于辛格式离散奇异褶积微分算子(SDSCD)的保结构方法模拟弹性波场,求解弹性波动方程时,引入辛差分格式进行时间离散,采用离散奇异褶积微分算子进行空间离散.相比于传统的伪谱方法,该方法提高了计算精度和稳定性.数值结果表明SDSCD方法可以有效地抑制数值频散,为解决大尺度、长时程地震波场模拟问题提供了合适的数值方法.     

Theconvolutionaldiferentiatormethodfornu┐mericalmodelingofacousticandelasticwave┐fields

Ｔｈｅｃｏｎｖｏｌｕｔｉｏｎａｌｄｉｆｅｒｅｎｔｉａｔｏｒｍｅｔｈｏｄｆｏｒｎｕ┐ｍｅｒｉｃａｌｍｏｄｅｌｉｎｇｏｆａｃｏｕｓｔｉｃａｎｄｅｌａｓｔｉｃｗａｖｅ┐ｆｉｅｌｄｓＺＨＯＮＧ－ＪＩＥＺＨＡＮＧ（张中杰），ＪＩ－ＷＥＮＴＥＮＧ（滕吉文）ａｎ...     

地震波动方程的局部间断有限元方法数值模拟

近年来,随着地震波数值模拟对计算精度和效率的要求越来越高,间断有限元方法开始受到越来越多的关注.本文中,针对具有吸收边界条件的二维地震声波波动方程,作者提出了一种基于局部间断有限元方法的数值模拟算法.该算法在空间上使用局部间断有限元方法进行离散,在时间上采用了显式蛙跳格式.在这种时空离散的组合方式下,每个时间步上,此算法在空间剖分的每个单元上的求解计算是相互独立的,因而具有极高的并行性.通过数值算例,我们将该算法与连续有限元方法进行了比较.结果表明,本算法不仅具有对起伏构造的良好适应性,而且在计算效率和计算精度等方面,都具有优越性.     

常Q衰减介质分数阶波动方程优化有限差分模拟

本文基于Kjartansson常Q模型理论,推导了常Q衰减介质中黏声波和黏弹性波的速度-应力方程,并采用基于二项式窗函数的优化交错网格有限差分方法进行了数值模拟,同时引入不分裂的复频移卷积完全匹配层(CPML)吸收边界条件,以消除边界反射.使用基于自适应时间步长记忆方法的中心差分近似时间分数阶导数,与常用的短时记忆方法相比,提高了波动方程的离散化精度和计算效率.通过对比均匀模型下声波的数值解与解析解,验证了算法的精确性,并进一步分析了不同品质因子下地震波的频散及衰减特征.对BP盐丘模型的数值模拟结果可以较好地反映本文数值方法对复杂介质的适应性及频散压制效果.      

NUMERICAL SEISMOGRAM COMPUTATIONS FOR INHOMOGENEOUS MEDIA USING A SHORT,VARIABLE LENGTH CONVOLUTIONAL DIFFERENTIATOR1

A short convolutional differentiator (CD) for computing second spatial derivatives in the acoustic wave equation is presented. This differentiator is obtained by tapering the inverse Fourier transform of the band-limited Fourier spectrum of the second-derivative operator. This new filter has been applied to seismogram computations for inhomogeneous media and results are compared with the conventional high-order finite-difference (FD) and Fourier schemes. The operator can be progressively shortened at the model edges to reduce boundary artefacts. The CD method is superior to the conventional FD operator and comparable with the Fourier method in accuracy but faster to run. A strategy to reduce computation time by 20%, which exploits the localized nature of the operator, is given. The method is illustrated using simple 2D models.     

基于机器学习算法的银川台阵资料自动化震相分析和定位

近年来快速发展的机器学习算法显著提高了震相拾取的精度和效率。 采用卷积神经网络和递归神经网络的震相识别方法对银川台阵2019年6~7月的连续波形数据进行事件检测和P、 S震相拾取, 并通过快速震相关联和事件定位得到了银川地区较全的地震目录。 结果表明, 当震相数小于10时, 虽然可以检测出较多事件, 但分布呈弥散状, 与区域地震活动特征不符。 进一步对震相数≥10的事件进行了人工复核。 总体而言, 随着震相数量的增加, 事件的误检率逐步降低。 震相数16是该地区自动检测和定位结果准确性的拐点。 当震相数≥20时, 全部召回了地震目录中的13个地震事件, 二者平均定位差异4.27 km。 经过人工复核, 检测到的真实地震事件为区域内地震目录中事件数量的9倍。 本文使用的基于机器学习和快速震相关联和定位方法的流程可在确保准确率的基础上降低人工检测的难度, 提高地震检测的效率。     

可变网格与局部时间步长的高阶差分地震波数值模拟

提高计算精度与效率是所有地震波正演方法所追求的目标.本文通过将变化的空间网格与变化的时间步长技术相结合,提出一种空间网格大小与时间步长均可任意变化的高阶有限差分模拟方法.一系列数值试验表明,该方法在保证模拟精度的同时,显著提高了模拟的效率.这种可变空间网格与局部时间步长的模拟方法,能够精细刻画含孔缝洞介质以及横向变化剧烈介质的微小结构,减小地震波模拟误差,提高介质细微结构情况下的地震波传播模拟精度与效率.     

几种自由边界实施方法在完全 匹配层条件下的对比研究

传统的完全匹配层技术是一种能够较为有效地消除边界反射的边界条件,但是当表层为泊松比较高的自由表面时,该技术可能会产生不稳定的现象.针对传统的完全匹配层技术固有的不稳定和掠射情况下吸收效果不佳等缺陷,发展了多轴完全匹配层、卷积完全匹配层以及将两者结合的多轴卷积完全匹配层等3种边界条件.本文介绍了水平自由表面的不同处理方法以及传统、多轴、卷积和多轴卷积等4种完全匹配层条件的原理,通过二维半无限空间模型的交错网格有限差分正演模拟对比,分析了几种自由边界实施方法在这几种完全匹配层条件下的稳定性,并通过提取单道波形与解析解进行对比,定性分析了水平自由表面几种不同处理方法的准确性以及各自的适用条件. 结果表明,泊松比和水平自由表面实施方法对波场模拟效果及其稳定性有重要影响.      

可变网格与局部时间步长的交错网格高阶差分弹性波模拟

交错网格高阶差分方法是一种在保持效率的前提下提高弹性波模拟精度的有效方法.本文将可变空间网格与变化的时间步长技术引入到交错网格高阶差分弹性波模拟中,提出一种空间网格可任意奇数倍变化与时间步长任意变化的交错网格高阶差分弹性波模拟方法.一系列数值试验表明,该方法能够在保证模拟精度的同时,通过有效降低空间与时间维度上的过采样来显著提高弹性波模拟的效率.同时,该方法还能够精细刻画含孔缝洞介质以及横向变化剧烈介质的局部细微结构,减小弹性波模拟误差,提高介质细微结构处的弹性波传播模拟精度.     

Application of the nearly perfectly matched layer for seismic wave propagation in 2D homogeneous isotropic media

Numerical modelling plays an important role in helping us understand the characteristics of seismic wave propagation. The presence of spurious reflections from the boundaries of the truncated computational domain is a prominent problem in finite difference computations. The nearly perfectly matched layer has been proven to be a very effective boundary condition to absorb outgoing waves in both electromagnetic and acoustic media. In this paper, the nearly perfectly matched layer technique is applied to elastic isotropic media to further test the method's absorbing ability. The staggered‐grid finite‐difference method (fourth‐order accuracy in space and second‐order accuracy in time) is used in the numerical simulation of seismic wave propagation in 2D Cartesian coordinates. In the numerical tests, numerical comparisons between the nearly perfectly matched layer and the convolutional perfectly matched layer, which is considered the best absorbing layer boundary condition, is also provided. Three numerical experiments demonstrate that the nearly perfectly matched layer has a similar performance to the convolutional perfectly matched layer and can be a valuable alternative to other absorbing layer boundary conditions.     

稀疏存储的显式有限元三角网格地震波数值模拟及其PML吸收边界条件

有限元法是复杂介质地震模拟的有力工具,它能比较客观地反映地震波的传播,比较细致地再现地震图像.但是,为了获得较精确的结果,有限元法模拟地震波的传播需要的网格点数多,具有计算量大和消耗内存多的缺点.针对上述缺点,本文对刚度矩阵采用压缩存储行(CSR)格式,以减少计算量并节省内存;采用集中质量矩阵得到对角的质量矩阵以提高有限元法(显式有限元)的计算效率;时间离散采用保能量的Newmark算法以提高有限元法的计算精度;采用变分形式(弱形式)的PML吸收边界条件对人工截断边界进行处理.通过与高精度的数值方法--谱元法的数值试验的对比表明,上述方法的引入可使有限元法在计算精度和计算效率方面均可取得比较显著的改进.为了获得相当的计算精度,相比于7阶谱元法,显式有限元法需要更精细的网格.然而,显式有限元法的计算速度比前者快近2倍,而内存需求仅为谱元法的1/4~1/6.     

基于无分裂复频移卷积完全匹配层边界的黏弹介质勒夫波模拟

本文建立了无分裂复频移卷积完全匹配层(CFS-CPML)吸收边界条件,利用交错网格下的高精度有限差分格式对黏弹性介质中的勒夫波场进行了数值模拟;分析了松弛机制个数对品质因子拟合精度的影响,验证了CFS-CPML边界条件对大角度掠射波的吸收效果．数值结果表明:本文方法所使用的5个松弛机制和空间4阶差分精度,即可在保证计算效率的前提下满足目前理论研究的需要;随着品质因子的减小,频散特征曲线的相速度逐渐向增高的方向偏离理论频散特征曲线的相速度,且各模式的高频能量也随之减弱．本文结果可为发展高精度的面波反演方法提供必要的理论依据．