三维复杂速度模型中地震事件震源轨迹的计算

地球内部三维速度图像的广泛建立为进行高精度的地震定位提供了良好条件.使用震源轨迹确定震源位置不仅稳健而且直观,但三维复杂速度模型中的震源轨迹难以给出解析解.为此,本文提出了一种较准确地计算三维复杂速度模型中震源轨迹的数值方法.根据震源轨迹在残差场中的特点：（1）震源轨迹位于残差正负极性彼此不同的邻点之间;（2）绝对梯度在震源轨迹的法线方向最大;（3）在法线方向上越靠近震源轨迹残差绝对值越小,对于每个模型节点分别和残差正负极性与其不同的邻点组成的点对,将其中绝对梯度最大的点对作为震源轨迹法线点对,选取法线点对中残差绝对值较小的点（即震源轨迹所在模型单元的节点）作为震源轨迹代表点;在绝对残差场中数值较小的连通区域（可能有多个）内,利用最小走时树算法依次计算出每个连通区域中地震波从绝对残差最小点至同一连通区域内震源轨迹代表点的射线路径作为震源轨迹.算例表明：本文方法适用于三维复杂速度模型,对震源轨迹的稳定性及构成段数没有限制,计算的震源轨迹精细且较完整、可用于高精度的地震定位.

     

基于MSFM的复杂近地表模型走时计算

地震走时层析成像方法是解决复杂近地表模型速度建模问题的重要技术.该方法是一种迭代反演方法,在反演过程中需要反复计算地震射线走时.故而,高效高精度且能适应复杂模型的走时计算方法是地震走时层析成像实用化的关键技术之一.本文引入医学成像领域研究的MSFM(Multi-stencils Fast Marching Methods)用于地震层析反演中的走时计算.该方法在标准FMM(Fast Marching Methods)基础上利用坐标旋转生成新的FMM计算模板,使计算网格点对角方向邻点参与计算,改善了标准FMM存在对角方向误差大的缺陷.本文分析对比了MSFM和标准FMM的计算精度和计算效率;针对地震层析成像技术解决的起伏地表模型建模问题,研究了起伏地表模型地震走时计算的MSFM实现方法;采用炮点邻近区域局部细分网格技术只需增加很少的计算量即可大幅提高计算精度.理论分析和模型试算表明MSFM算法明显改善了FMM的计算精度,同时保持了FMM算法的高效性.文章通过对崎岖地表模型的正演和层析反演试算,验证了基于MSFM的地震走时计算方法对复杂模型有很强的适应能力.研究表明该方法作为地震走时层析反演中高效高精度的正演算法,有很好的应用价值.     

三维复杂层状介质中多震相走时联合反演成像

采用新近提出的改进型不规则最短路径多次波射线追踪正演技术,结合共轭梯度法求解带约束的阻尼最小二乘最优化反演问题,讨论了三维复杂层状模型中利用多震相走时资料进行联合反演成像的技术方法.考虑到不同震相种类走时的拾取误差不同,反演算法中引入了不同震相种类数据的权系数;另外,考虑到同时反演速度模型和反射界面起伏中不同参数变化对走时影响程度的不同, Jacobi偏导矩阵元素中引入了不同种类参数的归一化因子.几种数值模拟实例表明: 多震相走时的联合或同时反演成像是一种提高走时成像空间分辨率,进而降低重建速度模型失真度行之有效的方法技术.     

二维复杂层状介质中地震多波走时联合反演成像

采用新近提出的多次波射线追踪正演算法,结合共轭梯度法求解带约束的阻尼最小二乘最优化反演问题,分析讨论了利用多震相走时资料进行联合反演成像的方法及技术.考虑到不同震相走时的拾取误差不同,反演算法中引入了不同震相种类数据的权系数; 由于同时反演速度模型和反射界面起伏中不同模型参数变化对走时影响程度的不同, Jacobi偏导矩阵元素中引入了不同参数的归一化因子; 另外,为了克服射线密度过大(或过小)区域速度模型的过度(或欠)更新问题,反演算法中引入了等权射线密度的概念.几种数值模拟实例表明(含噪声敏感性试验): 多波走时的联合或同时反演成像技术是一种提高走时成像空间分辨率,进而降低重建模型失真度行之有效的方法.     

复杂速度模型的地震交切定位方法

交切法是最基本的地震定位方法之一,该定位方法具有稳定性强、速度快的优点。由于速度模型假设为均匀或水平均匀介质,与实际介质有较大偏差,因此定位精度较低,特别是震源深度。为克服传统交切法的缺点,我们对其进行了改进。在改进的方法中,震源轨迹不再假设为圆形或双曲线形,而是利用最小走时树射线追踪方法进行精确计算。数值模型计算表明,本文提出的改进方法,可用于复杂速度模型的地震定位。     

横向各向同性介质中地震波走时模拟

横向各向同性介质是地球内部广泛分布的一种各向异性介质.针对这种介质,我们对各向同性介质的最小走时树走时模拟方法进行了推广,推广后的方法可适用于非均匀、对称轴任意倾斜的横向各向同性介质模型.为保证计算效率,最小走时树的构建采用了一种子波传播区域随地震波传播动态变化的改进算法.对于弱各向异性介质,我们使用了一种新的地震波群速度近似表示方法,该方法基于用射线角近似表示相角的思想,对3种地震波（qP, qSV和qSH）均有较好的精度.应用本文地震波走时模拟方法对均匀介质、横向非均匀介质模型进行了计算,并将后者结果与弹性波方程有限元方法的模拟结果进行了对比,结果表明两者符合得很好.本文方法可用于横向各向同性介质的深度偏移及地震层析成像的深入研究.     

复杂介质地震定位中震源轨迹的计算

在地震定位中常常需要求解震源轨迹,但由于复杂介质中的震源轨迹较为复杂,难以给出其解析解,因此震源轨迹的计算通常仅限于简单介质模型.本文基于最小走时树射线追踪技术,提出了一种计算复杂介质中震源轨迹的方法.为回避发震时间问题,以观测到时差作为震源轨迹的约束条件.首先从模型节点中选出少量理论到时差与观测到时差之绝对差,即双重时差较小的点作为震源轨迹的代表点,然后以其中双重时差最小的点为初始点,在双重时差场中利用最小走时树射线追踪方法计算出初始点到其他震源轨迹代表点的射线路径作为震源轨迹.当选的震源轨迹代表点较多时,得到的震源轨迹较为粗略,此时可去掉射线经过次数较少的代表点的射线路径使震源轨迹更为精细.为减少计算量,对最小走时树射线追踪方法的终止条件做了修正.以一个复杂介质模型中的地震为例,计算了包括速度扰动、到时扰动等不同情况下的震源轨迹,结果表明所提出的震源轨迹计算方法切实可行.     

界面二次源波前扩展法全局最小走时射线追踪技术

以Moser方法为代表的最短路径射线追踪算法可以快速稳定地获得整个追踪区域的全局最小走时和路径,但它存在两个缺陷：一是射线大多由折线呈锯齿状相连,长度和位置偏离真实射线路径;二是在低变速区容易出现射线路径多值现象．本文提出的界面二次源波前扩展法全局最小走时射线追踪技术（以下简称界面源法）旨在解决上述两个问题．不同于Moser方法,界面源法只在物性分界面上设置子波源点,子波出射射线可以到达任何不穿越物性界面而直接到达的空间点和界面离散点,在均匀块体内或层内地震波以精确的射线路径传播．显然,界面源法的子波出射方向数远远大于传统方法,算法的追踪误差主要由界面离散引起的,因此,界面源法很好地解决了Moser法存在的问题,大大提高了追踪的精度．同时,由于界面源法的子波源点数远远小于Moser法,因而效率也很高．模型实算证实了该算法的高效性．     

Kirchhoff Helmholtz积分方法计算远震转换波

Kirchhoff-Helmholtz积分方法推广到远震转换波的合成地震图的计算,其优点是,能够计算复杂界面的地震波。通过与反射率法及动力学射线追踪的对比,表明KH积分方法能很好地模拟远震转换波震相,且精度较高。KH积分方法能够计算任意复杂界面的地震波,是一种研究地壳上地幔结构的有效方法。     

一种改进的线性走时插值射线追踪算法

线性走时插值法（LTI）在走时的计算中,由于射线方向考虑不全,计算得到的节点走时不一定最小,导致追踪的射线路径无法满足最小走时.针对这一问题,本文提出了一种改进的射线追踪算法,通过采用多方向的循环计算,得到所有计算节点的最小走时,使追踪到的射线路径能真正满足最小走时,以确保射线追踪的精度.模拟实验结果表明,在介质速度变化剧烈的结构中,该算法与传统的LTI算法相比,有效地提高了射线追踪的精度.     

复杂构造区域的初至波走时计算

有限差分法初至波走时计算是一种十分快速、有效及实用的方法,而且不会碰到传统射线法的阴影区、焦散面等问题．文中指出了ＶａｎＴｒｉｅｒ方法存在的问题,并提出了解决的办法．计算结果表明,方法是有效可行的．对速度变化很大的介质模型,仍能得到较精确的解．     

复杂构造区域的初至波走时计算

有限差分法初至波走时计算是一种十分快速、有效及实用的方法，而且不会碰到传统射线法的阴影区、焦散面等问题．文中指出了ＶａｎＴｒｉｅｒ方法存在的问题，并提出了解决的办法．计算结果表明，方法是有效可行的．对速度变化很大的介质模型，仍能得到较精确的解．     

三维复杂介质的块状建模和试射射线追踪

为了解决三维复杂介质的射线追踪,本文改变了传统的三维层状地层的建模描述方式,提出了块状结构的建模描述方法,结合三角形面片来描述地质界面,可以构造非常复杂的三维地质模型．为了满足射线追踪的需要,本文对模型界面内的法向量进行光滑处理,光滑后的法向量在界面内是连续变化的．在块状模型的基础上,本文运用三角形的面积坐标,提出了几种试射角度的修正方法：细分三角形法、分割三角形法和子三角形法,计算表明子三角形法最好．文中给出了三维块状模型和射线追踪实例．     

基于射线追踪技术计算地震定位中震源轨迹的改进方法

使用震源轨迹确定震源位置不仅稳健而且直观,但当介质复杂时震源轨迹难以给出解析解.基于最小走时树射线追踪技术计算震源轨迹的方法(以轨迹所在的残差场中残差最小的点(初始点)至残差较小的点(震源轨迹代表点)的射线路径表示震源轨迹)适用于复杂速度模型,但尚不能正确计算由多段组成的震源轨迹,同时兼顾计算轨迹的完整性和精细性较为困难,计算参数设置烦琐不适于大批量数据的自动处理.针对该方法存在的问题,本文对其进行了改进:(1)采用一种"削皮"算法选取震源轨迹所经过的模型单元的节点作为轨迹代表点;(2)将残差较小的区域作为震源轨迹计算区域(该区域依轨迹分布自适应地划分为若干个连通区域),从未计算的轨迹代表点中选取残差最小者作为射线路径初始点,利用最小走时树算法依次计算所有连通区域内的震源轨迹;(3)通过去掉较短的不再分叉的射线路径使震源轨迹更为精细.虚拟和真实事件的算例表明,改进方法有效克服了原方法的不足,可便捷地计算复杂速度模型中事件的震源轨迹,计算的轨迹精细且较完整.     

地震波走时和射线的有限差分计算

以往都是采用射线追踪的方法计算地震波的走时和射线，但是当速度模型复杂时这种方法存在一些问题。本文提出另一种计算地震波走时和射线的方法。该方法从程函方程出发，利用互换原理和Ｆｅｒｍａｔ原理计算出各种波的到时和射线。解决了射线追踪方法存在的问题。为地震波走时和射线的计算以及地震波走时反演开辟了一条新途径。     

二维弹性波的有限元模拟及其初步实践

本文讨论了二维介质中弹性波有限元模拟的一种方法;导出了二维无界空间中集中力点源的理论初动表达式和位移波形表达式,并和相似情况下的有限元结果进行了比较;对用有限元方法算得的几个中小模型的节点位移进行了分析。从所能鉴别的震相的到时、初动符号分布、波形、瑞利波质点运动轨迹等证据看,在得到比较真实的全波理论地震图方面,有限元方法具有很大的潜力。     

各向异性介质弹性波传播的三维不规则网格有限差分方法

提出一种新的三维空间不规则网格有限差分方法,模拟具有地形构造的非均匀各向异性介质中弹性波传播过程. 该方法通过具有二阶时间精度和四阶空间精度的不规则交错网格差分算子来近似一阶弹性波动方程,与多重网格不同,无需在精细网格和粗糙网格间进行插值,所有网格点上的计算在同一次空间迭代中完成. 针对具有复杂物性参数和复杂几何特征的地层结构,使用精细不规则网格处理粗糙界面、断层和空间界面等复杂几何构造, 理论分析和数值算例表明,该方法不但节省了大量计算机内存和计算时间,而且具有令人满意的稳定性和精度.     

层状各向同性多孔介质中井间地震的数值计算

依据Ｂｉｏｔ理论，提出计算理论地震图的相应传播矩阵算法，并针对井间地震震源和检波器的不同配置进行数值计算，结果表明，本文算法高频可达１０００Ｈ２以上．文中算例说明利用震源和检波器相对于储油层的不同位置，可从反射震相记录波形上的差异，判定储油层存在与否．     

模拟固体中波动过程的细胞自动机建模研究

In this paper, based on the principle of the statistical physics, cellular automatamodelling for wave propagation problem is studied and a cellular automata model forP wave in compex media is proposed. In order to examine the correctness of themodel, a comparision between the results of the cellular automata approach andfinite-difference method for same synthetic model is made. The comparision showsthe cellular automata model given here is feasible.