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.     

一种全局优化的隐式交错网格有限差分算法及其在弹性波数值模拟中的应用

在数值模拟中,隐式有限差分具有较高的精度和稳定性.然而,传统隐式有限差分算法大多由于需要求解大型矩阵方程而存在计算效率偏低的局限性.本文针对一阶速度-应力弹性波方程,构建了一种优化隐式交错网格有限差分格式,然后将改进格式由时间-空间域转换为时间-波数域,利用二范数原理建立目标函数,再利用模拟退火法求取优化系数.通过对均匀模型以及复杂介质模型进行一阶速度-应力弹性波方程数值模拟所得单炮记录、波场快照分析表明:这种优化隐式交错网格差分算法与传统的几种显式和隐式交错网格有限差分算法相比不但降低了计算量,而且能有效的压制网格频散,使弹性波数值模拟的精度得到有效的提高.     

一阶弹性波方程交错网格高阶差分解法

提高计算精度和运算效率是所有波场正演方法所追求的目标,本文通过将速度 （应力）对时间的奇数阶高阶寻数转化为应力（速度）对空间的导数,运用时间和空间差分精度 均可达任意阶的高阶差分法,通过交错网格技术,对一阶速度－应力弹性波方程进行了数值求 解．波场快照以及实际模型的正演结果表明,这种求解一阶弹性波方程的高阶差分解法,和 常规的差分法相比网格频散显著减小,精度明显提高,而且可以取较大的空间步长,提高计算 效率。     

改进的一阶弹性波方程交错网格高阶差分解法

本文对董良国、马在田等人发表在<地球物理学报>上的一阶弹性波方程交错网格高阶差分解法一文进行了差分格式的改进.发现原文对一阶空间导数采用2N阶差分精度,而对高阶导数却采用简单的中心差分,即对同一方程中的各阶导数的处理存在有的采用高阶格式、有的采用低阶格式的不一致性问题,本文的改进点正是消除了这种不一致性,建立了时间和空间均为四阶精度的差分格式.该方法具有编程简便、易于计算机实现和精度较高的特点.     

基于CUDA的高阶旋转交错网格有限差分法的弹性波正演模拟

应用高阶旋转交错网格的有限差分法,求解了基于一阶的速度-应力弹性波方程,推导了时间二阶精度空间2M阶精度的高阶有限差分离散格式.为了提高弹性波正演模拟效率,论文探讨了常规的CPU串行计算、基于GPU平台的节点并行计算、基于GPU平台的分量、节点同时并行的3种正演模拟计算模式,给出了不同算法的流程示意图.通过对比3种算法的耗时及后两种算法的加速比,可清晰判定,基于GPU平台的节点并行算法较CPU平台的串行算法有明显加速,最大加速比可达到60倍,而基于分量、节点同时并行算法的最大加速比最大可到180左右,加速效果更为明显.最后应用Marmousi模型的15000次时间步迭代的正演计算,基于分量、节点GPU并行算法大约是节点并行计算耗时的1/3,说明了该并行设计能有效提高弹性波正演模拟的效率,节约计算耗时.     

一阶弹性波方程交错网格高阶差分解法

提高计算精度和运算效率是所有波场正演方法所追求的目标,本文通过将速度 （应力）对时间的奇数阶高阶寻数转化为应力（速度）对空间的导数,运用时间和空间差分精度 均可达任意阶的高阶差分法,通过交错网格技术,对一阶速度－应力弹性波方程进行了数值求 解．波场快照以及实际模型的正演结果表明,这种求解一阶弹性波方程的高阶差分解法,和 常规的差分法相比网格频散显著减小,精度明显提高,而且可以取较大的空间步长,提高计算 效率。     

弹性波场数值模拟的隐式差分多重网格算法

为了得到稳定的弹 性波数值模拟,而不得不选择隐式差分方程;为了提高解的精度,又不得不增加节点数目, 但同时也降低了隐式迭代求解的收敛速度. 为此,本文使用隐式差分的多重网格算法进行弹 性波数值模拟,多重网格算法通过粗网格收敛较快的迭代过程求出近似解,以近似解为初值 使用细网格进行精确的迭代求解,从而加速了隐式迭代求解的过程,能够以较高计算速度、 精度、稳定性完成弹性波传播过程的数值模拟.     

高阶交错网格有限差分法纵横波波场分离数值模拟

本文给出了一种等价的弹性波动方程,以解决完全弹性波场中不能完全分离耦合的纵横波波场问题.对该弹性波动方程进行公式换算,推导出新型等价一阶双曲型方程,应用高阶交错网格有限差分法求解该方程,并给出了相应的最佳匹配层(PML)吸收边界条件,对均匀介质模型、复杂Marmousi模型和实际地质模型进行波场分离数值试验,准确得到了混合波场、完全分离的纯纵横波波场.数值结果表明,本文方法具有比传统方法更好的数值模拟精度和边界吸收效果,同时分析分离后的纵横波纯波场,可观察到较为丰富的能量转换信息,并发现纯纵波场中的非均匀平面波现象,该波为S波以临界角入射情况下的反射SP波,这对认识复杂弹性波的传播规律及弹性波理论具有重要意义.     

一阶弹性波方程交错网格高阶差分解法稳定性研究

稳定性问题是数值求解波动方程的基本问题 .文中对三维横向各向同性介质中一阶弹性波方程交错网格高阶差分解法的稳定性进行了分析 ,给出了不同精度差分方程统一的稳定性条件 ,证明了三维TI介质中一阶弹性波方程交错网格高阶差分解法的稳定性由弹性波在X、Y、Z三个方向上的Courant数共同决定 .最后通过几种精度差分方程的稳定性条件 ,说明了这种一阶弹性波方程高阶差分解法具有高精度、高效率的特点 .     

三维弹性波数值模拟中的吸收边界条件

在地震波传播数值模拟的过程中,需要使用吸收边界条件从而达到衰减人为边界 反射的目的. 本文基于傍轴近似法提出了计算三维弹性波方程的吸收边界条件公式,表示了 各边界面、边棱和角点处波场所满足的单程波方程,并在三维弹性波数值模拟中进行了应用 . 理论模型及三维盐丘地质模型波场切片快照试算结果表明,该吸收边界条件可以有效地吸 收人为边界反射,适用于较大入射角情况,从而消除了边界有效波信息的干扰. 由于采用四 阶近似方程,在保证计算精度的前提下,该方法具有节省计算工作量和易于实现的特点.     

The Numerical Modeling of 3-D Elastic Wave Equation Using a High-Order,Staggered-Grid, Finite Difference Scheme

This article provides the application of the high-order, staggered-grid, finite-difference scheme to model elastic wave propagation in 3-D isotropic media. Here, we use second-order, temporal-and high-order spatial finite-difference formulations with a staggered grid for discretization of the 3-D elastic wave equations of motion. The set of absorbing boundary conditions based on paraxial approximations of 3-D elastic wave equations are applied to the numerical boundaries. The trial resuits for the salt model show that the numerical dispersion is decreased to a minimum extent, the accuracy high and diffracted waves abundant. It also shows that this method can be used for modeling wave propagation in complex media with the lateral variation of velocity.     

各向异性弹性波场的有限元数值模拟

研究了各向异性弹性波有限元正演系统的精度和效率问题，提出了一种透射加衰减的组合人工边界方案（吸收边办条件），它对各向异性波具有较好的吸收效果，并且有较好的稳定性能，均匀TI介质中的模拟获得了非常清晰的波场快照，其波场特征与理论分析能够准确吻合，各向异性介质模型的地表地震记录表明，各向异性波炮集记录在波的类型、同相轴形态、能量分布和相位等方面与各向同性波都有很大差别。     

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.     

高精度有限差分地震波正演方法

三维地震模拟不仅可以更精确地研究地震波的传播规律,而且是三维地震资料处理和解释的工具。本文采用精细积分法用于求解波动方程.对波动方程在空间采用差分格式,时间域采用积分法求解析的方法。文中详细论述了精细积分法的数值方法,并给出了计算公式。理论分析和数值算例的结果表明了用这种混合方法得到的解与精确解十分吻合,比有限差分法具有更高的精度。文中给出的地震波正演模拟算例说明了该方法适用于复杂地表和复杂构造地质体。     

基于紧凑存储的任意四边形网格有限元法地震波场数值模拟

采用有限元法精确模拟复杂介质条件下的地震波场,一般采用三角单元,但在节点数相同的情况下,三角单元的计算精度不如矩形单元高,采用三角单元模拟复杂界面时,编制确定结构刚度矩阵非零元素位置的程序也较为麻烦。采用矩形单元离散含有倾斜或起伏界面的地质模型时,无法避免绕射噪声,若加密网格又会增加计算量。为此,本文基于任意四边形单元模拟声波的传播,在倾斜或起伏界面条件下,可以有效避免因离散引起的“阶梯状”界面,在不增加计算量以及内存占用的前提下,有效地消除离散绕射噪声。采用对角的集中质量矩阵代替一致质量矩阵,避免矩阵的求逆运算,从而提高显式有限元法的计算效率;对结构刚度矩阵采用紧凑存储格式,每一行需要存储的元素最多为5个,同时零元素不参与运算,既减少内存的占用,又极大地提高计算效率。     

适于声波方程数值模拟的时间-空间域有限差分算子改进线性算法

有限差分法广泛应用于地震波场的数值延拓,确定合适的有限差分算子以减小数值频散是有限差分法的一个重要研究内容。近年来为了进一步抑制数值频散和增加时间步长,新的有限差分模板得到了应用,对于此,前人使用泰勒展开方法和最小二乘方法确定有限差分算子系数。本文在以前工作的基础上,使用改进的线性方法确定新模板的有限差分系数,并与传统模板线性方法进行对比;通过频散分析和正演模拟验证出新模板线性方法能够更好地保持频散关系,在相同的精度下效率提高了一倍,从而说明了改进的线性方法的有效性。     

Rayleigh波场的数值模拟及其应用

本文总结了Rayleigh波场数值模拟的4种思路和各自特点,根据Lamb问题的理论分析成果提出了基于地表激振的Rayleigh波场数值模拟技术,论述了地表集中震源作用下引起地表波动场的特点及主要影响因素。在此基础上,利用Plaxis 2D有限元软件实现了Rayleigh波场的数值模拟,并结合算例验证了所提方法的可行性和结果的合理性。最后,针对多层建筑结构,研究了不同地震动输入模式下结构动力反应的特点。结果表明,Rayleigh波作用下结构的动力反应特性明显区别于在底部输入剪切波时的结果,不同地震动输入模式对结构的振动形态和破坏模式有着明显的影响。     

Numerical modeling of 3-D terrain effect on MT field

Using the boundary element method, the numerical modeling problem of three-dimensional terrain effect on magnetotelluric (MT) field is solved. This modeling technique can be run on PC in the case of adopting special net division. The result of modeling test for 2-D terrain by this modeling technique is basically coincident with that by 2-D modeling technique, but there is a great difference between the results of 3-D and 2-D modeling for 3-D terrain. Project supported by the National Natural Science Foundation of China.