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物探与化探  2018, Vol. 42 Issue (4): 766-776    DOI: 10.11720/wtyht.2018.1320
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基于卷积完全匹配层的旋转交错网格高阶差分法模拟弹性波传播
冯德山1,2, 王向宇1,2
1. 中南大学 地球科学与信息物理学院,湖南 长沙 410083
2. 有色资源与地质灾害探查 湖南省重点实验室,湖南 长沙 410083
Elastic wave propagation simulation in anisotropic media and random media using high-order difference method of rotation staggered grids based on convolutional perfectly matched layer
De-Shan FENG1,2, Xiang-Yu WANG1,2
1. School of Geosciences and Info-Physics,Central South University,Changsha 410083,China
2. Key Laboratory of Non-ferrous Resources and Geological Detection of Hunan Province,Changsha 410083,China
全文: PDF(7848 KB)   HTML
输出: BibTeX | EndNote (RIS)      
摘要 

从一阶速度—应力弹性波方程出发,基于旋转交错网格,推导了时间二阶精度空间2M阶精度的有限差分离散格式。阐述了递归卷积复频移完全匹配层(CPML)边界条件的原理,建立了一阶速度—应力弹性波高阶差分CPML边界条件的递推公式。开展了CPML边界中关键参数mκα的选取实验,通过分析反射误差分布图,选取了CPML边界条件中最优参数。全局反射误差与波场快照都说明,CPML较PML对隐失波具有更优的吸收性能。基于Matlab平台,编写了基于CPML边界的旋转交错网格弹性波正演模拟程序,应用该程序对各向异性介质及随机介质进行了模拟,得到了弹性波正演剖面记录及波场快照,通过对正演剖面记录及波场快照的分析,可以更清楚地了解弹性波在各向异性介质及随机介质的传播特性,指导非均匀介质中地震勘探资料解释。

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冯德山
王向宇
关键词 旋转交错网格高阶差分法卷积完全匹配层各向异性介质随机介质正演    
Abstract

On the basis of the first-order velocity-stress elastic wave equation,a finite-difference discretization scheme with 2M-order accuracy of second-order space accuracy is deduced based on rotational staggered grid.The principle of recursive convolutional complex frequency shift perfectly matched layer (CPML) boundary condition is expounded,and the recurrence formula of first order velocity-stress elastic wave high order difference CPML boundary condition is established.The selection of the key parameter m,and sum of CPML boundary is carried out.By analyzing the distribution of reflection error,the optimal parameters of CPML boundary condition are selected.Both global reflection errors and wavefield snapshots indicate that CPML has better absorption properties than evanescent waves.On the basis of the Matlab platform,a program of elastic staggered forward simulation of rotating staggered grid based on CPML boundary is developed.The program is used to simulate the anisotropic medium and random medium.The seismic wave forward record and wavefield snapshot are obtained.The forward propagation profile and the wavefield snapshots can be used to better understand the propagation characteristics of seismic waves in anisotropic media and random media and to guide the interpretation of seismic exploration data in heterogeneous media.

Key wordsrotation staggered grids    high-order difference method    convolutional perfectly matched layer    anisotropic media    random media    forward
收稿日期: 2017-07-17      出版日期: 2018-08-03
:  P631.4  
基金资助:国家自然科学基金资助项目(41574116);中南大学创新驱动项目(2015CX008);中南大学教师研究基金资助项目(2014JSJJ001);中南大学升华育英人才计划(2012);湖湘青年创新创业平台培养对象共同资助项目(2013)
作者简介: 冯德山(1978-),博士,教授、博导,主要从事地球物理正反演与数据处理研究工作。Email:fengdeshan@126.com
引用本文:   
冯德山, 王向宇. 基于卷积完全匹配层的旋转交错网格高阶差分法模拟弹性波传播[J]. 物探与化探, 2018, 42(4): 766-776.
De-Shan FENG, Xiang-Yu WANG. Elastic wave propagation simulation in anisotropic media and random media using high-order difference method of rotation staggered grids based on convolutional perfectly matched layer. Geophysical and Geochemical Exploration, 2018, 42(4): 766-776.
链接本文:  
https://www.wutanyuhuatan.com/CN/10.11720/wtyht.2018.1320      或      https://www.wutanyuhuatan.com/CN/Y2018/V42/I4/766
  普通交错网格与旋转交错网格单元示意
a—标准交错网格;b—旋转交错网格
  观测系统和模型设置
  接收排列与参数m关系的反射误差分布
  接收排列与参数κmax关系的反射误差分布
  接收排列与参数αmax关系的反射误差分布
  CPML与PML反射误差对比
  加载CPML与PML两种边界条件的波场快照对比
a—PML吸收边界200 ms波场快照;b—PML吸收边界300 ms波场快照;c—PML吸收边界400 ms波场快照;d—CPML吸收边界200 ms波场快照;e—CPML吸收边界300 ms波场快照;f—CPML吸收边界400 ms波场快照
介质层 C11 C13 C33 C44 ε δ ρ/(kg/m3)
18.1 7.11 9.68 1.7 0.43 0.09 2250
25.5 5.0 18.4 5.6 0.19 -0.11 2440
  各向异性断层介质模型中的弹性参数(Cij/GPa)
  各向异性VTI介质层状模型
  各向异性VTI介质层状CPML边界条件下的剖面
a—x分量剖面;b—z分量剖面;1—反射qP波;2—反射转换qSV波;5—反射qSV波;6—反射转换qP波
  各向异性VTI介质层状PML边界条件下的剖面
a—x分量剖面;b—z分量剖面;1—反射qP波;2—反射转换qSV波;5—反射qSV波;6—反射转换qP波
  各向异性介质断层模型的正演波场快照
a—各向异性VTI层状介质x分量300 ms波场快照;b—各向异性VTI层状介质z分量300 ms波场快照;c—各向异性VTI层状介质x分量500 ms波场快照;d—各向异性VTI层状介质z分量500 ms波场快照;1—反射qP波;2—反射转换qSV波;3—透射转换qSV波;4—透射qP波;5—反射qSV波;6—反射转换qP波;7—透射qSV波;8—透射转换qP波
  均匀层状介质模型
  随机介质模型(a=b=1)
  随机介质模型(a=b=10)
  主频为20 Hz的z分量第200道共炮点剖面记录
a—均匀层状介质剖面记录;b—随机层状介质(a=b=1)剖面记录;c—随机层状介质(a=b=10)剖面记录;1—反射P波;2—反射转换SV波;3—反射转换P波;4—反射SV波
  主频为40 Hz的z分量第200道共炮点剖面记录
a—均匀层状介质剖面记录;b—随机层状介质(a=b=1)剖面记录;c—随机层状介质(a=b=10)剖面记录;1—反射P波;2—反射转换SV波;3—反射转换P波;4—反射SV波
  随机介质模型正演波场快照(20 Hz)
a—均匀层状介质500 ms波场快照;b—随机层状介质(a=b=1)500 ms波场快照;c—随机层状介质(a=b=10)500 ms波场快照;1—投射转换P波;2—透射SV波;3—反射SV波;4—反射转换P波;5—反射转换SV波;6—直达SV波
  随机介质模型正演波场快照(40 Hz)
a—均匀层状介质500 ms波场快照;b—随机层状介质(a=b=1)500 ms波场快照;c—随机层状介质(a=b=10)500 ms波场快照;1—投射转换P波;2—透射SV波;3—反射SV波;4—反射转换P波;5—反射转换SV波;6—直达SV波
  标准交错网格与旋转交错网格正演波场快照对比
a—标准交错网格88 ms波场快照;b—旋转交错网格88 ms波场快照
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