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一種時(shí)間域聲波方程顯式有限差分地震響應(yīng)模擬方法與流程

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一種時(shí)間域聲波方程顯式有限差分地震響應(yīng)模擬方法與流程

本發(fā)明涉及一種波動(dòng)方程地震響應(yīng)模擬方法,尤其涉及一種時(shí)間域聲波方程顯式有限差分地震響應(yīng)模擬方法。



背景技術(shù):

波動(dòng)方程正演模擬是勘探地球物理領(lǐng)域重要的研究方向,對(duì)波動(dòng)現(xiàn)象的模擬、逆時(shí)偏移和全波形反演的研究和實(shí)施具有重要的意義。目前,波動(dòng)方程正演模擬方法主要有有限差分方法、有限元方法、邊界元法和偽譜法等。在諸多正演方法中,有限差分方法相比于其他方法,具有更小的計(jì)算復(fù)雜度和內(nèi)存需求,能夠滿足逆時(shí)偏移和全波形反演對(duì)計(jì)算速度和內(nèi)存占用的要求。因此,有限差分方法是當(dāng)前逆時(shí)偏移和全波形反演中應(yīng)用最廣泛的方法。

有限差分方法通過(guò)差分近似代替偏導(dǎo)數(shù),從而存在精度誤差。時(shí)間上的精度誤差稱為時(shí)間頻散,通常表現(xiàn)為相位超前;空間上的精度誤差稱為空間頻散,通常表現(xiàn)為相位滯后。時(shí)間二階精度和空間任意偶數(shù)階精度差分形式廣泛使用于波動(dòng)方程模擬,要求時(shí)間步長(zhǎng)和網(wǎng)格空間間隔足夠小,從而避免時(shí)間頻散和空間頻散。

目前有限差分系數(shù)的求取主要有以下幾類:一是基于泰勒展開(kāi)的有限差分系數(shù)求取,該方法獨(dú)立求取時(shí)間和空間方向的差分系數(shù),精度較低。二是基于時(shí)-空域頻散關(guān)系的有限差分系數(shù)求取,采用常規(guī)的差分網(wǎng)格策略,該方法可以實(shí)現(xiàn)部分方向的時(shí)間高階精度,相比較泰勒展開(kāi)方法,該方法沒(méi)有增加額外的計(jì)算量。三是基于最優(yōu)化方法的有限差分系數(shù)求取,該方法對(duì)高頻成分仍能實(shí)現(xiàn)較高的精度,但是計(jì)算量較大,某些情況下容易陷入局部最優(yōu),無(wú)法取得全局最優(yōu)值。

波動(dòng)方程正演是逆時(shí)偏移和全波形反演的主要環(huán)節(jié),實(shí)現(xiàn)波動(dòng)方程的高效率、高精度的數(shù)值模擬,對(duì)逆時(shí)偏移和全波形反演具有重要的意義。由于逆時(shí)偏移和全波形反演需要大量的正演計(jì)算,當(dāng)前有限差分方法計(jì)算量和內(nèi)存需求仍然巨大,計(jì)算速度和計(jì)算效率低,限制了逆時(shí)偏移和全波形反演的廣泛應(yīng)用,因此高精度和高效率的有限差分正演是逆時(shí)偏移和全波形反演廣泛實(shí)施的關(guān)鍵。



技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:

針對(duì)上述問(wèn)題,本發(fā)明的目的是提供一種時(shí)間域聲波方程顯式有限差分地震響應(yīng)模擬方法,基于k空間算子補(bǔ)償?shù)目臻g-波數(shù)域函數(shù)擬合方法求取差分系數(shù),同時(shí)針對(duì)最大擬合誤差,相對(duì)應(yīng)地提出了自適應(yīng)空間差分算子長(zhǎng)度,能夠?qū)崿F(xiàn)高精度、高效率的時(shí)間域有限差分?jǐn)?shù)值模擬。

為實(shí)現(xiàn)上述目的,本發(fā)明采取以下技術(shù)方案:一種時(shí)間域聲波方程顯式有限差分地震響應(yīng)模擬方法,包括以下步驟:

1)設(shè)定空間差分算子長(zhǎng)度2m+1的初始值和允許的最大近似誤差ξ;

2)根據(jù)目標(biāo)區(qū)域的聲波速度,基于空間-波數(shù)域函數(shù)近似的空間有限差分系數(shù)求取方法,求取基于k空間算子補(bǔ)償數(shù)值模擬誤差建立的顯式有限差分公式的差分系數(shù)和波數(shù)域誤差函數(shù)值;

3)如果波數(shù)域誤差函數(shù)值大于允許的最大近似誤差ξ,則將m的值加1,得到新的空間差分算子長(zhǎng)度2m+1,返回步驟2);如果波數(shù)域誤差函數(shù)值小于允許的最大近似誤差ξ,且m>1,則將m的值減1,得到新的空間差分算子長(zhǎng)度2m+1,返回步驟2);否則,確定滿足允許的最大近似誤差ξ的最小空間差分算子長(zhǎng)度2m+1及其對(duì)應(yīng)的差分系數(shù),繼續(xù)下一步;

4)根據(jù)滿足允許的最大近似誤差ξ的最小空間差分算子長(zhǎng)度2m+1的值及其對(duì)應(yīng)的差分系數(shù),對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行地震響應(yīng)數(shù)值模擬,得到目標(biāo)區(qū)域的模擬地震記錄或地震波場(chǎng)。

所述步驟2)中基于k空間算子補(bǔ)償數(shù)值模擬誤差建立的顯式有限差分公式為:

式中,p(x,t)為壓力波場(chǎng);x表示笛卡爾空間坐標(biāo)系統(tǒng);t為時(shí)間;δt為時(shí)間間隔;c(x,δxi)為加權(quán)系數(shù);δxi為位置x和第i個(gè)差分點(diǎn)之間的距離,δx0=0;m為空間差分算子長(zhǎng)度的一半,為整數(shù);n是模型維度;k為波數(shù)矢量,k=|k|;e(x,k)為x處波數(shù)域誤差函數(shù);為壓力波場(chǎng)p(x,t)的傅里葉響應(yīng);eik·x為空間反傅里葉變換的一部分。

所述步驟2)中基于空間-波數(shù)域函數(shù)近似的空間有限差分系數(shù)求取方法求取差分系數(shù)的方程為:

atwac=atws;

其中,

式中,t表示矩陣轉(zhuǎn)置;n為離散波數(shù)的數(shù)量;ν為聲波速度;sinc是一個(gè)算子,在函數(shù)數(shù)學(xué)上表示為sinc(x)=sin(x)/x;ki為第i個(gè)波數(shù)分量;w為相對(duì)權(quán)重系數(shù);a(ki)為波數(shù)分量ki的振幅值;num(ki)是波數(shù)分量ki的出現(xiàn)次數(shù);kmax為每個(gè)維度方向的最大波數(shù);是波數(shù)的最大值。

本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案,其具有以下優(yōu)點(diǎn):1、本發(fā)明的一種時(shí)間域聲波方程顯式有限差分地震響應(yīng)模擬方法,通過(guò)采用自適應(yīng)空間差分算子長(zhǎng)度和基于k空間算子的空間-波數(shù)域函數(shù)擬合方法求取差分系數(shù),可以高效率、高精度地模擬實(shí)際地質(zhì)模型中的地震響應(yīng),相比較常規(guī)的顯式有限差分方法,具有更高的時(shí)間精度,模擬中可以采用更大的時(shí)間步長(zhǎng),計(jì)算速度更快。2、本發(fā)明的一種時(shí)間域聲波方程顯式有限差分地震響應(yīng)模擬方法,可以廣泛應(yīng)用在均勻模型、層狀模型和實(shí)際地質(zhì)模型中。

附圖說(shuō)明

圖1(a)是均勻介質(zhì)模型中采用本發(fā)明方法且δt=2ms時(shí)得到的波場(chǎng)快照?qǐng)D;

圖1(b)、(c)、(d)是均勻介質(zhì)模型中采用基于頻散關(guān)系的有限差分方法且時(shí)間間隔分別為δt=2ms、δt=1ms、δt=0.25ms時(shí)得到的波場(chǎng)快照?qǐng)D;

圖2(a)是2d層狀介質(zhì)中的速度模型示意圖;

圖2(b)是2d層狀介質(zhì)中采用基于頻散關(guān)系的有限差分方法得到的波場(chǎng)快照?qǐng)D;

圖2(c)、(d)是2d層狀介質(zhì)中采用本發(fā)明方法以及分別使用定長(zhǎng)度算子和變長(zhǎng)度算子得到的波場(chǎng)快照?qǐng)D;

圖2(e)、(f)分別是對(duì)比道取自不同位置的圖2(b)、(c)、(d)的波場(chǎng)快照單道對(duì)比圖;

圖3是2dsigsbee2模型示意圖;

圖4(a)是2dsigsbee2模型中參考波場(chǎng)示意圖;

圖4(b)、(c)是2dsigsbee2模型中采用基于頻散關(guān)系的有限差分方法和分別使用2ms和0.5ms時(shí)間步長(zhǎng)得到的波場(chǎng)快照?qǐng)D;

圖4(d)、(e)是2dsigsbee2模型中采用本發(fā)明方法、時(shí)間間隔為2ms以及分別采用定長(zhǎng)度算子和變長(zhǎng)度算子得到的波場(chǎng)快照?qǐng)D;

圖5(a)、(b)、(c)和(d)分別是與圖4(b)、(c)、(d)和(e)相對(duì)應(yīng)的地震記錄對(duì)比圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述。

本發(fā)明方法包括基于k空間算子補(bǔ)償?shù)挠邢薏罘窒禂?shù)的求取和新的自適應(yīng)空間差分算子長(zhǎng)度策略。

首先,基于k空間算子補(bǔ)償數(shù)值模擬誤差建立顯式有限差分公式。

均勻無(wú)吸收衰減介質(zhì)中,時(shí)間-空間域二階常密度聲波方程為:

式中,p(x,t)為壓力波場(chǎng);x表示笛卡爾空間坐標(biāo)系統(tǒng);t為時(shí)間;ν為介質(zhì)速度;為空間拉普拉斯算子。

通過(guò)空間傅里葉變換,可以將時(shí)間-空間域二階常密度聲波方程轉(zhuǎn)換為時(shí)間-波數(shù)域二階常密度聲波方程:

式中,為壓力波場(chǎng)p(x,t)的傅里葉響應(yīng);k為波數(shù)矢量,k=|k|。

采用二階時(shí)間離散表示時(shí)間導(dǎo)數(shù),可以得到時(shí)間二階和空間準(zhǔn)確的半差分方程:

式中,δt為時(shí)間間隔。

常規(guī)的聲波方程采用二階精度中心差分離散時(shí)間導(dǎo)數(shù),對(duì)該離散采用二階k空間算子進(jìn)行補(bǔ)償,可以有效提高時(shí)間精度。其中,二階k空間算子為sinc2(νkδt/2)。因此,在均勻介質(zhì)中,可以采用二階k空間算子補(bǔ)償時(shí)間精度,從而得到時(shí)間和空間準(zhǔn)確的方程為:

式中,sinc是一個(gè)算子,在函數(shù)數(shù)學(xué)上表示為sinc(x)=sin(x)/x。

采用空間傅里葉變換,可以得到如下的時(shí)間域波場(chǎng)更新公式:

式中,eik·x為空間反傅里葉變換的一部分。

與有限差分方法相比,基于傅里葉變換的數(shù)值模擬方法計(jì)算量大。為避免使用空間傅里葉變換,本發(fā)明從時(shí)間域波場(chǎng)更新公式出發(fā),采用中心對(duì)稱差分樣板,可以將位置x處的空間2mth精度差分方程表示為:

式中,m為正整數(shù),2m+1為空間算子長(zhǎng)度,精度為2m;n是模型維度;δxi為位置x和第i個(gè)差分點(diǎn)之間的距離,δx0=0;e(x,t)為時(shí)空域的誤差函數(shù);c(x,δxi)為加權(quán)系數(shù)。

利用空間傅里葉變換,位置x處的空間2mth精度差分方程可以轉(zhuǎn)換為顯式有限差分公式:

式中,e(x,k)為x處波數(shù)域的誤差函數(shù)。

對(duì)比準(zhǔn)確的時(shí)間域波場(chǎng)更新公式和轉(zhuǎn)換后位置x處的空間2mth精度差分方程,可以得到:

在空間2mth精度差分方程中,在每個(gè)時(shí)間點(diǎn),波場(chǎng)更新為逐點(diǎn)更新,局部速度條件即可以滿足空間2mth精度差分方程的要求,因此本方法也適用于復(fù)雜介質(zhì)模型。

然后,空間-波數(shù)域函數(shù)近似方法求取差分系數(shù)的一般公式為:

對(duì)于給定的網(wǎng)格剖分和時(shí)間步長(zhǎng),空間差分系數(shù)可以通過(guò)最小化網(wǎng)格點(diǎn)處的近似誤差得到。在本實(shí)施例中可以采用二范數(shù)最小化近似誤差:

則加權(quán)系數(shù)c(x,δx0)可以通過(guò)以下矩陣-向量方程求得:

式中,n為離散波數(shù)的數(shù)量。

上述矩陣-向量方程可以簡(jiǎn)寫為:

an×nmcnm×1=sn×1

通常情況下,矩陣-向量方程是一個(gè)超定方程,因?yàn)殡x散波數(shù)的數(shù)量遠(yuǎn)大于差分系數(shù)的個(gè)數(shù),即n>nm。為了提高求解精度,本發(fā)明引入相對(duì)權(quán)重系數(shù):

式中,ki為第i個(gè)波數(shù)分量;a(ki)為波數(shù)分量ki的振幅值;num(ki)是波數(shù)分量ki的出現(xiàn)次數(shù);kmax為每個(gè)維度方向的最大波數(shù);因?yàn)槊總€(gè)方向的最大波數(shù)為kmax,所以波數(shù)的最大值是

通過(guò)引入權(quán)重系數(shù),差分系數(shù)可以通過(guò)以下方程求?。?/p>

atwac=atws

式中,t表示矩陣轉(zhuǎn)置。

最后,基于近似誤差的自適應(yīng)空間差分算子長(zhǎng)度策略:

在有限差分?jǐn)?shù)值中,波場(chǎng)外推和差分系數(shù)計(jì)算均和空間差分算子長(zhǎng)度成正比,空間算子長(zhǎng)度越大,計(jì)算量越大。為了減小計(jì)算量,本發(fā)明采用自適應(yīng)差分算子長(zhǎng)度策略??臻g差分算子長(zhǎng)度可以通過(guò)下列公式求得:

max(|e(x,k,m)|)<ξwhenk≤kmax

式中,ξ為允許的最大近似誤差。

通過(guò)實(shí)際試驗(yàn)得到,最大擬合誤差通常在最大波數(shù)處取得,因此,差分系數(shù)可以通過(guò)以下公式求得,從而進(jìn)一步減小計(jì)算量:

max(|e(x,kmax,m)|)<ξ

基于上述原理,本發(fā)明提供的一種時(shí)間域聲波方程顯式有限差分地震響應(yīng)模擬方法,具體包括以下步驟:

1)設(shè)定空間差分算子長(zhǎng)度2m+1的初始值和允許的最大近似誤差ξ;

2)根據(jù)目標(biāo)區(qū)域的聲波速度,基于空間-波數(shù)域函數(shù)近似的空間有限差分系數(shù)求取方法,求取基于k空間算子補(bǔ)償數(shù)值模擬誤差建立的顯式有限差分公式的差分系數(shù)和波數(shù)域誤差函數(shù)值(即擬合誤差值)。

3)如果波數(shù)域誤差函數(shù)值大于允許的最大近似誤差ξ,則將m的值加1,得到新的空間差分算子長(zhǎng)度2m+1,返回步驟2);如果波數(shù)域誤差函數(shù)值小于允許的最大近似誤差ξ,且m>1,則將m的值減1,得到新的空間差分算子長(zhǎng)度2m+1,返回步驟2);否則,確定滿足允許的最大近似誤差ξ的最小m的值及其對(duì)應(yīng)的空間差分算子長(zhǎng)度2m+1和差分系數(shù),繼續(xù)下一步。

4)根據(jù)滿足允許的最大近似誤差ξ的最小的空間差分算子長(zhǎng)度2m+1的值及其對(duì)應(yīng)的差分系數(shù),對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行地震響應(yīng)數(shù)值模擬,得到目標(biāo)區(qū)域的模擬地震記錄或地震波場(chǎng)。

本發(fā)明的一種時(shí)間域聲波方程顯式有限差分地震響應(yīng)模擬方法,可以廣泛應(yīng)用在均勻模型、層狀模型和實(shí)際地質(zhì)模型中。

在均勻介質(zhì)模型中,分別采用本發(fā)明的方法和基于頻散關(guān)系的有限差分方法進(jìn)行地震響應(yīng)模擬,模擬參數(shù)為:v=1500m/s,h=17.5m,m=4;時(shí)間間隔分別為:δt=2ms、δt=1ms、δt=0.25ms;震源位于模型中心,模擬過(guò)程中沒(méi)有設(shè)置吸收邊界。得到的波場(chǎng)快照如圖1(a)、(b)、(c)和(d)所示。從圖中可以看出,相比較基于時(shí)-空域頻散關(guān)系方法,本發(fā)明方法的精度更高,當(dāng)時(shí)間步長(zhǎng)較大時(shí),仍能取得很好的模擬效果。

在2d層狀介質(zhì)中,分別采用基于頻散關(guān)系的有限差分方法,以及本發(fā)明的方法分別采用不同的空間差分算子長(zhǎng)度進(jìn)行地震響應(yīng)模擬,采用的速度模型如圖2(a)所示??臻g差分算子長(zhǎng)度和相對(duì)應(yīng)的cpu運(yùn)算時(shí)間如下表1所示,得到的波場(chǎng)快照如圖2(b)、(c)和(d)所示;波場(chǎng)快照單道對(duì)比如圖2(e)、(f)所示,其中,道1、2、3分別來(lái)自圖2(b)、(c)、(d),道4為道1和2的差值,道5為道1和2的差值。從圖中可以看出,相比較基于時(shí)-空域頻散關(guān)系方法,本發(fā)明方法的數(shù)值精度更高,采用空間自適應(yīng)差分算子,仍能取得較好地?cái)?shù)值精度。

表1:2d水平層狀介質(zhì)模擬采用的空間算子長(zhǎng)度和cpu運(yùn)算時(shí)間

如圖3所示,為2d的sigsbee2模型,圖中大黑點(diǎn)表示炮點(diǎn)位置,小黑點(diǎn)表示檢波點(diǎn)位置。在2dsigsbee2模型中,采用基于頻散關(guān)系的有限差分方法分別采用不同的時(shí)間步長(zhǎng),以及采用本發(fā)明的方法分別采用不同長(zhǎng)度的空間差分算子進(jìn)行地震響應(yīng)模擬;基于頻散關(guān)系的有限差分方法采用的時(shí)間步長(zhǎng)為2m/s和0.5m/s,本發(fā)明的方法采用的時(shí)間間隔為2m/s;采用的參考波場(chǎng)如圖4(a)所示??臻g差分算子長(zhǎng)度和相對(duì)應(yīng)的cpu運(yùn)算時(shí)間如下表2所示,得到的波場(chǎng)快照如圖4(b)、(c)、(d)和(e)所示;相對(duì)應(yīng)地得到的地震記錄對(duì)比如圖(b)、(c)、(d)和(e)所示。此處圖4(a)、(b)、(c)、(d)和(e)中類似馬賽克的部分為真實(shí)的波場(chǎng)模擬結(jié)果,通過(guò)數(shù)值模擬得到的結(jié)果如此,沒(méi)有經(jīng)過(guò)后續(xù)處理。從圖中可以看出,相比較基于時(shí)-空域頻散關(guān)系方法,本方法的數(shù)值精度更高。采用空間自適應(yīng)差分算子,仍能取得較好地?cái)?shù)值精度。自適應(yīng)差分算子沒(méi)有明顯降低數(shù)值精度。

表2:sigsbee2模型數(shù)值模擬采用的空間算子長(zhǎng)度和cpu運(yùn)算時(shí)間

上述各實(shí)施例僅用于說(shuō)明本發(fā)明,其中各部件的結(jié)構(gòu)、設(shè)置位置及其連接方式等都是可以有所變化的,凡是在本發(fā)明技術(shù)方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行的等同變換和改進(jìn),均不應(yīng)排除在本發(fā)明的保護(hù)范圍之外。

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