一种地震波传播正演模拟方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术实施例提供一种地震波传播正演模拟方法和装置，该方法包括基于纵向坐标变换算法将用于地震波模拟的预设地质模型上的不规则区域从第一坐标系转换为可用于差分计算的第二坐标系下的规则区域；基于交错网格高阶差分算法求解在第二坐标系下的规则区域中的每个网格点上的物理量；根据所述第一坐标系与第二坐标系之间的映射关系，将各所述网格点上的物理量转换为第一坐标系下的物理量并作为波动方程正演模拟的输出。本发明专利技术能够实现对起伏地表等地表模型的地震波模拟，尤其是对于正演的初至波，利用本发明专利技术可以进行静校正效果的分析研究，且波形保持良好，模拟精度高，数值频散很小。

【技术实现步骤摘要】
一种地震波传播正演模拟方法和装置
本专利技术涉及勘探地球物理学领域，具体而言，涉及一种地震波传播正演模拟方法和装置。
技术介绍
地形起伏对地震波传播影响非常大，使得地震波在近地表的传播变得异常复杂，造成地震波振动强度变化以及地震波型之间的相互转化，引起面波、散射体波、多重散射面波之间的共振耦合。此外，天然地震检测中区域性地震波能量异常，以及山地油气勘探中地震数据低信噪比和“静校正”问题均是由地形起伏以及近地表速度异常造成的。现有的在地形起伏情况下的地震波传播数值模拟方法主要有以下几种：有限元(FE)模拟方法：该模拟方法计算效率低，但处理不规则地表比较方便，成为模拟起伏地表情况下地震波传播的有效方法。为此，发展了一些有限元和其它方法相结合的混合方法，例如，Moczo等用离散波数方法模拟震源激发和下部介质中地震波的传播时，通过有限元方法来模拟沿起伏地表波的传播(DW-FE)；黄自萍等用有限元和有限差分(FE-FD)相结合的方法来模拟起伏地表地震波传播，但前述的各方法中存在的问题是：FE模拟方法和其它方法结合计算区域交界处易产生人为反射，吸收边界也不易处理。边界积分或边界元(BE)方法：该方法将散射波场通过地表的一个半解析的积分来表示，其中积分项中Green函数一般在频率波数域中计算。这种方法在研究起伏地表地震波传播时使用比较多，但BE方法的半解析性质决定了该方法不能适用于地表速度变化较大情况，而实际应用中，由于后期地质作用造成浅部地层速度变化更为剧烈，因此限制了BE方法的实际应用。有限差分(FD)方法：该方法计算效率高，在模拟复杂模型中地震波传播时应用最为广泛，但该方法的一个重要缺陷是处理复杂地形比较困难。因此，研究起伏地表情况下地震波传播规律，研究起伏地表及复杂近地表结构对地震波造成的延迟，并消除这些延迟对地下深层成像造成的影响，使地震波场能够更好更准确的成像，恢复真实的地下构造特征，对于本领域技术人员而言十分迫切。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供一种地震波传播正演模拟方法和装置，以解决上述问题。一方面，本专利技术较佳实施例提供一种地震波传播正演模拟方法，所述方法包括：基于纵向坐标变换算法将具有起伏地表且用于地震波模拟的预设地质模型上的不规则区域从第一坐标系转换为可用于差分计算的第二坐标系下的规则区域；基于交错网格高阶差分算法求解在第二坐标系下的规则区域中的每个网格点上的物理量；根据所述第一坐标系与第二坐标系之间的映射关系，将各所述网格点上的物理量转换为第一坐标系下的物理量，并作为波动方程正演模拟的输出。在本方面较佳实施例的选择中，所述第一坐标系为xoz坐标系，所述第二坐标系为ξoη坐标系，基于纵向坐标变换算法将用于地震波模拟的预设地质模型上的不规则区域从第一坐标系转换为可用于差分计算的第二坐标系下的规则区域的步骤包括：将用于表征所述预设地质模型上的不规则区域的地表高程变化函数z0＝f(x)由xoz坐标系线性变换为ξoη坐标系下的其中，z为高程值；将xoz坐标系下的变密度声波方程转换为ξoη坐标系下的声波方程其中，K为介质体积模量，ρ为介质密度，U'＝(u',p',q')为ξoη坐标系下的列向量，和为坐标拉伸系数，为x＝ξ处的地形坡度。在本方面较佳实施例的选择中，基于交错网格高阶差分算法求解在第二坐标系下的规则区域中的每个网格点上的物理量的步骤包括：对所述第二坐标系下的规则区域中的二维声波方程进行降维处理，以将二维声波方程中的位移对时间的任意奇数阶高阶导数转换为中间变量对空间的导数，以及将中间变量对时间的任意奇数阶高阶导数转换为位移对空间的导数；基于交错网格高阶差分算法求解降维处理后的声波方程中的空间导数，进而确定差分系数；基于所述差分系数计算第二坐标系下的规则区域中的每个网格点上的物理量。在本方面较佳实施例的选择中，所述地震波包括直达波、折射波中的一种或多种。在本方面较佳实施例的选择中，所述方法还包括:确定预设地质模型上用于地震波传播模拟的吸收边界条件,并基于该吸收边界条件划定的区域执行上述基于纵向坐标变换算法，将第一坐标系下的预设地质模型上的不规则区域转换为可用于差分计算的第二坐标系下的规则区域的步骤。在本方面较佳实施例的选择中，确定预设地质模型上用于地震波传播模拟的吸收边界条件的步骤包括：在第一坐标系下确定用于地震波传播模拟的所述预设地质模型的边界条件；基于所述纵向坐标变换算法，将所述第一坐标系下的边界条件转换为第二坐标系下的边界条件。在本方面较佳实施例的选择中，所述第一坐标系为xoz坐标系，所述第二坐标系为ξoη坐标系，所述第二坐标系下的所述吸收边界条件包括：其中，U'＝(u',p',q')为ξoη坐标系下的列向量，和为坐标拉伸系数，为x＝ξ处的地形坡度。另一方面，本专利技术较佳实施例还提供一种基于波动方程的地震波传播正演模拟装置，所述装置包括：区域拉伸模块，用于基于纵向坐标变换算法将具有起伏地表且用于地震波模拟的预设地质模型上的不规则区域从第一坐标系转换为可用于差分计算的第二坐标系下的规则区域；物理量计算模块，用于基于交错网格高阶差分算法求解在第二坐标系下的规则区域中的每个网格点上的物理量；正演数据输出模块，用于根据所述第一坐标系与第二坐标系之间的映射关系，将各所述网格点上的物理量转换为第一坐标系下的物理量并作为波动方程正演模拟的输出。在本方面较佳实施例的选择中，所述第一坐标系为xoz坐标系，所述第二坐标系为ξoη坐标系，所述区域拉伸模块包括：线性变换单元，用于将用于表征所述预设地质模型上的不规则区域的地表高程变化函数z0＝f(x)由xoz坐标系线性变换为ξoη坐标系下的其中，z为高程值；方程变换单元，用于将xoz坐标系下的变密度声波方程转换为ξoη坐标系下的声波方程其中，K为介质体积模量，ρ为介质密度，U'＝(u',p',q')为ξoη坐标系下的列向量，和为坐标拉伸系数，为x＝ξ处的地形坡度。在本方面较佳实施例的选择中，所述物理量计算模块包括：降维处理单元，用于对所述第二坐标系下的规则区域中的二维声波方程进行降维处理，以将二维声波方程中的位移对时间的任意奇数阶高阶导数转换为中间变量对空间的导数，以及将中间变量对时间的任意奇数阶高阶导数转换为位移对空间的导数；系数确定单元，用于基于交错网格高阶差分算法求解降维处理后的声波方程中的空间导数，进而确定差分系数；物理量计算单元，用于基于所述差分系数计算第二坐标系下的规则区域中的每个网格点上的物理量。与现有技术相比，本专利技术实施例提供一种地震波传播正演模拟方法和装置，其中，通过纵向坐标变换算法对具有起伏地表的地质模型进行规则区域变换，并基于变换后的规则区域进行地震波模拟，从而实现对起伏地表等地表模型的地震波模拟，且波形保持良好，模拟精度高，数值频散很小，能够为检验静校正方法提供理论模型依据。另外，本专利技术还通过吸收边界条件的设置，有效阻止了正演模拟中存在的复杂地表产生的多次波及其各种复杂散射，进一步提高了地震波模拟过程中的直达波以及折射波等初至波的模拟精度。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本专利技术的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种地震波传播正演模拟方法，其特征在于，所述方法包括：基于纵向坐标变换算法将具有起伏地表且用于地震波模拟的预设地质模型上的不规则区域从第一坐标系转换为可用于差分计算的第二坐标系下的规则区域；基于交错网格高阶差分算法求解在第二坐标系下的规则区域中的每个网格点上的物理量；根据所述第一坐标系与第二坐标系之间的映射关系，将各所述网格点上的物理量转换为第一坐标系下的物理量，并作为波动方程正演模拟的输出。

【技术特征摘要】
1.一种地震波传播正演模拟方法，其特征在于，所述方法包括：基于纵向坐标变换算法将具有起伏地表且用于地震波模拟的预设地质模型上的不规则区域从第一坐标系转换为可用于差分计算的第二坐标系下的规则区域；基于交错网格高阶差分算法求解在第二坐标系下的规则区域中的每个网格点上的物理量；根据所述第一坐标系与第二坐标系之间的映射关系，将各所述网格点上的物理量转换为第一坐标系下的物理量，并作为波动方程正演模拟的输出。2.根据权利要求1所述的地震波传播正演模拟方法，其特征在于，所述第一坐标系为xoz坐标系，所述第二坐标系为ξoη坐标系，基于纵向坐标变换算法将用于地震波模拟的预设地质模型上的不规则区域从第一坐标系转换为可用于差分计算的第二坐标系下的规则区域的步骤包括：将用于表征所述预设地质模型上的不规则区域的地表高程变化函数z0＝f(x)由xoz坐标系线性变换为ξoη坐标系下的其中，z为高程值；将xoz坐标系下的变密度声波方程转换为ξoη坐标系下的声波方程其中，K为介质体积模量，ρ为介质密度，U'＝(u',p',q')为ξoη坐标系下的列向量，和为坐标拉伸系数，为x＝ξ处的地形坡度。3.根据权利要求2所述的地震波传播正演模拟方法，其特征在于，基于交错网格高阶差分算法求解在第二坐标系下的规则区域中的每个网格点上的物理量的步骤包括：对所述第二坐标系下的规则区域中的二维声波方程进行降维处理，以将二维声波方程中的位移对时间的任意奇数阶高阶导数转换为中间变量对空间的导数，以及将中间变量对时间的任意奇数阶高阶导数转换为位移对空间的导数；基于交错网格高阶差分算法求解降维处理后的声波方程中的空间导数，进而确定差分系数；基于所述差分系数计算第二坐标系下的规则区域中的每个网格点上的物理量。4.根据权利要求1所述的地震波传播正演模拟方法，其特征在于，所述地震波包括直达波、折射波中的一种或多种。5.根据权利要求1所述的地震波传播正演模拟方法，其特征在于，所述方法还包括:确定预设地质模型上用于地震波传播模拟的吸收边界条件,并基于该吸收边界条件划定的区域执行上述基于纵向坐标变换算法，将第一坐标系下的预设地质模型上的不规则区域转换为可用于差分计算的第二坐标系下的规则区域的步骤。6.根据权利要求5所述的地震波传播正演模拟方法，其特征在于，...

【专利技术属性】
技术研发人员：毛海波，郑鸿明，张龙，张仲祜，范旭，
申请(专利权)人：毛海波，
类型：发明
国别省市：新疆,65