基于MPI的地震波场有限差分数值模拟研究

论文摘要

地震波数值模拟作为勘探地震学领域中的一项关键技术,贯穿于地震数据的设计、采集、处理和解释之中。有限差分法精度易于提高、容易实现等特性使得它成为了模拟地震波的不二选择。现有的有限差分模拟方案已经能够满足常规的勘探要求,但随着行业的发展,不仅要获得高精度的数据,同时要高效率完成勘探任务。传统串行的方式即使采用工作站和集群依旧不能达到理想的效果,因此在地震波数值模拟中采用并行计算方案非常必要。本文以Foster并行算法设计流程为基础开展研究,实现了基于MPI(message passing interface)的并行地震波有限差分数值模拟。为实现在地震波模拟的并行化设计,本文从以下几个方面进行讨论:首先,论文对地震波波动方程进行了研究和推导。从弹性波动力学理论出发对声波、弹性波、SH波的波动方程进行了详细推导,同时探讨了品质因子在粘弹介质中的作用,并基于Kelvin模型和标准线弹性固体SLS模型推导了三种地震波在粘弹介质中的波动方程。通过普通网格和交错网格的差分精度对比,验证了交错网格的优点。同时推导出了高阶差分系数,并对地震波波动方程进行了离散表示。其次,对于并行有限差分模拟地震波中的一些关键技术进行讨论:数值频散的产生以及如何压制、差分公式稳定性的判定方法以及如何实现震源的加载方案以及不同子波的差异、吸收边界的重要性以及实现方法、并行中的重要过程:区域分解、坐标转换、区域通信、波场合并等的具体实现过程。最后,通过层状模型、断层模型、盐丘模型的地震波场模拟,比较并讨论了CPU数目与模拟效率的关系,以及不同介质模型中声波、弹性波、SH波的传播规律。通过弹性模型和粘弹模型的单道记录对比,分析了品质因子对地震波的影响。模拟结果表明,并行有限差分地震波模拟结合了高阶交错网格有限差分的优点,可以大大提高计算效率。但并行中CPU的数目与计算规模及计算机系统有关,需要合理选择;品质因子对地震波振幅及相位的影响较大,且并行计算中SLS粘弹模型的计算花费和加速比优于Kelvin粘弹模型,在实际数据处理中建议采用SLS粘弹模型。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 研究目的和意义
•   1.2 地震波并行数值模拟研究历史和现状
•     1.2.1 有限差分地震波模拟的研究历史和现状
•     1.2.2 边界条件的研究历史和现状
•     1.2.3 并行地震波模拟的研究历史和现状
•   1.3 论文主要研究内容
• 第二章 波动方程及有限差分原理基础
•   2.1 地震波波动方程
•     2.1.1 弹性波方程
•     2.1.2 声波方程
•     2.1.3 SH波方程
•     2.1.4 粘弹性波方程
•     2.1.5 粘声波方程
•     2.1.6 粘SH波方程
•   2.2 地震波有限差分模拟原理
•     2.2.1 弹性波方程有限差分格式
•     2.2.2 声波方程有限差分格式
•     2.2.3 SH波有限差分格式
•   2.3 并行原理
• 第三章 并行地震波模拟中的关键技术及解决方案
•   3.1 数值频散
•   3.2 稳定性判断
•   3.3 地震子波的选取和加载
•   3.4 边界条件处理
•   3.5 并行中的关键技术
•     3.5.1 并行环境初始化
•     3.5.2 区域分解
•     3.5.3 参数读入
•     3.5.4 坐标转换
•     3.5.5 计算波场
•     3.5.6 波场输出
• 第四章 模型测试及结果分析
•   4.1 简单层状模型
•     4.1.1 声波模拟
•     4.1.2 弹性波模拟
•     4.1.3 SH波模拟
•   4.2 断层模型
•     4.2.1 声波模拟
•     4.2.2 弹性波模拟
•     4.2.3 SH波模拟
•   4.3 盐丘模型
•     4.3.1 声波模拟
•     4.3.2 弹性波模拟
•     4.3.3 SH波模拟
• 第五章 结论
•   5.1 结论
•   5.2 下一步工作
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 赵凯鹏

导师: 邵广周

关键词: 地震波波动方程,粘弹模型,标准线弹性固体模型,并行算法,高阶交错网格有限差分法

来源: 长安大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 地质学,地球物理学,矿业工程

单位: 长安大学

分类号: P631.4

总页数: 98

文件大小: 3509K

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