可變交錯網(wǎng)格優(yōu)化差分系數(shù)法地震波正演模擬

李世中,孫成禹,彭鵬鵬

(中國石油大學(華東)地球科學與技術學院,山東青島266580)

有限差分方法廣泛應用于地震數(shù)值模擬中。20世紀70年代,有限差分法首次應用于波動方程正演模擬[1]。之后,VIRIEUX[2]提出了穩(wěn)定的二階交錯網(wǎng)格彈性波有限差分格式。當用固定步長的有限差分格式對地下低速帶或者復雜構造進行數(shù)值模擬時,必須選擇較小的網(wǎng)格步長來滿足計算精度要求或者避免漏掉重要的波場信息,因而不可避免地增加了模擬的計算成本。1989年,MOCZO[3]首次提出采用可變網(wǎng)格思想來提高有限差分數(shù)值模擬精度。隨后,JASTRAM等[4-5]提出了網(wǎng)格步長可取任意倍數(shù)的可變網(wǎng)格算法。李勝軍等[6]比較了傳統(tǒng)網(wǎng)格與變網(wǎng)格有限差分算法的內存需求、計算效率等,總結了變網(wǎng)格算法的優(yōu)點。李振春等[7]從理論上推導了變網(wǎng)格界面處虛假反射誤差的數(shù)學表達式,并通過引入Lanczos濾波算子,實現(xiàn)了一種基于交錯網(wǎng)格的穩(wěn)定且高精度的雙變網(wǎng)格正演模擬算法。孫成禹等[8]證實了變網(wǎng)格有限差分算法能提高模擬結果的分辨率,同時降低內存需求量,減少計算時間。孟凡順等[9]將可變網(wǎng)格有限差分方法引入到交錯網(wǎng)格高階差分數(shù)值模擬中,并將可變網(wǎng)格步長倍數(shù)變化范圍推廣至任意奇數(shù)倍。KANG等[10]基于一階速度應力方程,進一步改進有限差分的變時間步長非連續(xù)空間交錯網(wǎng)格方法。LI等[11]實現(xiàn)了一種靈活的非均勻時間步長不連續(xù)曲線網(wǎng)格有限差分方法,用于地震波數(shù)值模擬。孫林潔等[12]實現(xiàn)了空間與時間步長任意整數(shù)倍變化的雙相介質彈性波可變網(wǎng)格正演模擬。馬光克等[13]將可變網(wǎng)格有限差分算法引入到逆時偏移中,并分析了可變網(wǎng)格對有限差分算法數(shù)值頻散的影響。

采用有限差分法進行數(shù)值模擬時,由于利用離散網(wǎng)格點的差分來代替空間偏導數(shù),不可避免地產生數(shù)值頻散現(xiàn)象。許多學者對此做了大量研究,旨在提高模擬的精度。ALFORD等[14]在研究聲波方程有限差分模擬精度時指出,為消除數(shù)值頻散,對于時間2階、空間4階精度的有限差分法,在源子波的Nyquist頻率所對應的一個波長內不能少于5.5個網(wǎng)格節(jié)點。董良國等[15]指出影響數(shù)值頻散的因素為地震波傳播方向、差分精度和一個波長內離散點數(shù)。為減少數(shù)值頻散,可以通過增加有限差分算子的長度去計算空間偏導數(shù)[16],但會增加計算成本。TAM等[17]給出了顯式頻散關系保存方案。LIU等[18]通過使用Taylor級數(shù)展開法來最小化時空域頻散關系的誤差,推導出有限差分系數(shù),以此來減少數(shù)值頻散。杜啟振等[19]通過引入強約束條件和弱約束條件,構造了不同的Lagrange函數(shù),然后通過求取條件極值得到優(yōu)化差分算子。梁文全等[20]采用前人提出的新的有限差分模板(在保持相同精度的情況下增大了時間步長),基于非線性優(yōu)化確定時間-空間域隱格式有限差分系數(shù)。YANG等[21]基于頻散關系和最小二乘理論推導出一階空間導數(shù)的差分系數(shù)。YAN等[22]提出一種基于最小二乘理論的優(yōu)化差分算子進行聲波方程正演和逆時偏移。IGEL等[23]使用高斯窗截斷得到有限差分算子系數(shù)。雍鵬等[24]給出一種顯式時間遞推格式,并采用共軛梯度法得到精確時間遞推匹配系數(shù),實現(xiàn)時空差分算子的同時優(yōu)化。梁文全等[25]提出使用線性方法壓制聲波方程矩形網(wǎng)格有限差分算子的數(shù)值頻散。此外,還有一些關于有限差分算子的優(yōu)化方法,如牛頓法[26]、模擬退火法[27]、樣點逼近法[28]等,都能不同程度地降低較大波數(shù)范圍內的數(shù)值頻散,提高地震波數(shù)值模擬精度。

以上差分系數(shù)優(yōu)化都是針對固定步長的網(wǎng)格,關于變網(wǎng)格差分系數(shù)優(yōu)化的研究相對較少。本文在前人研究的基礎上,提出一種基于最小二乘理論計算可變交錯網(wǎng)格優(yōu)化差分系數(shù)算法。通過頻散分析和正演模擬算例表明,與Taylor系數(shù)展開所獲得的差分系數(shù)相比,采用優(yōu)化后的可變交錯網(wǎng)格差分系數(shù),能更有效地壓制頻散現(xiàn)象。

1 方法原理

二維各向同性介質中的一階應力-速度聲波方程可表示為:

(1)

式中:vx,vz分別為質點在x和z方向上的速度分量;t為時間;P為應力;vP為縱波速度;ρ為介質密度。

1.1 變網(wǎng)格差分算法

常規(guī)網(wǎng)格采用固定的網(wǎng)格步長對模擬區(qū)域進行剖分,而變網(wǎng)格一般采用不同空間步長來對模擬區(qū)域進行離散,如圖1所示。圖1中紅色線框區(qū)域為小步長網(wǎng)格區(qū)域,黑色線框區(qū)域為大步長網(wǎng)格區(qū)域。當對大小步長網(wǎng)格邊界點做插值處理時,一方面會降低數(shù)值模擬效率,另一方面也會積累計算誤差,影響模擬精度。在大小網(wǎng)格邊界處引入過渡帶,能避免因插值計算引起的誤差,使得數(shù)值模擬時,網(wǎng)格長度能自然過渡,增加穩(wěn)定性。

為了保證過渡帶的所有半節(jié)點導數(shù)不用插值就可以求出高階差分數(shù)值,大小步長網(wǎng)格的縱向步長比需為奇整數(shù)倍。以縱向上大小網(wǎng)格步長比3∶1為例,圖2給出了可變交錯網(wǎng)格在過渡帶的差分處理方式[13]。

圖1 差分網(wǎng)格分布

圖2 過渡帶網(wǎng)格變化及波場計算

以一階導數(shù)?P/?z的可變交錯網(wǎng)格差分形式為例,大網(wǎng)格區(qū)域的高階差分計算公式為:

(2)

小網(wǎng)格區(qū)域差分格式:

(3)

網(wǎng)格過渡帶差分格式:

(4)

1.2 優(yōu)化差分算子

對于可變交錯網(wǎng)格聲波波動方程,一般采用時間二階、空間高階有限差分算子來提高數(shù)值模擬的精度。對于大小網(wǎng)格過渡帶的波場f(x)來說,其空間一階導數(shù)交錯網(wǎng)格差分格式可近似地表示為:

(5)

假設f(x)為沿x方向傳播的單頻波,有:

(6)

(7)

其中β=kh/2,且β∈(0,0.5π)。運用Taylor公式將(7)式的三角函數(shù)展開為多項式,可得:

(8)

比較β的系數(shù),得:

(9)

首先對(7)式構建基于頻散關系的平方誤差函數(shù),有:

(10)

式中:b是積分上限,其取值與K有關。在給定的積分上限取值范圍[d,u]內,均勻分布著N個采樣點,即b1,b2,…,bN。當K確定時,積分上限b取對應的采樣點值bK。

(10)式表示可變交錯網(wǎng)格有限差分法求取空間導數(shù)時在給定間隔[0,b]內引入的平方誤差,由最小二乘理論,求取誤差的最小值。此外,加上近零波數(shù)約束條件以提高可變交錯網(wǎng)格有限差分法的數(shù)值模擬精度[21]。對于可變交錯網(wǎng)格,有:

(11)

令

(12)

由(10)式和(12)式可得極值的必要條件為:

(13)

式中:λ為Lagrange乘數(shù)。將(10)式、(12)式代入(13)式中,最終得到:

(14)

其中,

(15)

1.3 頻散分析

根據(jù)公式(7),定義以下公式描述可變交錯網(wǎng)格有限差分的頻散關系:

(16)

當δ(β)的值越接近0時,數(shù)值頻散就越小;當δ(β)的值越遠離0時,數(shù)值頻散就越大。為了對比可變交錯網(wǎng)格優(yōu)化差分系數(shù)和Taylor級數(shù)展開所得系數(shù)的頻散關系,以N=5為例,取積分上限取值范圍u=0.4π,將可變交錯網(wǎng)格優(yōu)化差分系數(shù)和Taylor級數(shù)展開所得系數(shù)分別代入(16)式中,得到不同大小網(wǎng)格步長比l下的δ(β)值隨β變化的曲線,如圖3所示。附錄A給出了N=5的可變交錯網(wǎng)格優(yōu)化差分系數(shù)和Taylor級數(shù)展開的差分系數(shù)。

從圖3可以看出,相同的可變交錯網(wǎng)格差分算子長度下,不同的大小網(wǎng)格步長比l對應的積分上限取值范圍d值也不同,l越大,d越小。隨著過渡帶中小網(wǎng)格內的點逐漸遠離大小網(wǎng)格交界處,優(yōu)化的效果越好。因此,可變交錯網(wǎng)格優(yōu)化差分算子相比基于Taylor級數(shù)展開的差分算子能夠減少差分近似帶來的誤差,更好地壓制數(shù)值頻散。下面將對大小網(wǎng)格步長比l=5時的可變交錯網(wǎng)格優(yōu)化差分系數(shù)和基于Taylor級數(shù)展開的差分系數(shù)分別進行數(shù)值模擬和對比驗證。

圖3 大小網(wǎng)格邊界區(qū)域差分精度分析及對比a l=3,d=0.18π; b l=5,d=0.12π; c l=9,d=0.07π; d l=15,d=0.05π

2 數(shù)值模擬

2.1 低速夾層模型

如圖4所示的一個低速夾層模型寬為4500m,高為4500m。由地表往下各層的速度分別為3800,2500,4200m/s。第2層為低速層,上、下界面深度分別為2355m和2400m。對模型分別利用可變交錯網(wǎng)格優(yōu)化差分系數(shù)法和Taylor級數(shù)展開法進行聲波方程正演模擬,模型虛線框外為大網(wǎng)格區(qū)域,步長15m×15m,虛線框內為小網(wǎng)格區(qū)域,步長Δx=15m,Δz=3m。再用常規(guī)交錯網(wǎng)格(15m×15m,3m×3m)的Taylor級數(shù)展開法對低速夾層模型進行聲波方程正演模擬。介質密度從上往下依次為1700,1500,1800kg/m3,時間采樣間隔均為0.1ms,采用時間2階、空間10階有限差分算子進行數(shù)值模擬。震源點坐標為(2250m,1800m),子波為雷克子波,主頻為40Hz。

圖4 低速夾層模型

圖5是低速夾層模型正演模擬在0.36s的波場快照,可以看出,當采用固定步長的大網(wǎng)格模擬時,由于低速層的影響,與圖5a,圖5b和圖5d相比,圖5c出現(xiàn)非常明顯的數(shù)值頻散。再對比圖5a,圖5b和圖5d 可以看出,即使采用了基于Taylor級數(shù)展開的變網(wǎng)格有限差分數(shù)值模擬,也出現(xiàn)了較嚴重的數(shù)值頻散,干擾了正常波場。而采用可變交錯網(wǎng)格優(yōu)化差分系數(shù)法進行數(shù)值模擬時,精度更高,壓制了頻散。

圖5 低速夾層模型聲波方程波場快照a 可變交錯網(wǎng)格Taylor級數(shù)展開法(3m/15m); b 可變交錯網(wǎng)格優(yōu)化差分系數(shù)法(3m/15m); c 常規(guī)大網(wǎng)格Taylor級數(shù)展開法(15m×15m); d 常規(guī)小網(wǎng)格Taylor級數(shù)展開法(3m×3m)

圖6是低速夾層模型正演模擬在檢波點(2250m,1800m)的部分接收記錄,以常規(guī)小網(wǎng)格的波形記錄為準確值,可以算出可變交錯網(wǎng)格優(yōu)化差分系數(shù)法波形記錄與準確值的均方根誤差為0.002289;而可變交錯網(wǎng)格Taylor級數(shù)展開法波形記錄與準確值的均方根誤差為0.008089。均方根誤差定義為:

圖6 低速夾層模型正演模擬在檢波點(2250m,1800m)的部分接收記錄

(17)

2.2 起伏界面模型

如圖8所示的起伏界面模型寬、高均為4000m,分為4層,第1層速度為1500m/s,第2層速度為2500m/s,第3層速度為2800m/s,第4層速度為3400m/s。第1層為低速層,且第1層和第2層的分界面是起伏的。因此,進行可變交錯網(wǎng)格有限差分數(shù)值模擬時,令深度600m以上為小網(wǎng)格區(qū)域,其步長Δx=10m,Δz=2m,深度600m以下為大網(wǎng)格區(qū)域,步長10m×10m。再用常規(guī)網(wǎng)格(10m×10m,2m×2m)的Taylor級數(shù)展開法對起伏界面模型進行聲波方程正演模擬。介質密度設為常數(shù)2000kg/m3,時間采樣間隔均為0.1ms。震源點坐標為(2000m,10m),子波為雷克子波,主頻為24Hz。

圖7 低速夾層模型聲波方程地震記錄a 可變交錯網(wǎng)格Taylor級數(shù)展開法(3m/15m); b 可變交錯網(wǎng)格優(yōu)化差分系數(shù)法(3m/15m); c 常規(guī)大網(wǎng)格Taylor級數(shù)展開法(15m×15m); d 常規(guī)小網(wǎng)格Taylor級數(shù)展開法(3m×3m)

圖8 起伏界面模型

圖9是空間10階有限差分算子起伏界面模型的正演模擬地震記錄,可以明顯看出,采用常規(guī)大網(wǎng)格進行正演模擬得到的地震記錄數(shù)值頻散最嚴重,采用可變交錯網(wǎng)格Taylor級數(shù)展開法得到的地震記錄也出現(xiàn)了相當程度的數(shù)值頻散,不利于實際的波場分析;而在同樣條件下采用可變交錯網(wǎng)格優(yōu)化差分系數(shù)法得到的地震記錄出現(xiàn)的數(shù)值頻散較少。因此,在采用相同的空間差分算子長度下,可變交錯網(wǎng)格優(yōu)化差分系數(shù)法相比Taylor級數(shù)展開法能有效降低數(shù)值模擬的頻散誤差。此外,穩(wěn)定性條件是有限差分數(shù)值模擬中十分重要的問題。對于可變交錯網(wǎng)格,若是網(wǎng)格步長變化梯度太劇烈,不僅會引起人為的數(shù)值干擾,造成計算誤差,甚至會使程序計算溢出,無法運行。故空間網(wǎng)格出現(xiàn)太大的步長變化時,往往需要平緩的、經(jīng)過幾次步長變化的處理來保證長時程計算的穩(wěn)定性。這里長時程的地震記錄也間接證明了可變交錯網(wǎng)格優(yōu)化差分系數(shù)法計算的穩(wěn)定性,適用于大區(qū)域數(shù)值模擬。

圖9 空間10階差分算子起伏界面模型正演模擬地震記錄a 可變交錯網(wǎng)格Taylor級數(shù)展開法(2m/10m); b 可變交錯網(wǎng)格優(yōu)化差分系數(shù)法(2m/10m); c 常規(guī)大網(wǎng)格Taylor級數(shù)展開法(10m×10m); d 常規(guī)小網(wǎng)格Taylor級數(shù)展開法(2m×2m)

由于過渡帶的優(yōu)化差分算子與空間偏導數(shù)算子之間仍存在誤差,因此,如果需要進一步降低頻散,可以通過提高空間差分階數(shù)來實現(xiàn),但提高差分階數(shù)將會增大數(shù)值模擬計算量,從而增加計算成本。圖10是空間18階差分算子起伏界面模型可變交錯網(wǎng)格優(yōu)化差分系數(shù)法地震記錄,與圖9b相比,數(shù)值頻散得到了進一步壓制。圖11是起伏界面模型數(shù)值模擬計算成本對比結果,可以看出,當空間差分階數(shù)相同時,可變交錯網(wǎng)格的優(yōu)化差分系數(shù)法與可變交錯網(wǎng)格Taylor級數(shù)展開法計算時間幾乎一樣,表明用優(yōu)化差分算子解波動方程不會增加額外的計算成本;而隨著空間差分階數(shù)的增大,計算成本也會增加;采用常規(guī)小網(wǎng)格做數(shù)值模擬,計算成本將急劇增加。

圖10 空間18階差分算子起伏界面模型正演模擬地震記錄(積分上限取值范圍d=0.12π,u=0.42π)

圖11 起伏界面模型數(shù)值模擬計算成本對比

3 結束語

在常規(guī)交錯網(wǎng)格差分系數(shù)優(yōu)化的基礎上,推導出可變交錯網(wǎng)格的優(yōu)化差分算子系數(shù),既保證了變網(wǎng)格的計算效率,又能進一步壓制數(shù)值頻散,便于波場特征分析。通過對變網(wǎng)格過渡區(qū)域優(yōu)化差分系數(shù)的求取和采用優(yōu)化系數(shù)進行數(shù)值模擬,并將模擬結果與Taylor級數(shù)展開法的模擬結果對比,可以得到以下認識。

1) 可變交錯網(wǎng)格差分算子的精度取決于差分系數(shù)和差分階數(shù),提高差分階數(shù)能壓制數(shù)值頻散,但也導致計算成本增加。與基于Taylor級數(shù)展開的可變交錯網(wǎng)格差分算子相比,基于最小二乘理論的可變交錯網(wǎng)格優(yōu)化差分算子在不增加計算量的情況下能有效地壓制數(shù)值頻散。

2) 可變交錯網(wǎng)格優(yōu)化差分算子的長度不同時,對應的積分上限取值范圍u值也不同。相同算子長度下,不同的大小網(wǎng)格步長比l對應的積分上限取值范圍d值也不同,一般來說,當差分算子長度相同時,l越大,d越小。

此外,由于時間步長未采用可變算法,為進一步提高可變交錯網(wǎng)格優(yōu)化差分系數(shù)法數(shù)值模擬的穩(wěn)定性,可以采用變空間步長和變時間步長相結合的方法。

參 考 文 獻

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附錄A 可變交錯網(wǎng)格過渡帶差分系數(shù)

表A-2 大小網(wǎng)格步長比l=5的可變交錯網(wǎng)格差分系數(shù)(d=0.12π,u=0.4π)

表A-3 大小網(wǎng)格步長比l=9的可變交錯網(wǎng)格差分系數(shù)(d=0.07π,u=0.4π)

表A-4 大小網(wǎng)格步長比l=15的可變交錯網(wǎng)格差分系數(shù)(d=0.05π,u=0.4π)