一种地震波场数值模拟方法及装置与流程

本申请涉及地震勘探技术领域，特别涉及一种地震波场数值模拟方法及装置。

背景技术：

地震波场数值模拟，是根据已知的地层介质结构和相应的物理参数，模拟计算地震波在地下各种介质中的传播规律，并计算在地面或地下各观测点所观测到的地震波场参数数值。地震波场数值模拟，不仅是研究复杂地区地震资料采集、处理和解释的有效辅助手段，也是地震反演的基础。

现有技术中，常用的地震波场数值模拟方法，是以波动方程描述地震波在地层介质中的传播情况，通过求解波动方程，得到地震波场参数数值。在求解波动方程的过程中，通常需要将波动方程离散化，将波动方程转化为代数方程进行求解。但是，利用上述方法计算波场参数数值时，往往会受到波动方程的限制，波动方程的假设条件与实际情况存在偏差。这样就会导致模拟得到的波场模型与真实波场存在较大偏差，进而导致求得的地震波场参数数值与真实值存在较大的偏差。

现有技术中至少存在如下问题：计算波场参数数值时，往往会受到波动方程的限制，波动方程的假设条件与实际情况存在偏差。会导致模拟得到的波场模型与真实波场存在较大偏差，进而导致求得的地震波场参数数值与真实值存在较大的偏差。

技术实现要素：

本申请实施例的目的是提供一种地震波场数值模拟方法及装置，以避免波动方程的限制，提高地震波场参数的计算精度。

本申请实施例提供的一种地震波场数值模拟方法是这样实现的：

一种地震波场数值模拟方法，所述方法包括：

建立待模拟区域的几何模型，在所述几何模型中建立空间网格；

根据所述待模拟区域的地质结构，建立所述待模拟区域的离散模型；

建立离散格子玻尔兹曼方程，根据所述离散模型建立离散迭代格式；

对所述离散模型中各个预设方向的地震波场参数赋初值；

根据所述离散迭代格式，利用所述离散格子玻尔兹曼方程，迭代更新计算得到预设时刻所述空间网格中各网格点的地震波场参数数值。

优选实施例中，所述离散格子玻尔兹曼方程的建立方式包括：

通过对纳维叶-斯托克斯方程进行单松弛因子格简化处理，得到所述离散格子玻尔兹曼方程。

优选实施例中，所述离散格子玻尔兹曼方程包括：

式中，f_i(x，t)表示x位置、t时刻、i方向的粒子数密度；

f_i^(eq)(x，t)表示x位置、t时刻、i方向的平衡态粒子数密度；

τ表示松弛因子；

c_i表示i方向的离散速度。

优选实施例中，所述平衡态粒子数密度的计算方式包括：

利用平衡态粒子数分布函数，计算得到所述平衡态粒子数密度。

优选实施例中，所述平衡态粒子数分布函数的函数表达式包括：

式中，ρ表示粒子数密度；

c_s表示声速；

c_i表示i方向的离散速度；

u表示粒子振动速度；

w_i表示i方向的权系数。

优选实施例中，所述i方向的离散速度的取值方式包括：

根据所述离散迭代格式，确定出所述i方向的离散速度的数值。

优选实施例中，所述i方向的权系数的取值方式包括：

根据所述离散迭代格式，确定出所述i方向的权系数的数值。

优选实施例中，所述地震波场参数至少包括：

压力、粒子振动速度。

一种地震波场数值模拟装置，所述装置包括：

几何模型建立模块，用于建立待模拟区域的几何模型，在所述几何模型中建立空间网格；

离散模型建立模块，用于根据所述待模拟区域的地质结构，建立所述待模拟区域的离散模型；

方程建立模块，用于建立离散格子玻尔兹曼方程；

离散迭代格式建立模块，用于根据所述离散模型建立离散迭代格式；

初始化模块，用于对所述离散模型中各个预设方向的地震波场参数赋初值；

数值计算模块，用于根据所述离散迭代格式，利用所述离散格子玻尔兹曼方程，迭代更新计算得到预设时刻所述空间网格中各网格点的地震波场参数数值。

优选实施例中，所述装置还包括：

数据记录模块，用于记录并存储所述预设时刻所述空间网格中各网格点的地震波场参数数值。

利用本申请实施例提供的一种地震波场数值模拟方法，可以通过模拟微观粒子的运动及其相互作用，模拟宏观的地震波动的演化过程，并迭代更新计算出每个预设采样时刻所述空间网格中各网格点的地震波场参数数值。由于所述微观粒子的运动及相互作用情况不受波动方程限制，因此根据离散格子玻尔兹曼方程模拟出的地震波动更接近实际的地震波动，计算出的地震波场参数数值的精度也更高，有效提高了地震波场数值模拟的准确度。利用本申请实施例提供的一种地震波场数值模拟装置，可以自动执行所述方法的各个步骤，可以直接计算得到预设采样时刻所述空间网格中各网格点的地震波场参数数值，还可以记录并存储所述数值。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请一个实施例提供的一种地震波场数值模拟方法的方法流程图；

图2是本申请一个实施例提供的一种地震波场数值模拟装置的模块结构示意图；

图3是本申请另一个实施例提供的一种地震波场数值模拟装置的模块结构示意图；

图4(a)是本申请一个实施例中采用的D2Q9模型的模型示意图；

图4(b)是本申请一个实施例中采用的D3Q19模型的模型示意图；

图5是本申请一个实例中的二维地堑模型的示意图；

图6(a)、图6(b)、图6(c)是本申请一个实例中得到的波场切片；

图7(a)、图7(b)、图7(c)、图7(d)是本申请另一个实例中得到的波场快照。

具体实施方式

本申请实施例提供一种地震波场数值模拟方法及装置。

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

图1是本申请所述一种地震波场数值模拟方法一种实施例的方法流程图。虽然本申请提供了如下述实施例或附图所示的方法操作步骤或装置结构，但基于常规或者无需创造性的劳动在所述方法或装置中可以包括更多或者更少的操作步骤或模块单元。在逻辑性上不存在必要因果关系的步骤或结构中，这些步骤的执行顺序或装置的模块结构不限于本申请实施例或附图所示的执行顺序或模块结构。所述的方法或模块结构的在实际中的装置或终端产品应用时，可以按照实施例或者附图所示的方法或模块结构进行顺序执行或者并行执行(例如并行处理器或者多线程处理的环境、甚至包括分布式处理的实施环境)。

具体的如图1所述，本申请提供的一种地震波场数值模拟方法的一种实施例可以包括：

S1：建立待模拟区域的几何模型，在所述几何模型中建立空间网格。

本申请实施例中，所述几何模型，具体的形状及尺寸不必限定，实施人员可以根据所述待模拟区域的实际情况自行决定。

本申请实施例中，所述空间网格中网格的形状不必限定，各个方向上的网格点之间的距离不必限定，实施人员可以根据实际作业条件及精度需求自行选择。

本申请一个实施例中，所述几何模型可以包括边长为401米的正方形，对应的所述正方形中的网格可以是边长为1米的小正方形。

本申请另一个实施例中，所述几何模型可以包括边长为125米的正方体，对应的所述正方体中的网格可以是边长为1米的小正方体。

当然，在本申请其他实施例中，所述几何模型可以是二维的也可以是三维的，所述空间网格可以是二维的也可以是三维的，所述几何模型中的空间网格可以是正方形或者立方体，也可以是三角形、正四面体等其他可选择的形状。具体的，几何模型以及空间网格的形状及尺寸可以由实施人员根据实际情况自行决定。

S2：根据所述待模拟区域的地质结构，建立所述待模拟区域的离散模型。

所述离散模型主要采用离散格子玻尔兹曼模型，包括DdQq模型，所述DdQq模型表示d维空间q个离散速度的离散格子玻尔兹曼模型。

本申请一个实施例中，对于二维的波场模拟问题，采用D2Q9模型，具体的模型示意图如图4(a)所示，其中，编号为0的圆圈表示初始的离散速度，方向编号分别为1、2、3……8的箭头分别代表8个离散速度方向。

本申请另一个实施例中，对于三维的波场模拟问题，采用D3Q19模型，具体的模型示意图如图4(b)所示，其中，编号为0的圆圈代表初始的离散速度，方向编号分别为1、2、3……18的箭头代表18个离散速度方向。

当然，在本申请其他实施例中，也可以选择其他的离散格子玻尔兹曼模型，比如D2Q7模型、D3Q15模型等。

S3：建立离散格子玻尔兹曼方程，根据所述离散模型建立离散迭代格式。

所述离散格子玻尔兹曼方程的建立，本申请一个实施例中，通过对纳维叶-斯托克斯方程进行单松弛因子格子简化处理，得到所述离散格子玻尔兹曼方程。

所述离散迭代格式，一般指的是与离散模型对应的迭代计算的模版，通过建立离散迭代格式，可以确定相关参数的取值，比如离散速度、权系数等。

比如，D2Q9模型对应的离散迭代格式，采用的离散速度可取值为：

D3Q19模型对应的离散迭代格式，采用的离散速度可取值为：

D2Q9模型对应的离散迭代格式，权系数取值为：

D3Q19模型对应的离散迭代格式，权系数取值为：

S4：对所述离散模型中各个预设方向的地震波场参数赋初值。

所述赋初值，就是设定迭代更新计算的初始值，所述初值的确定可以由实施人员根据实际情形确定，比如根据震源处的震动速度确定速度的初值。

S5：根据所述离散迭代格式，利用所述离散格子玻尔兹曼方程，迭代更新计算得到预设采样时刻所述空间网格中各网格点的地震波场参数数值。

所述预设采样时刻，可以由实施人员根据实际情况自行选择，比如，本申请一个实施例中，所述采样时刻之间的间隔确定为0.5毫秒。本申请其他实施例中，所述采样时刻之间的间隔也可以选择1毫秒、0.2毫秒等。

所述地震波场参数至少可以包括压力、粒子振动速度。

其中，压力和粒子数密度直接相关，粒子振动速度对应宏观的波场速度。

本申请一个实例中，对二维地堑模型进行地震波场数值模拟，所述二维地堑模型的示意图如图5所示，其中，Depth(m)表示深度，单位是米。Velocity表示速度。Distance(m)表示距离，单位是米。V_p表示纵波速度。

所述地堑模型上层和下层纵波速度分别为1155m/s与2310m/s。本实例中，采用的时间采样间隔为0.5毫秒，x轴方向和z轴方向的空间采样间隔为1.0米。

对应的，采用为D2Q9模型，进行地震波场数值模拟，得到的波场切片图如图6(a)、图6(b)、图6(c)所示，所述三幅图中，图6(a)中LBM-P表示图6(a)对应的是压力的模拟结果，图6(b)中LBM-Vx表示图6(b)对应的是x轴方向上速度的模拟结果，图6(c)中LBM-Vz表示图6(b)对应的是z轴方向上波场速度的模拟结果。

上述三幅图中，Depth(m)表示深度，单位是米。Distance(m)表示距离，单位是米。Amplitude表示振幅。

所示的波场切片与实际波场吻合度较高，说明本申请所述方法有效提高了地震波场数值模拟的精度。

本申请另一个实例中，对三维均匀介质模型进行地震波场数值模拟，模拟过程中，采用的时间采样间隔为0.5毫秒，空间网格各方向边长均为1.0米，采用125×125×125的空间离散网格，模拟过程中离散模型采用D3Q19模型。

图7(a)、图7(b)、图7(c)、图7(d)是本实例中利用本申请所述方法进行地震波场数值模拟后，得到的波场快照。其中，图7(a)对应的是压力的波场快照(Snapshot of P)，图7(b)对应的是x轴方向速度的波场快照(Snapshot of Vx)，图7(c)对应的是y轴方向速度的波场快照(Snapshot of Vy)，图7(c)对应的是z轴方向速度的波场快照(Snapshot of Vz)。上述四幅图中，Normalized Amplitude均表示归一化振幅。

本例中模拟得到的波场数值与实际值吻合度较高，说明本申请所述方法有效提高了地震波场数值模拟的精度。

利用上述各实施例提供的一种地震波场数值模拟的实施方式，可以通过模拟微观粒子的运动及其相互作用，模拟宏观的地震波动的演化过程，并迭代更新计算出每个预设采样时刻所述空间网格中各网格点的地震波场参数数值。由于所述微观粒子的运动及相互作用情况不受波动方程限制，因此根据离散格子玻尔兹曼方程模拟出的地震波动更接近实际的地震波动，计算出的地震波场参数数值的精度也更高，因此，可以有效提高地震波场数值模拟的准确度。

本申请另一个实施例中，所述离散格子玻尔兹曼方程可以包括：

式中，f_i(x，t)表示x位置、t时刻、i方向的粒子数密度；

f_i^(eq)(x，t)表示x位置、t时刻、i方向的平衡态粒子数密度；

τ表示松弛因子；

c_i表示i方向的离散速度。

在低马赫数情况下，对于上述的D2Q9模型或者D3Q19模型离散格式，具有BGK算子的离散格子玻尔兹曼模型能够获得与可压缩纳维叶-斯托克斯方程一致的效果，且其对应的运动剪切粘度v与体积粘度v′与松弛时间τ以及声速c_s的关系表达式如下：

本申请又一个实施例中，所述平衡态粒子数密度的计算方式可以包括：

利用平衡态粒子数分布函数，计算得到所述平衡态粒子数密度。

本申请再一个实施例中，所述平衡态粒子数分布函数的函数表达式可以包括：

在平衡态时，所述粒子振动速度和粒子数密度应满足以下关系式：

式中，ρ表示粒子数密度；

c_s表示声速；

c_i表示i方向的离散速度；

u表示粒子振动速度；

w_i表示i方向的权系数。

利用上述各实施例提供的一种地震波场数值模拟的实施方式，可以通过模拟微观粒子的运动及其相互作用，模拟宏观的地震波动的演化过程，并迭代更新计算出每个预设采样时刻所述空间网格中各网格点的地震波场参数数值。由于所述微观粒子的运动及相互作用情况不受波动方程限制，因此根据离散格子玻尔兹曼方程模拟出的地震波动更接近实际的地震波动，计算出的地震波场参数数值的精度也更高，因此，可以有效提高地震波场数值模拟的准确度。

基于本申请所述的一种地震波场数值模拟方法，本申请提供一种地震波场数值模拟装置，所述装置可以集成在地震正演模拟的功能组件中，进行地震波场数值模拟。图2是本申请一个实施例中提供的地震波场数值模拟装置的模块结构示意图。具体的，如图2所示，所述装置可以包括：

几何模型建立模块101，可以用于建立待模拟区域的几何模型，在所述几何模型中建立空间网格。

离散模型建立模块102，可以用于根据所述待模拟区域的地质结构，建立所述待模拟区域的离散模型。

方程建立模块103，可以用于建立离散格子玻尔兹曼方程。

离散迭代格式建立模块104，可以用于根据所述离散模型建立离散迭代格式。

初始化模块105，可以用于对所述离散模型中各个预设方向的地震波场参数赋初值。

数值计算模块106，可以用于根据所述离散迭代格式，利用所述离散格子玻尔兹曼方程，迭代更新计算得到预设采样时刻所述空间网格中各网格点的地震波场参数数值。

利用上述实施例提供的一种地震波场数值模拟装置，可以自动执行所述方法的各个步骤，可以直接计算得到预设采样时刻所述空间网格中各网格点的地震波场参数数值。

图3是本申请另一个实施例中提供的地震波场数值模拟装置的模块结构示意图。具体的，如图3所示，所述装置可以包括：

几何模型建立模块101，可以用于建立待模拟区域的几何模型，在所述几何模型中建立空间网格。

离散模型建立模块102，可以用于根据所述待模拟区域的地质结构，建立所述待模拟区域的离散模型。

方程建立模块103，可以用于建立离散格子玻尔兹曼方程。

离散迭代格式建立模块104，可以用于根据所述离散模型建立离散迭代格式。

初始化模块105，可以用于对所述离散模型中各个预设方向的地震波场参数赋初值。

数值计算模块106，可以用于根据所述离散迭代格式，利用所述离散格子玻尔兹曼方程，迭代更新计算得到预设采样时刻所述空间网格中各网格点的地震波场参数数值。

数据记录模块107，可以用于记录并存储所述预设时刻所述空间网格中各网格点的地震波场参数数值。

利用上述实施例提供的一种地震波场数值模拟装置，可以自动执行所述方法的各个步骤，可以直接计算得到预设采样时刻所述空间网格中各网格点的地震波场参数数值，还可以记录并存储所述数值。

所述地震波场数值模拟装置中，所述建立待模拟区域的几何模型、在所述几何模型中建立空间网格、建立待模拟区域的离散模型、建立离散迭代格式到迭代更新计算得到预设采样时刻所述空间网格中各网格点的地震波场参数数值的实施方式的扩展可以参照前述方法的相关描述。

尽管本申请内容中提到不同的地震波场数值模拟处理方式，从建立待模拟区域的几何模型、在所述几何模型中建立空间网格、建立待模拟区域的离散模型、建立离散迭代格式到迭代更新计算得到预设采样时刻所述空间网格中各网格点的地震波场参数数值的各种时序方式、数据获取/处理/输出方式等的描述，但是，本申请并不局限于必须是行业标准或实施例所描述的情况等，某些行业标准或者使用自定义方式或实施例描述的实施基础上略加修改后的实施方案也可以实现上述实施例相同、等同或相近、或变形后可预料的实施效果。应用这些修改或变形后的数据获取、处理、输出、判断方式等的实施例，仍然可以属于本申请的可选实施方案范围之内。

虽然本申请提供了如实施例或流程图所述的方法操作步骤，但基于常规或者无创造性的手段可以包括更多或者更少的操作步骤。实施例中列举的步骤顺序仅仅为众多步骤执行顺序中的一种方式，不代表唯一的执行顺序。在实际中的装置或客户端产品执行时，可以按照实施例或者附图所示的方法顺序执行或者并行执行(例如并行处理器或者多线程处理的环境，甚至为分布式数据处理环境)。术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、产品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、产品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，并不排除在包括所述要素的过程、方法、产品或者设备中还存在另外的相同或等同要素。

上述实施例阐明的装置或模块等，具体可以由计算机芯片或实体实现，或者由具有某种功能的产品来实现。为了描述的方便，描述以上装置时以功能分为各种模块分别描述。当然，在实施本申请时可以把各模块的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现，也可以将实现同一功能的模块由多个子模块的组合实现等。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个模块或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。

本领域技术人员也知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现控制器以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得控制器以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器和嵌入微控制器等的形式来实现相同功能。因此这种控制器可以被认为是一种硬件部件，而对其内部包括的用于实现各种功能的装置也可以视为硬件部件内的结构。或者甚至，可以将用于实现各种功能的装置视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。

本申请可以在由计算机执行的计算机可执行指令的一般上下文中描述，例如程序模块。一般地，程序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构、类等等。也可以在分布式计算环境中实践本申请，在这些分布式计算环境中，由通过通信网络而被连接的远程处理设备来执行任务。在分布式计算环境中，程序模块可以位于包括存储设备在内的本地和远程计算机存储介质中。

通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本申请可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，移动终端，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

本说明书中的各个实施例采用递进的方式描述，各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。本申请可用于众多通用或专用的计算机系统环境或配置中。例如：个人计算机、服务器计算机、手持设备或便携式设备、平板型设备、多处理器系统、基于微处理器的系统、置顶盒、可编程的电子设备、网络PC、小型计算机、大型计算机、包括以上任何系统或设备的分布式计算环境等等。

虽然通过实施例描绘了本申请，本领域普通技术人员知道，本申请有许多变形和变化而不脱离本申请的精神，希望所附的权利要求包括这些变形和变化而不脱离本申请的精神。