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基于随机增强量子粒子群算法的弹性波数值模拟

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Applied Geophysics 2024年第1期21卷 80-92,204页

作者：朱孟权刘洪王之洋李幼铭 Yu Du-li 北京化工大学信息科学与技术学院中国科学院地质与地球物理研究所油气资源研究院重点实验室中国科学院大学

在本文中,我们提出了一种随机增强量子粒子群优化算法,并基于该随机增强量子粒子群算法提出了一种新的有限差分格式。随机增强量子粒子群优化算法具有明显的收敛速度优势,可以在第200代内收敛。在相同条件下,未改进的量子粒子群算法的... 详细信息

在本文中,我们提出了一种随机增强量子粒子群优化算法,并基于该随机增强量子粒子群算法提出了一种新的有限差分格式。随机增强量子粒子群优化算法具有明显的收敛速度优势,可以在第200代内收敛。在相同条件下,未改进的量子粒子群算法的收敛速度远低于随机增强量子粒子群算法。数值频散分析表明,基于随机增强量子粒子群算法的优化有限差分格式具有更大的频谱覆盖范围并将精度误差控制在了有效范围之内,这意味着随机增强量子粒子群算法具有更好的搜索全局精确解的能力。最后,采用基于随机增强量子粒子群算法的优化有限差分格式对弹性波动方程进行数值模拟。数值模拟结果表明,基于随机增强量子粒子群算法的优化有限差分格式能有效压制数值频散。

关键词：有限差分量子粒子群算法多参数优化

高铁列车通过高架桥桩基础激发地震波响应分析

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地球物理学报 2022年第7期65卷 2622-2635页

作者：王之洋陈朝蒲白文磊李幼铭北京化工大学信息科学与技术学院北京100029 中国科学院地质与地球物理研究所中国科学院油气资源研究重点实验室北京100029 非对称性弹性波动方程联合研究组北京100029 高铁地震学联合研究组北京100029

当高铁列车行驶通过高架桥时,其激发和传播地震波的机制与行驶在地面上时的高铁列车是不同的,同时,高铁地震波的波传播机制也因地面条件而异.本文结合前期工作,研究高铁列车行驶通过高架桥(高架桥系统)时高铁地震波的激发机制,给出改进... 详细信息

当高铁列车行驶通过高架桥时,其激发和传播地震波的机制与行驶在地面上时的高铁列车是不同的,同时,高铁地震波的波传播机制也因地面条件而异.本文结合前期工作,研究高铁列车行驶通过高架桥(高架桥系统)时高铁地震波的激发机制,给出改进的震源时间函数,并对非对称性弹性波动方程下的合成高铁地震记录的响应特征和影响因素进行研究,以更好地利用高铁列车这一可重复的移动震源进行浅层地质构造成像和反演以及开展工程防护研究.本文应用非对称性弹性波动方程进行高铁地震波数值模拟,结合高铁实际数据,研究分析高铁列车运行速度,地层微孔缝隙特征尺度参数,检波器位置,震源类型,深度衰减系数等多种因素对合成高铁地震记录的影响,给出以下结论:(1)高铁列车运行速度的增大将使得合成地震记录的持续时间减小,振幅能量增强,同时幅频响应的能量逐渐集中在3 Hz、10 Hz和30 Hz附近.(2)地层微孔缝隙特征尺度参数的增大将使得合成地震记录出现衰减,且主要影响20 Hz以上的频率成分.(3)岩土介质对高铁地震波传播的影响显著.(4)高铁地震波以“分级点火”的形式激发,使用Ricker子波作为震源所得的合成地震记录与实际数据匹配较好.(5)随着震源衰减的增大,将使得合成地震记录出现全频带的衰减.

关键词：高铁列车高铁地震波数值模拟非对称性弹性波动方程响应分析

二阶应变梯度波场效应的高阶有限差分模拟优化

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Applied Geophysics 2023年第3期20卷 278-290,349页

作者：胡仔豪冯海新周之淳李幼铭王之洋北京化工大学信息科学与技术学院北京100029 中国电子科技集团公司第三研究所北京100015 北京航空航天大学北京100191 中国科学院地质与地球物理研究所北京100029

二阶应变梯度波动方程依托的公理体系是广义连续介质力学理论,其通过引入位移的二阶空间导数项,丰富了经典连续介质力学理论的内容,并同时通过附加的介质特征尺度参数以反映介质内的微结构特性,弥合微观模型和经典连续介质力学之间的差... 详细信息

二阶应变梯度波动方程依托的公理体系是广义连续介质力学理论,其通过引入位移的二阶空间导数项,丰富了经典连续介质力学理论的内容,并同时通过附加的介质特征尺度参数以反映介质内的微结构特性,弥合微观模型和经典连续介质力学之间的差距。王之洋等人从非局部理论出发,推导单参数二阶应变梯度理论的本构方程,进而结合几何方程和运动微分方程,给出二阶应变梯度非对称弹性波动方程的数学表达式,二阶应变梯度理论可以反映以介质平均颗粒直径l为邻域的内部更小尺度的地震波传播尺度效应。考虑到较小的空间尺度效应较弱,差分算子逼近微分算子时产生的数值频散会抑制尺度效应。因此,为了更好地描述和分析尺度效应,需要对有限差分算子进行优化。本文提出了一种改进的BWOA算法来得到优化的有限差分系数,并基于二阶应变梯度理论进行了弹性波数值模拟。数值模拟分析表明,数值频散得到了很好的压制,从地震记录中可以明显地观察和提取较小的空间尺度效应。

关键词：二阶应变梯度数值模拟 BWOA算法非对称弹性波动方程

基于改进BSO算法的非对称性弹性波动方程数值模拟

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Applied Geophysics 2023年第4期20卷 397-410,669页

作者：张成方冯海新周之淳白文磊王之洋北京化工大学信息科学与技术学院北京 Third Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation BeijingChina 中国科学院地质与地球物理研究所油气资源研究重点实验室北京中国科学院大学北京北京航空航天大学能源与动力工程学院北京

随着地震学研究的不断深入,介质微观结构相互作用引起的非均质性对地震波传播的影响受到越来越多的关注。Wang等(2020)提出在广义连续介质力学理论的框架内来描述介质的复杂微观结构,并推导出了包含介质特征尺度参数的非对称性弹性波动... 详细信息

随着地震学研究的不断深入,介质微观结构相互作用引起的非均质性对地震波传播的影响受到越来越多的关注。Wang等(2020)提出在广义连续介质力学理论的框架内来描述介质的复杂微观结构,并推导出了包含介质特征尺度参数的非对称性弹性波动方程。此外,在考虑到介质的微观结构相互作用时,地震波传播中会出现尺度效应。本工作为了更好地分析波场的尺度效应并提取微结构相互作用引起的波场新分量,我们提出了一种基于改进的BSO算法来得到优化的常规网格有限差分方法,然后利用优化后的有限差分方法对考虑了介质微观结构的非对称性弹性波动方程进行数值模拟。数值频散分析表明,优化后的常规网格有限差分方法具有较高的精度。根据使用优化后的有限差分方法得到的数值模拟结果,可以清楚地观察到,在考虑介质的微观结构时,地震记录中出现了新的波场成分表现出了明显的尺度效应。

关键词：数值模拟 BSO算法非对称性弹性波动方程

基于高铁震源简化桥墩模型激发地震波的数值模拟

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地球物理学报 2020年第12期63卷 4473-4484页

作者：王之洋李幼铭白文磊北京化工大学北京100029 中国科学院地质与地球物理研究所中国科学院油气资源研究院重点实验室北京100029 高铁地震学联合研究组北京100029

高铁列车运行过程中绝大部分时间都是行驶在高架桥上的,高铁列车经过桥梁时,通过与大地耦合的桥墩激发地震波发震过程和平地不完全一样.本文探索高铁列车行驶经过高架桥桥墩,通过桥墩对地下介质激发地震波的机理及过程.为了便于理论分析... 详细信息

高铁列车运行过程中绝大部分时间都是行驶在高架桥上的,高铁列车经过桥梁时,通过与大地耦合的桥墩激发地震波发震过程和平地不完全一样.本文探索高铁列车行驶经过高架桥桥墩,通过桥墩对地下介质激发地震波的机理及过程.为了便于理论分析,文中将高铁列车简化为在高架桥上沿一个方向运动的移动线源,通过每节车厢前后组轮对,对每一个桥墩施加力的作用,而桥墩插入地面几十米深至围岩,与表层土壤和深层围岩双重耦合,由此给出高铁列车通过桥墩激发地震波的震源时间函数.同时,基于广义连续介质力学框架下的修正偶应力理论,推导包含介质特征尺度的弹性波动方程,并应用此弹性波动方程以及构建的高铁震源时间函数,采用优化的交错网格有限差分算法,实现数值模拟,将合成的地震记录与实际地震记录对比分析,其结论将为进一步的基于高铁震源的成像和反演研究提供理论依据.

关键词：桥墩模型高铁震源数值模拟修正偶应力理论

弹性波传播中由微结构相互作用导致的尺度效应分析

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地球物理学报 2021年第9期64卷 3257-3269页

作者：王之洋李幼铭白文磊北京化工大学北京100029 中国科学院地质与地球物理研究所中国科学院油气资源研究院重点实验室北京100029 非对称性弹性波动方程联合研究组北京100029 高铁地震学联合研究组北京100029

相比于传统弹性波动方程,非对称弹性波动方程增加的独立自由项,包含有介质特征尺度参数.基于非对称弹性波动方程,可以分析弹性波传播中,由介质内微孔缝隙结构相互作用所导致的地震波传播尺度效应.本文从介质应变能密度函数出发,并结合... 详细信息

相比于传统弹性波动方程,非对称弹性波动方程增加的独立自由项,包含有介质特征尺度参数.基于非对称弹性波动方程,可以分析弹性波传播中,由介质内微孔缝隙结构相互作用所导致的地震波传播尺度效应.本文从介质应变能密度函数出发,并结合几何方程和平衡方程,给出修正偶应力理论下的非对称弹性波动方程以及对应的非对称SH型横波波动方程的数学表达式,并在三层煤层模型上进行数值模拟,将检波器分别设置在地表和煤层中线,通过改变介质特征尺度参数值,合成地震记录,研究分析弹性波传播中,由介质内微孔缝隙结构相互作用所导致的尺度效应,对地震记录的影响及规律,并得出以下结论和认识:(1)非对称弹性波动方程模拟的弹性波传播表现出明显的尺度效应;(2)地震记录需要考虑介质内部多尺度的微孔缝隙相互作用的影响.

关键词：非对称地震学弹性波尺度效应数值模拟

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求解弹性波解耦方程的一种优化拟解析方法

地球物理学报 2017年第9期60卷 3555-3573页

作者：冯海新严君刘洪孙军王之洋中国科学院地质与地球物理研究所中国科学院油气资源研究重点实验室北京100029 中国科学院大学北京100049 苏黎世联邦理工学院唐山学院河北唐山063020

常规伪谱方法二阶时间差分格式时间精度较低,且对于大步长时间采样间隔,常规伪谱方法不稳定.拟解析方法对于速度变化剧烈的模型,在时间和空间上均有较大误差.本文提出了一种基于解耦的二阶位移弹性波方程波场模拟及矢量波场分解的优化... 详细信息

常规伪谱方法二阶时间差分格式时间精度较低,且对于大步长时间采样间隔,常规伪谱方法不稳定.拟解析方法对于速度变化剧烈的模型,在时间和空间上均有较大误差.本文提出了一种基于解耦的二阶位移弹性波方程波场模拟及矢量波场分解的优化拟解析方法,将归一化的拟拉普拉斯算子分别应用于P波和S波波场延拓,延拓矢量波场的同时,可分解并延拓纯纵波和纯横波波场.利用弹性波优化拟微分算子表示拟拉普拉斯算子,该拟微分算子不仅包括原始微分算子的谱估计,而且还包含一个时间补偿项,其可在波数-空间域精确地补偿波动方程在时间方向上采用二阶有限差分引起的误差.利用低秩分解近似求解弹性波优化拟微分算子,可有效提高计算效率.2D均匀模型、层状模型以及部分盐丘模型数值正演模拟结果表明:相比较于常规的伪谱法和拟解析法,本文方法在时间和空间上均有很高的精度,并且稳定性条件比较宽松.

关键词：二阶时间差分格式弹性波方程矢量波场分解低秩分解优化拟解析法

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偶应力理论框架下的弹性波数值模拟与分析

地球物理学报 2021年第5期64卷 1721-1732页

作者：王之洋李幼铭白文磊北京化工大学信息科学与技术学院北京100029 中国科学院地质与地球物理研究所中国科学院油气资源研究重点实验室北京100029 非对称性弹性波动方程联合研究组北京100029 高铁地震学联合研究组北京100029

在经典地震学理论框架下,先人发展了数不胜数的地震技术,为社会发展做出了巨大贡献;可是,当前的技术仍有难以逾越的障碍,亟需破局.高铁地震学联合研究组,在河北定兴采集到大量数据;其中可见含有大量的旋转运动分量.由于基于经典连续介... 详细信息

在经典地震学理论框架下,先人发展了数不胜数的地震技术,为社会发展做出了巨大贡献;可是,当前的技术仍有难以逾越的障碍,亟需破局.高铁地震学联合研究组,在河北定兴采集到大量数据;其中可见含有大量的旋转运动分量.由于基于经典连续介质力学推导弹性波动方程时,从理论出发点上就去除了旋转项,且在其理论框架内,介质被视为一个连续的质量体.而事实上,不论是人造还是天然的介质都存在着复杂的内部结构,广义连续介质力学更适合描述具有更加复杂内部结构的情况.于是,我们尝试启用广义连续介质力学理论,推导偶应力理论框架下的弹性波动方程;将其数学表达形式以及数值模拟结果与传统弹性波动方程进行对比.研究探索推导的具非对称性的波动方程所具有的理论意义和应用价值.

关键词：非对称地震学偶应力理论弹性波动方程数值模拟

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基于二阶应变梯度理论的弹性波数值模拟

地球物理学报 2021年第7期64卷 2494-2503页

作者：王之洋李幼铭陈朝蒲白文磊北京化工大学信息科学与技术学院北京100029 中国科学院地质与地球物理研究所中国科学院油气资源研究重点实验室北京100029 高铁地震学联合研究组北京100029 非对称性弹性波动方程联合研究组北京100029

介质微结构相互作用会使介质存在不均匀性,而这种不均匀性,则会引发新的响应.当位移场/旋转场存在强烈空间/时间变化时,这种由介质微结构相互作用所导致的不均匀性会愈加明显.应变梯度通过在应变能密度函数中引入应变的一阶或者高阶导数... 详细信息

介质微结构相互作用会使介质存在不均匀性,而这种不均匀性,则会引发新的响应.当位移场/旋转场存在强烈空间/时间变化时,这种由介质微结构相互作用所导致的不均匀性会愈加明显.应变梯度通过在应变能密度函数中引入应变的一阶或者高阶导数,以描述这种由介质微结构相互作用导致的不均匀性,由于引入高阶导数,应变梯度理论可以描述更小尺度的微结构相互作用,但是其存在计算量大以及物理解释困难等问题.单参数二阶应变梯度理论作为应变梯度理论的一种特例或者简化版本,将二阶应变梯度视为对应变能密度函数的附加影响.本文从非局部理论出发,推导单参数二阶应变梯度理论的本构方程,进而结合几何方程和运动微分方程,给出非对称弹性波动方程的数学表达式.并应用该非对称弹性波动方程在各向同性均匀介质模型和Marmousi模型上进行数值模拟,合成地震记录.将该地震记录与传统弹性波动方程所生成的合成地震记录进行对比,研究分析应用二阶应变梯度描述介质微结构相互作用对地震记录的影响规律,给出以下结论:(1)基于单参数二阶应变梯度理论的非对称弹性波动方程所描述的位移扰动对纵波和横波的传播都产生了影响,且对横波的影响较大;(2)介质更小尺度的微结构相互作用可以在地震记录中被反映出来,我们需要考虑其对地震波传播的影响.

关键词：非对称地震学应变梯度理论非局部理论弹性波动方程数值模拟