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An efficient source wavefield reconstruction scheme using single boundary layer values for the spectral element method

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Earth and Planetary Physics 2019年第4期3卷 342-357页

作者： YouShan Liu Tao Xu YangHua Wang JiWen Teng José Badal HaiQiang Lan State Key Laboratory of Lithospheric Evolution Institute of Geology and Geophysics Chinese Academy of Sciences Beijing 100029 China Chinese Academy of Sciences Center for Excellence in Tibetan Plateau Earth Sciences Beijing 100101 China Department of Earth Science and Engineering Imperial College London SW7 2AZ UK Physics of the Earth Sciences-B University of Zaragoza Pedro Cerbuna 12 50009 Zaragoza Spain

In the adjoint-state method, the forward-propagated source wavefield and the backward-propagated receiver wavefield must be available simultaneously either for seismic imaging in migration or for gradient calculation in inversion. A feasible way to avoid the excessive storage demand is to reconstruct the source wavefield backward in time by storing the entire history of the wavefield in perfectly matched layers. In this paper, we make full use of the elementwise global property of the Laplace operator of the spectral element method (SEM) and propose an efficient source wavefield reconstruction method at the cost of storing the wavefield history only at single boundary layer nodes. Numerical experiments indicate that the accuracy of the proposed method is identical to that of the conventional method and is independent of the order of the Lagrange polynomials, the element type, and the temporal discretization method. In contrast, the memory-saving ratios of the conventional method versus our method is at least N when using either quadrilateral or hexahedron elements, respectively, where N is the order of the Lagrange polynomials used in the SEM. A higher memorysaving ratio is achieved with triangular elements versus quadrilaterals. The new method is applied to reverse time migration by considering the Marmousi model as a benchmark. Numerical results demonstrate that the method is able to provide the same result as the conventional method but with about 1/25 times lower storage demand. With the proposed wavefield reconstruction method, the storage demand is dramatically reduced;therefore, in-core memory storage is feasible even for large-scale three-dimensional adjoint inversion problems.

关键词： spectral element method source wavefield reconstruction single boundary layer memory-saving ratio adjoint method reverse time migration

Joint tomographic inversion of first-arrival and reflection traveltimes for recovering 2-D seismic velocity structure with an irregular free surface

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Earth and Planetary Physics 2018年第3期2卷 220-230页

作者： XinYan Zhang ZhiMing Bai Tao Xu Rui Gao QiuSheng Li Jue Hou José Badal Key Laboratory of Deep-Earth Dynamics of Ministry of Land and Resources Institute of GeologyChinese Academy of Geological SciencesBeijing 100037China State Key Laboratory of Lithospheric Evolution Institute of Geology and GeophysicsChinese Academy of SciencesBeijing 100029China CAS Center for Excellence in Tibetan Plateau Earth Sciences Beijing 100101China School of Earth Science and Engineering Sun Yat-sen UniversityGuangzhou 510275China Institute of Geophysics China Earthquake AdministrationBeijing 100081China Physics of the Earth Sciences BUniversity of ZaragozaSpain

Irregular surface flattening,which is based on a boundary conforming grid and the transformation between curvilinear and Cartesian coordinate systems,is a mathematical method that can elegantly handle irregular surfaces,but has been limited to obtaining first arrivals *** combining a multistage scheme with the fast-sweeping method(FSM,the method to obtain first-arrival traveltime in curvilinear coordinates),the reflected waves from a crustal interface can be traced in a topographic model,in which the reflected wavefront is obtained by reinitializing traveltimes in the interface for upwind branches.A local triangulation is applied to make a connection between velocity and interface *** a joint inversion of first-arrival and reflection traveltimes for imaging seismic velocity structures in complex terrains is *** examples all perform well with different seismic velocity *** increasing topographic complexity and even use of a high curvature reflector in these models demonstrate the reliability,accuracy and robustness of the new working scheme;checkerboard testing illustrates the method's high *** tolerance testing indicates the method's ability to yield practical traveltime *** development of the multistage scheme will allow other later arrivals to be traced and used in the traveltime inversion.

关键词： irregular surface flattening boundary conforming grid multistage scheme traveltime tomography

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短偏移距电磁探测技术概述

地球物理学报 2018年第1期61卷 1-8页

作者：何继善薛国强中南大学地球科学与信息物理学院长沙410083 中国科学院矿产资源研究重点实验室中国科学院地质与地球物理研究所北京100029 中国科学院大学北京100049

由于人工源电磁探测效果与收发距离有一定关系,本文首先分析了收发距离为零的中心回线源瞬变电磁法(Transient Electromagnetic Method,TEM)视电阻率定义和算法特点,回溯了从圆形回线到矩形的修正式中心回线装置的发展过程;概述了从中... 详细信息

由于人工源电磁探测效果与收发距离有一定关系,本文首先分析了收发距离为零的中心回线源瞬变电磁法(Transient Electromagnetic Method,TEM)视电阻率定义和算法特点,回溯了从圆形回线到矩形的修正式中心回线装置的发展过程;概述了从中心回线发展到接地导线源短偏移瞬变电磁(Short-Offset TEM,SOTEM)理论上的可行性;列举了将LOTEM(Long-Offset TEM)从数倍于探测深度的观测区推进到近源区后的探测实例.对于频率域人工源电磁法,介绍了起源于MT(Magneto-Telluric)的CSAMT(Controlled Source Audio-frequency MagnetoTelluric)与电磁频率测深法不同发展道路.电磁频率测深将观测区从远区推进到了中区;广域电磁法通过全区视电阻率新定义不仅提高了解释精度,而且将传统CSAMT远场观测模式推进到中区探测模式;最后指出,如能采用新的点微元假设计算方法,可有望分离自有场和辐射场,实现频域电磁近源探测.

关键词：近源电磁探测中心回线TEM 短偏移SOTEM 电磁频率测深广域电磁法

胶东地区晚中生代伸展构造与金成矿:短周期密集台阵背景噪声成像的启示

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地球物理学报 2020年第5期63卷 1878-1893页

作者：俞贵平徐涛刘俊彤艾印双中国科学院地质与地球物理研究所岩石圈演化国家重点实验室北京100029 中国科学院地质与地球物理研究所中国科学院地球与行星物理重点实验室北京100029 中国科学院大学北京100049 中国科学院青藏高原地球科学卓越创新中心北京100101

晚中生代以来,华北克拉通东部经历了以岩石圈减薄作用为主要特征的大规模岩石圈破坏.在此背景下,位于华北克拉通东部的胶东地区形成了大规模的伸展构造、广泛发育的花岗岩类侵入体和巨量的金矿化.为揭示胶东地区控矿构造在上地壳层次的... 详细信息

晚中生代以来,华北克拉通东部经历了以岩石圈减薄作用为主要特征的大规模岩石圈破坏.在此背景下,位于华北克拉通东部的胶东地区形成了大规模的伸展构造、广泛发育的花岗岩类侵入体和巨量的金矿化.为揭示胶东地区控矿构造在上地壳层次的发育特征及其与金成矿之间的联系,本文基于跨胶东半岛的NWW SEE向短周期密集地震台阵剖面,开展了背景噪声成像研究,获得了胶东地区8km以浅的上地壳S波速度结构,其主要特征为:(1)胶东地区沉积层较薄,基底平均深度为1~2km左右;(2)垂向速度梯度显示胶西北基底/浅层高速间断面错断特征显著,与主要拆离断层对应关系良好,且相对速度扰动显示沿主要拆离断层发育SE倾向的条带状低速异常;(3)牟乳成矿带下方S波速度具有横向分块特征,与五莲烟台等控矿断裂的陡倾特征吻合,且东部苏鲁造山带上地壳平均速度较胶西北地区明显偏高.综合本文成像结果及已有地质、地球物理资料,我们认为胶西北成矿带的控矿构造深部以大规模拆离断层为主要特征,而东部牟乳成矿带则以高角度的脆性(走滑)断裂为主,故控矿断裂构造的差异可能是胶东成矿区域性差异的主要控制因素.

关键词：胶东地区金成矿作用伸展构造短周期密集地震台阵背景噪声成像

阿坝—遂宁宽角地震剖面重建藏东缘龙门山地区地壳速度结构

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地球物理学报 2017年第6期60卷 2200-2212页

作者：张新彦高锐白志明徐涛李秋生中国地质科学院地质研究所国土资源部深部探测与地球动力学重点实验室北京100037 中山大学地球科学与工程学院广州510275 中国科学院地质与地球物理研究所岩石圈演化国家重点实验室北京100029 中国科学院青藏高原地球科学卓越创新中心北京100101

龙门山断裂带位于青藏高原东缘,在中生代和晚新生代经历强烈的构造变形,急剧抬升,是研究青藏高原隆升和扩展动力学过程的重要窗口.本文利用起伏地形下的高精度成像方法,对"阿坝一龙门山一遂宁"宽角反射/折射地震数据重新处理,通过走时... 详细信息

龙门山断裂带位于青藏高原东缘,在中生代和晚新生代经历强烈的构造变形,急剧抬升,是研究青藏高原隆升和扩展动力学过程的重要窗口.本文利用起伏地形下的高精度成像方法,对"阿坝一龙门山一遂宁"宽角反射/折射地震数据重新处理,通过走时反演重建研究区地壳速度结构.剖面自西向东跨越松潘一甘孜块体、龙门山断裂带和四川盆地,不同块体速度结构表现了显著的差异.松潘甘孜块体地表复理石沉积层内有高速岩体侵入,低速层低界面起伏不平反映了该区的逆冲推覆构造.中下地壳速度横向上连续变化,平均速度较低(约6.26 km·s^(-1)).四川盆地沉积层西厚东薄,并在西侧出现与挤压和剥蚀作用相关的压扭形态.中下地壳西薄东厚,平均速度较高(约6.39 km.s^(-1)).龙门山断裂带是地壳速度和厚度的陡变带,Moho面自西向东抬升约13 km.在整个剖面上Moho面表现为韧性挠曲,中下地壳横向上连续变化,推测古扬子块体已到达松潘甘孜块体下方.松潘甘孜块体下方中下地壳韧性变形,并在底部拖曳着被断裂切割的脆性上地壳,应力在不同断裂上积累和释放,诱发大量地震.

关键词：青藏高原龙门山断裂带深地震测深地壳速度结构

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起伏地形下的高精度反射波走时层析成像方法

地球物理学报 2017年第2期60卷 541-553页

作者：张新彦徐涛白志明高锐李秋生刘有山张智中国地质科学院地质研究所国土资源部深部探测与地球动力学重点实验室北京100037 中国科学院地质与地球物理研究所岩石圈演化国家重点实验室北京100029 中国科学院青藏高原地球科学卓越创新中心北京100101 桂林理工大学广西矿治与环境科学实验中心广西隐伏金属矿产勘查重点实验室广西桂林541004

全球造山带及中国大陆中西部普遍具有强烈起伏的地形条件.复杂地形条件下的地壳结构成像问题像一面旗帜引领了当前矿产资源勘探和地球动力学研究的一个重要方向.深地震测深记录中反射波的有效探测深度可达全地壳乃至上地幔顶部,而初至... 详细信息

全球造山带及中国大陆中西部普遍具有强烈起伏的地形条件.复杂地形条件下的地壳结构成像问题像一面旗帜引领了当前矿产资源勘探和地球动力学研究的一个重要方向.深地震测深记录中反射波的有效探测深度可达全地壳乃至上地幔顶部,而初至波通常仅能探测上地壳浅部.为克服和弥补初至波探测深度的不足,本文基于前人对复杂地形条件下初至波成像的已有研究成果,采用数学变换手段将笛卡尔坐标系的不规则模型映射到曲线坐标系的规则模型,并将快速扫描方法与分区多步技术相结合,发展了反射波走时计算和射线追踪的方法.进而利用反射波走时反演,实现起伏地形下高精度的速度结构成像,从而为起伏地形下利用反射波数据高精度重建全地壳速度结构提供了一种全新方案.数值算例从正演计算精度、反演中初始模型依赖性、反演精度、纵横向分辨率以及抗噪性等方面验证了算法的正确性和可靠性.

关键词：起伏地表贴体网格分区多步射线追踪走时层析成像

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三维复杂地壳结构非线性走时反演

地球物理学报 2017年第4期60卷 1398-1410页

作者：俞贵平徐涛张明辉白志明刘有山武澄泷滕吉文中国科学院地质与地球物理研究所岩石圈演化国家重点实验室北京100029 中国科学院大学北京100049 中国科学院青藏高原地球科学卓越创新中心北京100101

中国大陆中西部乃至全球造山带普遍具有复杂地壳结构.随着矿产资源勘探和深部探测研究的深入,探测造山带及盆山耦合区下方地壳精细结构正逐渐成为当前面临的巨大挑战.人工源深地震测深方法正越来越清晰地揭示出不同构造域地壳速度结构... 详细信息

中国大陆中西部乃至全球造山带普遍具有复杂地壳结构.随着矿产资源勘探和深部探测研究的深入,探测造山带及盆山耦合区下方地壳精细结构正逐渐成为当前面临的巨大挑战.人工源深地震测深方法正越来越清晰地揭示出不同构造域地壳速度结构的基本特征,然而传统的层状结构模型参数化方法难以准确描述复杂地质模型,通常情况下多忽略速度结构的精细间断面且采用层边界平滑处理,难以满足地壳精细结构成像的发展要求.针对上述困难,本文采用最近发展的块状结构建模方案构建三维复杂地壳模型,基于逐段迭代射线追踪正演走时计算方法,推导了走时对三角形界面深度以及网格速度的偏导数,开展了非线性共轭梯度走时反演方法研究.发展了利用直达波和反射波等多震相走时数据对界面深度和网格速度的多参数联合反演方法,并引人不同种类震相数据的权系数和不同类型参数偏导数归一化的方法.数值算例表明,基于块状结构的非线性共轭梯度走时反演方法适用于复杂地壳结构模型,在利用人工源走时数据反演复杂地壳精细结构领域具有良好的应用前景.

关键词：地壳结构走时反演块状建模射线追踪非线性共轭梯度

基于起伏地形平化策略的弹性波逆时偏移成像方法

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地球物理学报 2018年第4期61卷 1434-1446页

作者：侯爵刘有山兰海强徐涛白志明中国地震局地球物理研究所北京100081 中国科学院地质与地球物理研究所岩石圈演化国家重点实验室北京100029 中国科学院青藏高原地球科学卓越创新中心北京100101

随着能源和资源勘查开采工作的深入,地形强烈起伏的盆山耦合地区的地震资料处理解释技术正日益成为山地地震勘探面临的重要挑战.逆时偏移方法作为精确的地震偏移成像方法之一,能对地下结构进行高精度成像.逆时偏移的核心是地震波场延拓... 详细信息

随着能源和资源勘查开采工作的深入,地形强烈起伏的盆山耦合地区的地震资料处理解释技术正日益成为山地地震勘探面临的重要挑战.逆时偏移方法作为精确的地震偏移成像方法之一,能对地下结构进行高精度成像.逆时偏移的核心是地震波场延拓,由于传统的地震波场延拓技术往往基于水平地表条件,相应的方法在直接处理强地形起伏条件下的地震资料时往往存在一定的精度损失.本文引入一种精度无损的处理起伏边界的模型参数化方法:基于贴体网格的地形"平化"策略发展了与地形有关的地震波波动方程数值模拟方法,采用零延迟归一化互相关成像条件实现了起伏地表条件下的弹性波场逆时偏移成像.对工业界的标准Marmousi模型和盐丘模型进行改造,获得了相应起伏地形条件下的复杂几何模型,开展了起伏地表下的地震偏移成像数值试验.结果表明基于贴体网格"平化"策略的逆时偏移成像方法具有较高的灵活性,可适应不同类型起伏地表采集的地震资料,显示出该方法在地震勘探领域的良好应用前景.

关键词：起伏地表弹性波逆时偏移贴体网格有限差分

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均匀半空间瞬变电磁场直接时域响应数值分析

地球物理学报 2018年第2期61卷 750-755页

作者：王贺元薛国强郭华周楠楠辽宁工业大学理学院辽宁锦州121001 中国科学院地质与地球物理研究所北京100029 中国科学院大学北京100049

近源时域电磁场具有信号强、探测深度大和精度高等优点,但传统瞬变电磁场理论中偶极子近似在近源区会引起较大误差,推导瞬变电磁场直接时域解析式是解决这一问题的关键.本文在点电荷微元假设下通过时域格林函数,采用分离变量等方法推导... 详细信息

近源时域电磁场具有信号强、探测深度大和精度高等优点,但传统瞬变电磁场理论中偶极子近似在近源区会引起较大误差,推导瞬变电磁场直接时域解析式是解决这一问题的关键.本文在点电荷微元假设下通过时域格林函数,采用分离变量等方法推导出了上半空间一次有源波动场和反射波的时域解析式和下半空间二次无源波动场的时域解析式,结合均匀半空间瞬变电磁场的边界条件给出了均匀半空间瞬变电磁场的直接时域解析式,进而利用第一型曲线积分,通过沿回线源叠加推导出圆回线源在瞬变电磁场中的直接时域解析式.然后在半空间表面上,与传统的电偶极源假设下的表达式作了比较.数值结果表明两者在远源区的计算结果相差甚微,而近源区则存在很大误差.本文利用真正点元(点电荷)严密推导给出的均匀半空间表面上瞬变电磁场的直接时域解析式适用于全场区探测,克服了偶极子假设下只适用远场区的不足,为瞬变电磁法的进一步发展和实际勘探提供了新的理论基础.

关键词：均匀半空间瞬变电磁场电偶极子假设点电荷源