简化的三维TTI介质黏滞纯声波方程及其数值模拟

徐世刚 包乾宗 任志明

(长安大学地质工程与测绘学院地球物理系，陕西西安 710054)

0 引言

地下介质普遍具有非弹性和各向异性特征，对地震波的传播速度、振幅和相位等产生影响，因此研究介质的各向异性和黏滞性对于地震波场数值模拟、偏移成像和波形反演具有重要意义。

TI(Transversely Isotropic，横向各向同性)介质是一种常用的地球介质近似模型，按照对称轴的方向可以划分为VTI(垂直对称轴)、HTI(水平对称轴)和TTI(倾斜对称轴)三种类型。由于各向异性弹性波方程涉及波场变量多、计算效率低、多波信息复杂等，因此目前主要采用伪声波方程进行相关计算，该类方程是直接将TI介质耦合频散关系中的横波速度置为0简化而来[1]。基于该思想，导出了多种改进版本的各向异性伪声波方程[2-6]。但是当介质参数不满足椭圆假设时，大多数伪声波方程模拟容易出现噪声干扰及数值不稳定。发展各向异性纯声波方程能够较好地解决伪声波方程存在的问题，其核心思想是从原始的TI介质P-SV波频散关系中解耦出纯P波频散关系，获得对应的纯声波方程，采用不同数值算法求解，以获得纯声波响应[7-10]。相比传统伪声波方程，纯声波方程能够彻底消除伪横波干扰及数值不稳定，近年来在各向异性波场模拟及成像中受到较多关注[11-15]。目前关于各向异性纯声波方程的研究主要集中于模拟精度和计算效率的相互平衡，以及如何进一步的推广应用。

在考虑地下介质各向异性特征的同时，地层的黏滞性容易引起地震波的振幅衰减和相位畸变。在地震频带内，广义标准线性体和常Q模型被广泛用于描述介质的衰减特性[16-19]。多位学者利用差分法求解了基于标准线性体推导的黏声或黏弹方程[20-23]。杜启振等[24]采用有限元法求解黏弹各向异性波动方程； Zhu等[25]采用差分法求解了基于标准线性体的黏声和黏弹波动方程，并与常Q理论计算的参考解进行对比分析。相比于标准线性体模型，常Q模型对介质衰减描述更准确，但是相应的理论推导和数值计算更复杂[25]。Carcione[26]采用伪谱法求解了均匀介质中常Q黏声波方程； Zhu等[27]利用伪谱法模拟了振幅和衰减项相互独立的常Q黏声波方程。为了同时兼顾常Q黏滞声波方程的计算精度和效率，不同学者提出了相应的解决策略[28-29]。

基于标准线性体理论，本文首先介绍了各向同性介质中能表征振幅衰减和相位畸变的三维黏滞声波方程； 其次，将泊松算子和有限差分联合用于求解三维TTI介质纯声波方程； 最后，结合各向同性黏滞声波方程和TTI介质纯声波方程，推导了适用于各向异性介质、同时考虑振幅衰减和相位畸变的三维TTI黏滞介质纯声波方程。数值算例表明本文方法能够同时考虑地震波的振幅衰减和相位畸变，模拟精度高，适用于复杂模型的P波模拟。

1 理论方法

1.1 各向同性介质三维黏滞声波方程

地球介质对地震波的衰减作用不仅体现在对振幅的衰减，同样会引起相位的畸变[16-23]。在各向同性介质中，基于标准线性体理论的黏滞声波方程，Wang等[20]推导了一种同时包含振幅衰减和相位畸变的简化黏滞声波方程，其三维形式为

(1)

式中：P为纵波波场；v为纵波速度； ∇2为三维拉普拉斯算子；Q为品质因子；τ为与应力和应变松弛时间τσ、τε相关的参数

(2)

其中ω0为参考角频率。

将式(1)分解为以下三个方程[20]

(3)

(4)

(5)

式(3)为传统的声波方程，式(4)为仅包含相位畸变项的黏滞声波方程，式(5)是仅包含振幅衰减项的黏滞声波方程。

(6)

式中：F和F-1分别表示傅里叶正、反变换；k为波数矢量；h为空间采样间隔； Δt为时间采样间隔；M为有限差分算子长度的一半；cI为有限差分系数。式(3)～式(5)可以采用类似的递推格式求解。

采用三维各向同性层状模型对上述方程进行测试。模型尺寸为2km×2km×2km，上层速度为2400m/s，品质因子为20，厚度为1km； 下层速度为3000m/s，品质因子为40。震源是主频为26Hz的Ricker子波，位于(1.0km，1.0km，0.9km)。图1为声波(式(3))、仅含相位畸变黏滞声波(式(4))、仅含振幅衰减黏滞声波(式(5))和同时考虑相位畸变和振幅衰减黏滞声波方程(式(1))模拟的波场切片，图2为四个方程模拟的单道波形对比。由图1和图2可以看出：与声波方程的计算结果相比，仅含相位畸变黏滞声波方程仅能模拟相移而无明显振幅差异； 仅含振幅损失黏滞声波方程仅能模拟振幅衰减而无明显相移； 同时考虑相位畸变和振幅损失的黏滞声波方程能够同时模拟振幅衰减和相位畸变，更精确地描述了黏滞介质的吸收衰减效应。

图1 三维各向同性层状模型四种方程模拟的切片对比(a)xz平面，y=0.5km； (b)xy平面，z=0.5km； (c)yz平面，x=1km。由左往右依次为式(3)、式(4)、式(5)、式(1)

图2 四个方程模拟的(x=1.0km，y=0.5km)处波形对比

1.2 基于泊松算子和有限差分相结合的三维TTI介质纯声波方程

迄今为止，TI介质中常用的声波方程主要是基于伪声波近似推导的，该类方程在各向异性参数不满足近似条件时模拟结果会出现伪横波干扰，甚至模拟过程不稳定[1]，尤其是TTI介质。多种改进版本的TI伪声波方程仅能在一定程度上压制干扰，提高稳定性，但不能从根本上解决问题[2-6]。众多研究表明，发展各向异性纯声波方程能够有效消除伪横波污染和不稳定现象[7-15]。相比于显式表达的伪声波方程，纯声波方程通常包含复杂的偏微分算子，常规差分方法很难直接求解。考虑到计算精度与效率，本文应用泊松算子和优化有限差分相结合的方法求解三维各向异性纯声波方程[10]。在TI介质中，为了便于计算，通常采用一阶泰勒展开对解耦后的纯声波频散关系进行近似，三维TTI介质近似纯声波频散关系可以简化为[7-12]

(7)

(8)

其中：Kx、Ky和Kz为正交波数；θ为对称轴倾角；φ为对称轴方位角。

将式(7)变换到时间—空间域，有

(9)

式中算子Rx、Ry和Rz的形式为

(10)

(11)

(12)

引入辅助波场H，式(9)可分解为两个方程[8]

(13)

(14)

式(13)为隐式方程，其运算过程需要求解线性方程组。为了提高效率，本文结合泊松算子实现[10]。

将式(13)和式(14)整理为

∇2H=P

(15)

(16)

式(15)和式(16)组成新的TTI介质三维纯声波方程，后者可采用优化有限差分求解。前者为泊松方程，基于前人的研究，可以通过泊松算子求解，其实现流程可分为以下步骤[10]。

(1)基于五点差分法离散式(15)

6Hi,j,k-Hi+1,j,k-Hi-1,j,k-Hi,j+1,k-Hi,j-1,k-

Hi,j,k+1-Hi,j,k-1=-h2Pi,j,k

(17)

式中：i、j、k分别为x、y、z方向网格点序号。

(18)

式中：Nx、Ny和Nz为三个方向的网格点数；l、m、n为波数域三个方向的网格点序号。

(19)

(20)

通过以上四步，可实现泊松方程式(15)的求解。采用优化有限差分可实现显式方程式(16)的求解。上述流程能够保证纯声波方程式(15)和式(16)的高效精确求解。

采用三维各向异性层状模型对横波速度为0的伪声波方程[3]、限制性横波速度的伪声波方程[4]和本文的纯声波方程进行测试。模型上层介质参数为： 厚度为1.2km，vP0=2400m/s，ε=0.10，δ=0.05，θ=0°，φ=0°； 下层介质参数为：厚度为0.8km，vP0=3000m/s，ε=0.10，δ=-0.12，θ=45°，φ=60°。震源是主频为26Hz的Ricker子波，位于(1.0km，1.0km，0.9km)。图3为不同方程计算的波场切片，可知，基于横波速度为0的伪声波方程和限制性横波速度的伪声波方程不可避免地会出现伪横波干扰，而纯声波方程能够获得高精度P波响应。

图3 三维TTI层状模型中三种方程模拟的切片对比(a)基于横波速度为0的伪声波方程； (b)基于限制性横波速度的伪声波方程； (c)本文纯声波方程从左到右依次为：xz平面，y=1.0km； xy平面，z=0.9km； yz平面，x=1.0km

1.3 简化的三维TTI黏滞介质纯声波方程

现有黏滞声波方程主要是针对各向同性介质设计的。对于各向异性介质，尤其是各向异性纯声波方程，相应的黏滞声波方程研究较少。本文将三维各向同性黏滞声波方程与TTI纯声波方程进行结合，推导了适用于三维TTI介质的黏滞声波方程。

纯声波方程式(16)可写为

(21)

式中算子S可表述为

S(P)=(1+2ε)(Rx+Ry)P+RzP-

2(ε-δ)(RxRz+RyRz)H

(22)

式(1)中的算子∇2和式(21)中的算子S均是由波场相关的不同偏导数组合而成，因此将各向同性黏滞声波方程式(1)与TTI介质纯声波方程结合，即用算子S替换∇2，可以得到三维TTI介质中简化的黏滞纯声波方程

(23)

类似地，可将式(23)分解为三个方程

(24)

(25)

(26)

式(24)为三维TTI纯声波方程，式(25)为仅包含相位畸变的TTI黏滞纯声波方程，式(26)是仅包含振幅衰减的TTI黏滞纯声波方程。利用式(23)即可实现三维TTI黏滞纯声波方程数值模拟。相应的离散方案与前文所述类似。

应用三维TTI层状黏滞模型对比式(23)～式(26)数值模拟结果(图4、图5)。模型上层介质参数为：厚度为1.2km，vP0=2400m/s，ε=0.10，δ=0.05，θ=0°，φ=0°，Q=20； 下层介质参数为：vP0=3000m/s，ε=0.10，δ=-0.12，θ=45°，φ=60°，Q=40。震源是主频为26Hz的Ricker子波，位于(1.0km，1.0km，0.9km)。由图4、图5可以看出，与TTI纯声波方程(式(24))的模拟结果相比，仅含相位畸变TTI黏滞纯声波方程(式(25))仅能模拟时移，仅含振幅损失TTI黏滞纯声波方程(式(26))仅能模拟振幅衰减，同时考虑相位畸变和振幅损失TTI黏滞纯声波方程(式(23))能够同时模拟振幅衰减和相位畸变，更精确地描述了三维TTI介质中黏滞纯声波的吸收衰减属性。

将三维TTI层状黏滞模型上下层品质因子由(20，40)变为(40，60)和(60，80)，分析品质因子对波场模拟结果的影响(图6、图7)。由图6、图7可见，相比于纯声波方程的计算结果(图4、图5左)，随着品质因子的增大，吸收衰减效应导致地震波的振幅减弱、相位变化的程度降低(图5右、图6)。

图4 三维TTI黏滞层状模型中四个方程模拟的(x=1.0km，y=1.0km)处波形曲线对比

图5 三维TTI黏滞层状模型不同方程模拟的波场快照对比(a)xz平面，y=1.0km； (b)xy平面，z=0.9km； (c)yz平面，x=1.0km。由左往右依次为式(24)、式(25)、式(26)、式(23)

图6 三维TTI黏滞层状不同Q值模型的简化黏滞纯声波方程模拟的波场快照(a)xz平面，y=1.0km； (b)xy平面，z=0.9km； (c)yz平面，x=1.0km。左：上下层介质Q为(40，60)； 右：上下层介质Q为(60，80)

2 数值模拟

2.1 楔状体模型

首先采用修改的三维各向异性楔状体模型进行测试。模型尺寸为1.5m×1.5m×1.5m，图8为该模型xz平面示意图，沿y方向直接延拓可得其三维形式。模型A区的参数为：vP0=1500m/s，ε=0，δ=0，θ=-25°，φ=45°，Q=34.2； B区的参数为：vP0=1500m/s，ε=0.30，δ=0.02，θ=-25°，φ=45°，Q=34.2； C区的参数为：vP0=4500m/s，ε=0.10，δ=0.01，θ=60°，φ=45°，Q=382.9； D区的参数为：

图7 三维TTI层状不同Q值模型简化黏滞纯声波方程模拟的在(x=1.0km，y=1.0km)处波形对比(a)上层介质； (b)下层介质

图8 各向异性楔状体模型xz平面切片

vP0=3500m/s，ε=0.05，δ=0.01，θ=10°，φ=45°，Q=220.2。震源是主频为20Hz的Ricker子波，位于(0.75km，0.75km，0.15km)。图9对比了伪声波和纯声波方程的模拟结果，可以看出，相比于伪声波方程的模拟结果，纯声波方程能够较好地消除伪横波干扰。图10为黏滞纯声波方程模拟波场快照，与纯声波方程的模拟结果(图9c)相比，能量明显减弱、分辨率降低，有明显的振幅和相位差异(图11)。

图9 三维TTI楔状体模型不同方程模拟的波场快照(a)基于横波速度为0的伪声波方程； (b)基于限制性横波速度的伪声波方程； (c)本文纯声波方程。从左到右依次为：xz平面，y=0.75km； xy平面，z=0.40km； yz平面，x=0.75km

图10 三维TTI楔状体模型黏滞纯声波模拟的波场快照(a)xz平面，y=0.75km； (b)xy平面，z=0.40km； (c)yz平面，x=0.75km

图11 三维TTI楔状体模型的纯声波和黏滞纯声波方程模拟结果的(x=0.75km，y=0.75km)处波形对比

2.2 复杂模型

采用修改的三维Marmousi TTI模型验证本文方法对复杂模型的适应性。模型尺寸为1.5km×1.5km×2.1km，图12为该改进模型的xz平面示意图，沿y方向直接延拓可得三维形式，对称轴方位角固定为30°。震源选用主频为20Hz的Ricker子波，置于(0.74km，0.74km，0.18km)。图13和图14分别为纯声波和黏滞纯声波方程模拟的波场快照，图15为两种方程模拟波形曲线对比，可以看出，与纯声波方程的模拟结果相比，基于黏滞纯声波方程的模拟结果能量显著减弱，出现明显的振幅降低和相位畸变。该算例表明，本文的TTI黏滞纯声波方程可以适应复杂各向异性黏滞介质模型的P波波场模拟。

图12 修改的Marmousi TTI模型的xz切片(a)vP0； (b)ε； (c)δ； (d)θ； (e)Q

图13 三维Marmousi TTI模型纯声波方程模拟的波场快照左：xz平面，y=0.74km； 中：xy平面，z=0.18km； 右：yz平面，x=0.74km

图14 三维Marmousi TTI模型黏滞纯声波方程模拟的波场快照左：xz平面，y=0.74km； 中：xy平面，z=0.18km； 右：yz平面，x=0.74km

图15 三维Marmousi TTI模型纯声波和黏滞纯声波方程模拟的(x=0.74km,y=0.74km)处波形对比

3 结论

本文首先介绍了一种三维各向同性介质中同时考虑振幅衰减和相位畸变的黏滞声波方程。针对各向异性介质传统伪声波方程模拟容易产生伪横波干扰及出现数值不稳定，结合泊松算子和有限差分法给出了一种适用于三维TTI介质的纯声波求解算法，有效消除了伪声波方程模拟结果存在的干扰及数值不稳定。基于各向同性黏滞声波方程和TTI介质纯声波方程，推导了一种针对三维TTI介质的黏滞纯声波方程，该方程能够同时考虑黏滞各向异性介质中的地震波振幅衰减和相位畸变属性。

应用三维TTI层状模型模型验证了本文方法的模拟精度； TTI楔状体和Marmousi模型验证了方法的有效性和适用性。