地震响应数值模拟的高性能计算方法研究

摘要

地震波场数值模拟是模拟地震波在地下介质传播的传播规律，对地震解释起着重要作用。基于单程波的地震波场数值模拟，只考虑一次反射波，信噪比高。研究了分布分裂延拓算子和相移插值延拓算子优缺点，构造了适应速度横向剧烈变化的延拓算子。 地震波场响应数值模拟能够对复杂介质的地震模型进行模拟并且可以得到比较准确的波场信息。针对地质异常体（小尺度裂缝及溶洞边缘介质）的地震波场数值模拟，现有方法都是采用大网格的方式进行模拟，导致小裂缝及其发育带和溶洞边缘信息不能体现，不能满足地震解释的需要。针对小网格化后的计算问题，包括每个频率的波场延拓，反复使用傅里叶变换以及插值时参考速度的波场计算，都会增加计算量。本文主要的研究工作如下： 1、地震波场数值模拟的主要难题在于构造适应速度横向剧烈变化的延拓算子。本文研究了分布分裂延拓算子以及相移插值延拓算子的优缺点，并结合两种方法构造了适应速度横向剧烈变化的延拓算子。 2、在进行正演时，一般采用大网格的方式，不能考虑到小尺度(如断层破裂带、裂缝发育带)、不规则外形（溶蚀孔洞）的溶洞边缘特征。因此本文基于网格细分的思想，采用单程波延拓算子并考虑到地质异常体的边缘信息开展地震波场数值模拟的高性能计算。 3、针对小网格化后的计算量问题，本文对地震波场响应数值模拟进行了不同的并行化设计。叠后地震波场数值模拟相比起叠前来说较为简单，采用基于 MPI、OpenMP、MPI+OpenMP 三种模式对其进行并行化。叠前地震波场数值模拟采用基于MPI、MPI+OpenMP和MPI+OpenMP+CUDA的并行模式。 4、基于 VS2012 开发工具实现了基于 MPI+OpenMP 的地震响应数值模拟的高性能计算系统。针对叠前和叠后地震响应的差异性，分别对其进行了不同的窗口设置，并对不同的模式进行选择。最后完整的实现了基于地震响应数值模拟的高性能计算系统。

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最终版地震响应数值模拟的高性能计算方法研究