CN110954960B - 一种海底冷泉地震响应数值模拟方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种海底冷泉地震响应数值模拟方法及系统。该方法包括：获取地质物理任务、时间域含气泡液体地震波方程、地震震源参数和采集参数；根据地质物理任务，建立海底冷泉参数模型，海底冷泉参数模型包括速度模型、气泡含量模型、密度模型、粘滞系数模型和表面张力系数模型；采用傅里叶变换将时间域含气泡液体地震波方程中的时间相关项变换至频率域，得到频率域含气泡液体地震波方程；采用数值微分原理将频率域含气泡液体地震波方程中的空间偏导数项进行差分离散，得到地震波场计算差分公式；根据海底冷泉参数模型、地震波场计算差分公式，地震震源参数和采集参数，确定海底冷泉地震响应。本发明能够对海底冷泉地震响应进行精确识别及分析。
Description
技术领域
本发明涉及天然气水合物勘探领域，特别是涉及一种海底冷泉地震响应数值模拟方法及系统。
背景技术
随着中国经济的快速发展，能源需求逐渐增大，油气资源短缺问题越发突出，环境污染严重，天然气水合物等非常规清洁能源因储量巨大、分布集中、开发技术日趋进步等优势，成为油气资源接替的重要新领域。天然气水合物是自1960年以来发现可保持稳定数百万年的天然气资源，广泛分布于海洋沉积物和多年冻土区，其数量远超传统和其他非常规资源的总和，具有储量大、能量密度高、清洁度高等特点，被广泛认为是一种极具潜力的能源替代形式。考虑到全球能源危机，天然气水合物已引起国际密切关注。作为一种非常规清洁能源，如何在前期勘探中确定天然气水合物的赋存位置是后续开发的重要前提。
在地壳动力作用下，赋存于海底的天然气水合物处在动态平衡中，不断分解并释放出甲烷气体，这些气体通过泥火山、断层、裂隙等运移通道进入海水后，以气泡的形式上升运移，形成气泡羽流。而海底冷泉是指在压力梯度的影响下，从海底沉积地层(或更深)中运移和排放出的以水、碳氢化合物(天然气和石油)、硫化氢、细粒沉积物为主要成分的低温流体以喷涌或渗漏的方式溢出海底，产生一系列的物理、化学和生物作用的一种海洋地质现象。气泡羽流发育于海底活动冷泉区域上方，而海底冷泉区域通常与天然气水合物的分解密切相关，冷泉羽状流下部往往能发现富含天然气水合物的沉积储层。目前研究的冷泉羽状流多以天然气为主要成分，其气体主要来源于天然气水合物的分解，作为指示天然气水合物的重要标志，潜在的能源因素和环境效应使海底冷泉及相关研究备受关注，在海洋工程安全、天然气水合物勘查、常规及深部油气勘探、全球气候变化、碳循环和极端生物群落等研究方面都具有重要意义。因此研究海底冷泉羽状流的地震响应特征，对确定天然气水合物的储集区域，了解天然气水合物成藏和成藏环境等均有重要意义。
海底冷泉羽状流的溢出能够改变海底沉积层的物理性质(如声学特性)，因此可采用海底探测、声呐及地震等方法来探测海底冷泉羽状流可一定程度地观测并识别海底冷泉羽状流，但海底可视技术不适合大范围普查式勘查，声呐系统虽可大面积探测，对小气泡羽流却难以有效成像，且探测深度有限。与之相比，地震方法以气泡散射成像理论为基础，通过浅地层剖面探测、高分辨率地震探测和常规多道反射地震探测识别海底冷泉羽状流，是观测冷泉活动羽状流的最为经济而有效的手段。逸散于海水的气泡羽流可分为声学羽流、云状扰动、串珠状扰动、“火焰”状反射、斑点状反射、点划线反射等地震反射特征，根据地震记录中的散射特征可以识别各类海底冷泉羽状流，从而确定海底天然气水合物发育的可能性。然而，上述地震反射特征还未经过实际观测到的海底羽状流活动验证，后续的地震波数值模拟和实际验证仍然需要对这些地震反射特征进一步核实。
通过上述分析可知，羽状流地震响应(波动现象)是后续海底冷泉羽状流研究及分析的基础。但是对于如何处理海洋地震资料来识别海底冷泉羽状流，并没有形成完善的理论及方法体系；地震波在海底冷泉羽状流内部的传播机制也并不明确。因此，要实现对海底冷泉地震响应的精确识别及分析，进而确定海底冷泉以及其下赋存的天然气水合物，仍然存在着极大的挑战。
发明内容
本发明的目的是提供一种海底冷泉地震响应数值模拟方法及系统，能够对海底冷泉地震响应进行精确识别及分析，进而确定海底冷泉以及其下赋存的天然气水合物。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种海底冷泉地震响应数值模拟方法，包括：
获取地质物理任务、时间域含气泡液体地震波方程、地震震源参数和采集参数；
根据所述地质物理任务，建立海底冷泉参数模型，所述海底冷泉参数模型包括速度模型、气泡含量模型、密度模型、粘滞系数模型和表面张力系数模型；
采用傅里叶变换将所述时间域含气泡液体地震波方程中的时间相关项变换至频率域，得到频率域含气泡液体地震波方程；
采用数值微分原理将所述频率域含气泡液体地震波方程中的空间偏导数项进行差分离散，得到地震波场计算差分公式；
根据所述海底冷泉参数模型、所述地震波场计算差分公式，所述地震震源参数和所述采集参数，确定海底冷泉地震响应。
可选的，所述地震震源参数包括震源能量强度、震源子波类型、震源子波主频、震源位置和震源个数；所述采集参数包括检波器位置、检波器个数、检波器覆盖范围、采集时间长度和采集时间间隔。
可选的，所述根据所述地质物理任务，建立海底冷泉参数模型，所述海底冷泉参数模型包括速度模型、气泡含量模型、密度模型、粘滞系数模型和表面张力系数模型，具体包括：
根据地质物理任务，设计海底冷泉羽流地震波速度规模；
基于所述海底冷泉羽流地震波速度规模，确定海底冷泉羽流模型每个矩形网格点的位置；
在所述海底冷泉羽流模型每个矩形网格点的位置处随机生成一组背景气泡半径和背景气泡含量；
根据所述背景气泡半径和所述背景气泡含量，得到背景气泡半径模型和背景气泡含量模型；
根据所述背景气泡半径模型和所述背景气泡含量模型，得到含气泡介质地震波速度模型；
根据所述含气泡介质地震波速度模型，建立海底冷泉羽流模型的速度模型；
根据Keller-Miksis方程，分别建立海底冷泉羽流气泡含量模型、密度模型、粘滞系数模型和表面张力系数模型；
所述含气泡介质地震波速度模型具体为：
其中，cm为含气泡介质地震波速度，c为液体地震波速度，ω为角频率，δ＝2c2α/ω2，α为液体吸收系数，i为虚数单位，N为单位体积液体中气泡的个数，R0为气泡初始半径，η为液体的切变粘滞系数，ρ为液体密度；
所述Keller-Miksis方程具体为：
其中，t为地震波传播时间，R为气泡半径，P为气泡所在位置的地震波场，
为气泡壁外侧液体中的地震波场，
为R对时间的一阶偏导数，Pg(R,t)为气泡壁内侧的地震波场，σ为液体的表面张力系数。
可选的，所述采用傅里叶变换将所述时间域含气泡液体地震波方程中的时间相关项变换至频率域，得到频率域含气泡液体地震波方程，具体包括：
采用傅里叶变换将所述时间域含气泡液体地震波方程中的时间相关项变换至频率域，得到频率域含气泡液体地震波方程；
所述时间域含气泡液体地震波方程具体为：
其中，P为含气泡介质地震波场，μ为含气泡液体质点振动速度波场，
为拉普拉斯算子，
x，y和z表示笛卡尔坐标系三个方向；
所述频率域含气泡液体地震波方程具体为：
其中，
为频率域含气泡介质地震波场，
为频率域气泡半径。
可选的，所述采用数值微分原理将所述频率域含气泡液体地震波方程中的空间偏导数项进行差分离散，得到地震波场计算差分公式，具体包括：
根据所述频率域含气泡液体地震波方程中的空间偏导数项采用数值微分原理公式进行差分离散，建立地震波场计算的差分公式；
所述数值微分原理公式具体为：
其中，aj为差分系数，n为差分阶数，x表示计算差分的笛卡尔坐标方向，j表示距离差分中心点的网格数；
所述空间偏导数项具体为：
可选的，所述根据所述海底冷泉参数模型、所述地震波场计算差分公式，所述地震震源参数和所述采集参数，确定海底冷泉地震响应，具体包括：
根据所述海底冷泉参数模型、所述地震波场计算差分公式，所述地震震源参数和所述采集参数，按照固定的频率间隔计算海底冷泉地震波场，确定海底冷泉地震响应。
一种海底冷泉地震响应数值模拟系统，包括：
获取模块，用于获取地质物理任务、时间域含气泡液体地震波方程、地震震源参数和采集参数；
海底冷泉参数模型建立模块，用于根据所述地质物理任务，建立海底冷泉参数模型，所述海底冷泉参数模型包括速度模型、气泡含量模型、密度模型、粘滞系数模型和表面张力系数模型；
频率域含气泡液体地震波方程确定模块，用于采用傅里叶变换将所述时间域含气泡液体地震波方程中的时间相关项变换至频率域，得到频率域含气泡液体地震波方程；
地震波场计算差分公式确定模块，用于采用数值微分原理将所述频率域含气泡液体地震波方程中的空间偏导数项进行差分离散，得到地震波场计算差分公式；
海底冷泉地震响应确定模块，用于根据所述海底冷泉参数模型、所述地震波场计算差分公式，所述地震震源参数和所述采集参数，确定海底冷泉地震响应。
可选的，所述海底冷泉参数模型建立模块具体包括：
海底冷泉羽流地震波速度规模设计单元，用于根据地质物理任务，设计海底冷泉羽流地震波速度规模；
矩形网格点的位置确定单元，用于基于所述海底冷泉羽流地震波速度规模，确定海底冷泉羽流模型每个矩形网格点的位置；
背景气泡生成单元，用于在所述海底冷泉羽流模型每个矩形网格点的位置处随机生成一组背景气泡半径和背景气泡含量；
背景气泡模型确定单元，用于根据所述背景气泡半径和所述背景气泡含量，得到背景气泡半径模型和背景气泡含量模型；
含气泡介质地震波速度模型确定单元，用于根据所述背景气泡半径模型和所述背景气泡含量模型，得到含气泡介质地震波速度模型；
第一建立单元，用于根据所述含气泡介质地震波速度模型，建立海底冷泉羽流模型的速度模型；
第二建立单元，用于根据Keller-Miksis方程，分别建立海底冷泉羽流气泡含量模型、密度模型、粘滞系数模型和表面张力系数模；
所述含气泡介质地震波速度模型具体为：
其中，cm为含气泡介质地震波速度，c为液体地震波速度，ω为角频率，δ＝2c2α/ω2，α为液体吸收系数，i为虚数单位，N为单位体积液体中气泡的个数，R0为气泡初始半径，η为液体的切变粘滞系数，ρ为液体密度；
所述Keller-Miksis方程具体为：
其中，t为地震波传播时间，R为气泡半径，P为气泡所在位置的地震波场，
为气泡壁外侧液体中的地震波场，
为R对时间的一阶偏导数，Pg(R,t)为气泡壁内侧的地震波场，σ为液体的表面张力系数。
可选的，所述频率域含气泡液体地震波方程确定模块，具体包括：
频率域含气泡液体地震波方程确定单元，用于采用傅里叶变换将所述时间域含气泡液体地震波方程中的时间相关项变换至频率域，得到频率域含气泡液体地震波方程；
所述时间域含气泡液体地震波方程具体为：
其中，P为含气泡介质地震波场，μ为含气泡液体质点振动速度波场，
为拉普拉斯算子，
x，y和z表示笛卡尔坐标系三个方向；
所述频率域含气泡液体地震波方程具体为：
其中，
为频率域含气泡介质地震波场，
为频率域气泡半径。
可选的，所述地震波场计算差分公式确定模块，具体包括：
地震波场计算差分公式确定单元，用于根据所述频率域含气泡液体地震波方程中的空间偏导数项采用数值微分原理公式进行差分离散，建立地震波场计算的差分公式；
所述数值微分原理公式具体为：
其中，aj为差分系数，n为差分阶数，x表示计算差分的笛卡尔坐标方向，j表示距离差分中心点的网格数；
所述空间偏导数项具体为：
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
1)本发明与常规地震波数值模拟相比，本发明可以获得高频率、高精度的地震响应特征；
2)本发明与常规地震速度场建模方法相比，本发明所得海底冷泉模型更加全面细致的刻画海底冷泉的物理化学属性，为精确模型其地震响应特征奠定良好的基础；
3)本发明可以为海上天然气水合物地震勘探提供一种有效的理论支撑。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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发明的一些实施例，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为本发明海底冷泉地震响应数值模拟方法流程图；
图2为本发明海底冷泉地震响应数值模拟系统结构图；
图3是本发明方法建立的海底冷泉模型；
图4是图3所示海底冷泉模型的地震波场快照剖面；
图5是图3所示海底冷泉模型的地震记录快照剖面；
图6是本发明方法建立的海底冷泉模型；
图7是图6所示海底冷泉模型的地震波场快照剖面；
图8是图6所示海底冷泉模型的地震记录快照剖面。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种海底冷泉地震响应数值模拟方法及系统，能够对海底冷泉地震响应进行精确识别及分析，进而确定海底冷泉以及其下赋存的天然气水合物。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明海底冷泉地震响应数值模拟方法流程图。如图1所示，一种海底冷泉地震响应数值模拟方法包括：
步骤101：获取地质物理任务、时间域含气泡液体地震波方程、地震震源参数和采集参数；所述地震震源参数包括震源能量强度、震源子波类型、震源子波主频、震源位置和震源个数；所述采集参数包括检波器位置、检波器个数、检波器覆盖范围、采集时间长度和采集时间间隔。
步骤102：根据所述地质物理任务，建立海底冷泉参数模型，所述海底冷泉参数模型包括速度模型、气泡含量模型、密度模型、粘滞系数模型和表面张力系数模型，具体包括：
根据地质物理任务，设计海底冷泉羽流地震波速度规模；
基于所述海底冷泉羽流地震波速度规模，确定海底冷泉羽流模型每个矩形网格点的位置；
在所述海底冷泉羽流模型每个矩形网格点的位置处随机生成一组背景气泡半径和背景气泡含量；
根据所述背景气泡半径和所述背景气泡含量，得到背景气泡半径模型和背景气泡含量模型；
根据所述背景气泡半径模型和所述背景气泡含量模型，得到含气泡介质地震波速度模型；
根据所述含气泡介质地震波速度模型，建立海底冷泉羽流模型的速度模型；
根据Keller-Miksis方程，分别建立海底冷泉羽流气泡含量模型、密度模型、粘滞系数模型和表面张力系数模型；
所述含气泡介质地震波速度模型具体为：
其中，cm为含气泡介质地震波速度，c为液体地震波速度，ω为角频率，δ＝2c2α/ω2，α为液体吸收系数，i为虚数单位，N为单位体积液体中气泡的个数，R0为气泡初始半径，η为液体的切变粘滞系数，ρ为液体密度；
所述Keller-Miksis方程具体为：
其中，t为地震波传播时间，R为气泡半径，P为气泡所在位置的地震波场，
为气泡壁外侧液体中的地震波场，
为R对时间的一阶偏导数，Pg(R,t)为气泡壁内侧的地震波场，σ为液体的表面张力系数。
步骤103：采用傅里叶变换将所述时间域含气泡液体地震波方程中的时间相关项变换至频率域，得到频率域含气泡液体地震波方程，具体包括：
采用傅里叶变换将所述时间域含气泡液体地震波方程中的时间相关项变换至频率域，得到频率域含气泡液体地震波方程；
所述时间域含气泡液体地震波方程具体为：
其中，P为含气泡介质地震波场，μ为含气泡液体质点振动速度波场，
为拉普拉斯算子，
x，y和z表示笛卡尔坐标系三个方向；
所述频率域含气泡液体地震波方程具体为：
其中，
为频率域含气泡介质地震波场，
为频率域气泡半径。
步骤104：采用数值微分原理将所述频率域含气泡液体地震波方程中的空间偏导数项进行差分离散，得到地震波场计算差分公式，具体包括：
根据所述频率域含气泡液体地震波方程中的空间偏导数项采用数值微分原理公式进行差分离散，建立地震波场计算的差分公式；
所述数值微分原理公式具体为：
其中，aj为差分系数，n为差分阶数，x表示计算差分的笛卡尔坐标方向，j表示距离差分中心点的网格数；
所述空间偏导数项具体为：
步骤105：根据所述海底冷泉参数模型、所述地震波场计算差分公式，所述地震震源参数和所述采集参数，确定海底冷泉地震响应，具体包括：
根据所述海底冷泉参数模型、所述地震波场计算差分公式，所述地震震源参数和所述采集参数，按照固定的频率间隔计算海底冷泉地震波场，确定海底冷泉地震响应。
本发明与现有技术相比，具有下列优点：
1)本发明与常规地震波数值模拟相比，本发明可以获得高频率、高精度的地震响应特征；
2)本发明与常规地震速度场建模方法相比，本发明所得海底冷泉模型更加全面细致的刻画海底冷泉的物理化学属性，为精确模型其地震响应特征奠定良好的基础；
3)本发明可以为海上天然气水合物地震勘探提供一种有效的理论支撑。
图2为本发明海底冷泉地震响应数值模拟系统结构图。如图2所示：一种海底冷泉地震响应数值模拟系统包括：
获取模块201，用于获取地质物理任务、时间域含气泡液体地震波方程、地震震源参数和采集参数；
海底冷泉参数模型建立模块202，用于根据所述地质物理任务，建立海底冷泉参数模型，所述海底冷泉参数模型包括速度模型、气泡含量模型、密度模型、粘滞系数模型和表面张力系数模型；
频率域含气泡液体地震波方程确定模块203，用于采用傅里叶变换将所述时间域含气泡液体地震波方程中的时间相关项变换至频率域，得到频率域含气泡液体地震波方程；
地震波场计算差分公式确定模块204，用于采用数值微分原理将所述频率域含气泡液体地震波方程中的空间偏导数项进行差分离散，得到地震波场计算差分公式；
海底冷泉地震响应确定模块205，用于根据所述海底冷泉参数模型、所述地震波场计算差分公式，所述地震震源参数和所述采集参数，确定海底冷泉地震响应。
所述海底冷泉参数模型建立模块202具体包括：
海底冷泉羽流地震波速度规模设计单元，用于根据地质物理任务，设计海底冷泉羽流地震波速度规模；
矩形网格点的位置确定单元，用于基于所述海底冷泉羽流地震波速度规模，确定海底冷泉羽流模型每个矩形网格点的位置；
背景气泡生成单元，用于在所述海底冷泉羽流模型每个矩形网格点的位置处随机生成一组背景气泡半径和背景气泡含量；
背景气泡模型确定单元，用于根据所述背景气泡半径和所述背景气泡含量，得到背景气泡半径模型和背景气泡含量模型；
含气泡介质地震波速度模型确定单元，用于根据所述背景气泡半径模型和所述背景气泡含量模型，得到含气泡介质地震波速度模型；
第一建立单元，用于根据所述含气泡介质地震波速度模型，建立海底冷泉羽流模型的速度模型；
第二建立单元，用于根据Keller-Miksis方程，分别建立海底冷泉羽流气泡含量模型、密度模型、粘滞系数模型和表面张力系数模型；
所述含气泡介质地震波速度模型具体为：
其中，cm为含气泡介质地震波速度，c为液体地震波速度，ω为角频率，δ＝2c2α/ω2，α为液体吸收系数，i为虚数单位，N为单位体积液体中气泡的个数，R0为气泡初始半径，η为液体的切变粘滞系数，ρ为液体密度；
所述Keller-Miksis方程具体为：
其中，t为地震波传播时间，R为气泡半径，P为气泡所在位置的地震波场，
为气泡壁外侧液体中的地震波场，
为R对时间的一阶偏导数，Pg(R,t)为气泡壁内侧的地震波场，σ为液体的表面张力系数。
所述频率域含气泡液体地震波方程确定模块203，具体包括：
频率域含气泡液体地震波方程确定单元，用于采用傅里叶变换将所述时间域含气泡液体地震波方程中的时间相关项变换至频率域，得到频率域含气泡液体地震波方程；
所述时间域含气泡液体地震波方程具体为：
其中，P为含气泡介质地震波场，μ为含气泡液体质点振动速度波场，
为拉普拉斯算子，
x，y和z表示笛卡尔坐标系三个方向；
所述频率域含气泡液体地震波方程具体为：
其中，
为频率域含气泡介质地震波场，
为频率域气泡半径。
所述地震波场计算差分公式确定模块204，具体包括：
地震波场计算差分公式确定单元，用于根据所述频率域含气泡液体地震波方程中的空间偏导数项采用数值微分原理公式进行差分离散，建立地震波场计算的差分公式；
所述数值微分原理公式具体为：
其中，aj为差分系数，n为差分阶数，x表示计算差分的笛卡尔坐标方向，j表示距离差分中心点的网格数；
所述空间偏导数项具体为：
实施例1：
图3是本发明方法所建立的简单海底冷泉模型：其中，图3(a)是速度模型，图3(b)是气泡个数模型，图3(c)是切边粘滞系数模型，图3(d)是密度模型，图3(e)是表面张力系数模型。由此模型可以看出，本发明所提供的海底冷泉建模方法能够更加全面的描述海底冷泉的物理化学性质，这为后续高质量的地震响应特征模拟奠定了模型数据基础。图4是图3所示海底冷泉模型的地震波场快照剖面：其中，图4(a)是利用传统地震波数值模拟方法所得的350ms波场快照剖面，图4(b)是利用本发明方法所得的350ms波场快照剖面，对比可以清晰看出，本发明方法所得地震波场散射特征更加显著，更好地刻画了海底冷泉对地震波的相应特征。图5是图3所示海底冷泉模型的地震记录快照剖面：其中，图5(a)是利用传统地震波数值模拟方法所得的地震记录剖面，图5(b)是利用本发明方法所得的地震记录剖面。由图5可以获得相同的结论，证明了本发明提出的海底冷泉地震响应数值模拟方法是有效的。
实施例2：
图6是本发明方法建立的海底冷泉模型：其中，图6(a)是速度模型，图6(b)是气泡个数模型，图6(c)是切边粘滞系数模型，图6(d)是密度模型，图6(e)是表面张力系数模型。震源位于(600m，50m)处，震源子波为雷克子波，主频为20KHz，采用全排列接收。图7是图6所示海底冷泉模型的地震波场快照剖面：其中，图7(a)是利用传统地震波数值模拟方法所得的350ms波场快照剖面，图7(b)是利用本发明方法所得的350ms波场快照剖面。从图7两个剖面对比可知，本发明方法所得波场信息更加丰富，散射更加清晰，很好地指示了海底冷泉的位置及对地震波的响应特征。图8是图6所示海底冷泉模型的地震记录快照剖面：其中，图8(a)是利用传统地震波数值模拟方法所得的地震记录剖面，图8(b)是利用本发明方法所得的地震记录剖面。由图8可以得出相同的结论。综上可以证明，本发明方法所得的海底冷泉响应特征具有精度高，频率高，散射场清晰丰富等特点，也证明了本发明方法的可行性及有效性。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种海底冷泉地震响应数值模拟方法，其特征在于，包括：
获取地质物理任务、时间域含气泡液体地震波方程、地震震源参数和采集参数；
根据所述地质物理任务，建立海底冷泉参数模型，所述海底冷泉参数模型包括速度模型、气泡含量模型、密度模型、粘滞系数模型和表面张力系数模型，具体包括：
根据地质物理任务，设计海底冷泉羽流地震波速度规模；
基于所述海底冷泉羽流地震波速度规模，确定海底冷泉羽流模型每个矩形网格点的位置；
在所述海底冷泉羽流模型每个矩形网格点的位置处随机生成一组背景气泡半径和背景气泡含量；
根据所述背景气泡半径和所述背景气泡含量，得到背景气泡半径模型和背景气泡含量模型；
根据所述背景气泡半径模型和所述背景气泡含量模型，得到含气泡介质地震波速度模型；
根据所述含气泡介质地震波速度模型，建立海底冷泉羽流模型的速度模型；
根据Keller-Miksis方程，分别建立海底冷泉羽流气泡含量模型、密度模型、粘滞系数模型和表面张力系数模型；
采用傅里叶变换将所述时间域含气泡液体地震波方程中的时间相关项变换至频率域，得到频率域含气泡液体地震波方程；
采用数值微分原理将所述频率域含气泡液体地震波方程中的空间偏导数项进行差分离散，得到地震波场计算差分公式；
根据所述海底冷泉参数模型、所述地震波场计算差分公式，所述地震震源参数和所述采集参数，确定海底冷泉地震响应。
2.根据权利要求1所述的海底冷泉地震响应数值模拟方法，其特征在于，所述地震震源参数包括震源能量强度、震源子波类型、震源子波主频、震源位置和震源个数；所述采集参数包括检波器位置、检波器个数、检波器覆盖范围、采集时间长度和采集时间间隔。
3.根据权利要求1所述的海底冷泉地震响应数值模拟方法，其特征在于，所述含气泡介质地震波速度模型具体为：
其中，cm为含气泡介质地震波速度，c为液体地震波速度，ω为角频率，δ＝2c2α/ω2，α为液体吸收系数，i为虚数单位，N为单位体积液体中气泡的个数，R0为气泡初始半径，η为液体的切变粘滞系数，ρ为液体密度；
所述Keller-Miksis方程具体为：
其中，t为地震波传播时间，R为气泡半径，P为气泡所在位置的地震波场，
为气泡壁外侧液体中的地震波场，
为R对时间的一阶偏导数，Pg(R,t)为气泡壁内侧的地震波场，σ为液体的表面张力系数。
4.根据权利要求3所述的海底冷泉地震响应数值模拟方法，其特征在于，所述采用傅里叶变换将所述时间域含气泡液体地震波方程中的时间相关项变换至频率域，得到频率域含气泡液体地震波方程，具体包括：
采用傅里叶变换将所述时间域含气泡液体地震波方程中的时间相关项变换至频率域，得到频率域含气泡液体地震波方程；
所述时间域含气泡液体地震波方程具体为：
其中，P为气泡所在位置的地震波场，μ为含气泡液体质点振动速度波场，
为拉普拉斯算子，
x，y和z表示笛卡尔坐标系三个方向；
所述频率域含气泡液体地震波方程具体为：
其中，
为频率域含气泡介质地震波场，
为频率域气泡半径。
5.根据权利要求4所述的海底冷泉地震响应数值模拟方法，其特征在于，所述采用数值微分原理将所述频率域含气泡液体地震波方程中的空间偏导数项进行差分离散，得到地震波场计算差分公式，具体包括：
根据所述频率域含气泡液体地震波方程中的空间偏导数项采用数值微分原理公式进行差分离散，建立地震波场计算的差分公式；
所述数值微分原理公式具体为：
其中，aj为差分系数，n为差分阶数，x表示计算差分的笛卡尔坐标方向，j表示距离差分中心点的网格数；
所述空间偏导数项具体为：
6.根据权利要求1所述的海底冷泉地震响应数值模拟方法，其特征在于，所述根据所述海底冷泉参数模型、所述地震波场计算差分公式，所述地震震源参数和所述采集参数，确定海底冷泉地震响应，具体包括：
根据所述海底冷泉参数模型、所述地震波场计算差分公式，所述地震震源参数和所述采集参数，按照固定的频率间隔计算海底冷泉地震波场，确定海底冷泉地震响应。
7.一种海底冷泉地震响应数值模拟系统，其特征在于，包括：
获取模块，用于获取地质物理任务、时间域含气泡液体地震波方程、地震震源参数和采集参数；
海底冷泉参数模型建立模块，用于根据所述地质物理任务，建立海底冷泉参数模型，所述海底冷泉参数模型包括速度模型、气泡含量模型、密度模型、粘滞系数模型和表面张力系数模型；
所述海底冷泉参数模型建立模块具体包括：
海底冷泉羽流地震波速度规模设计单元，用于根据地质物理任务，设计海底冷泉羽流地震波速度规模；
矩形网格点的位置确定单元，用于基于所述海底冷泉羽流地震波速度规模，确定海底冷泉羽流模型每个矩形网格点的位置；
背景气泡生成单元，用于在所述海底冷泉羽流模型每个矩形网格点的位置处随机生成一组背景气泡半径和背景气泡含量；
背景气泡模型确定单元，用于根据所述背景气泡半径和所述背景气泡含量，得到背景气泡半径模型和背景气泡含量模型；
含气泡介质地震波速度模型确定单元，用于根据所述背景气泡半径模型和所述背景气泡含量模型，得到含气泡介质地震波速度模型；
第一建立单元，用于根据所述含气泡介质地震波速度模型，建立海底冷泉羽流模型的速度模型；
第二建立单元，用于根据Keller-Miksis方程，分别建立海底冷泉羽流气泡含量模型、密度模型、粘滞系数模型和表面张力系数模型；
频率域含气泡液体地震波方程确定模块，用于采用傅里叶变换将所述时间域含气泡液体地震波方程中的时间相关项变换至频率域，得到频率域含气泡液体地震波方程；
地震波场计算差分公式确定模块，用于采用数值微分原理将所述频率域含气泡液体地震波方程中的空间偏导数项进行差分离散，得到地震波场计算差分公式；
海底冷泉地震响应确定模块，用于根据所述海底冷泉参数模型、所述地震波场计算差分公式，所述地震震源参数和所述采集参数，确定海底冷泉地震响应。
8.根据权利要求7所述的海底冷泉地震响应数值模拟系统，其特征在于，所述含气泡介质地震波速度模型具体为：
其中，cm为含气泡介质地震波速度，c为液体地震波速度，ω为角频率，δ＝2c2α/ω2，α为液体吸收系数，i为虚数单位，N为单位体积液体中气泡的个数，R0为气泡初始半径，η为液体的切变粘滞系数，ρ为液体密度；
所述Keller-Miksis方程具体为：
其中，t为地震波传播时间，R为气泡半径，P为气泡所在位置的地震波场，
为气泡壁外侧液体中的地震波场，
为R对时间的一阶偏导数，Pg(R,t)为气泡壁内侧的地震波场，σ为液体的表面张力系数。
9.根据权利要求7所述的海底冷泉地震响应数值模拟系统，其特征在于，所述频率域含气泡液体地震波方程确定模块，具体包括：
频率域含气泡液体地震波方程确定单元，用于采用傅里叶变换将所述时间域含气泡液体地震波方程中的时间相关项变换至频率域，得到频率域含气泡液体地震波方程；
所述时间域含气泡液体地震波方程具体为：
其中，P为气泡所在位置的地震波场，μ为含气泡液体质点振动速度波场，
为拉普拉斯算子，
x，y和z表示笛卡尔坐标系三个方向；
所述频率域含气泡液体地震波方程具体为：
其中，
为频率域含气泡介质地震波场，
为频率域气泡半径。
10.根据权利要求7所述的海底冷泉地震响应数值模拟系统，其特征在于，所述地震波场计算差分公式确定模块，具体包括：
地震波场计算差分公式确定单元，用于根据所述频率域含气泡液体地震波方程中的空间偏导数项采用数值微分原理公式进行差分离散，建立地震波场计算的差分公式；
所述数值微分原理公式具体为：
其中，aj为差分系数，n为差分阶数，x表示计算差分的笛卡尔坐标方向，j表示距离差分中心点的网格数；
所述空间偏导数项具体为：
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