CC BY
7Решетневскуе чтения. 2018
УДК 550.34.09
ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ РАСПРОСТРАНЕНИЯ СЕЙСМИЧЕСКИХ ВОЛН ПОД ДЕЙСТВИЕМ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИМПУЛЬСНОГО ИСТОЧНИКА «ЕНИСЕЙ»*
М. П. Варыгина
Институт вычислительного моделирования СО РАН Российская Федерация, 660036, г. Красноярск, Академгородок, 50/44 Е-mail: vmp@icm.krasn.ru
Для численного исследования процессов распространения сейсмических волн, вызванных электромагнитным импульсным источником «Енисей» разработан эффективный параллельный алгоритм для суперкомпьютеров с графическими ускорителями.
Ключевые слова: генерация сейсмических волн, электромагнитный импульсный источник, слоистая среда, параллельные вычисления, технология CUDA.
NUMERICAL MODELING OF SEISMIC WAVE PROPAGATION GENERATED BY THE ELECTROMAGNETIC PULSE SOURCE "YENISEI"
M. P. Varygina
Institute of Computational Modeling SB RAS 50/44, Akademgorodok, Krasnoyarsk, 660036, Russian Federation Е-mail: vmp@icm.krasn.ru
In order to research processes of seismic wave propagation generated by the electromagnetic pulse source "Yenisei", effective parallel algorithm for supercomputers with graphical processor units is developed.
Keywords: seismic wave generation, electromagnetic pulse source, layered medium, parallel computations, CUDA technology.
Нефтегазодобывающие компании заинтересованы в эффективных методах поиска и локализации насыщенных углеводородами пластов. Экстремальные климатические условия и сложная геологическая структура почвы затрудняют сейсморазведку с помощью традиционных технологий, основанных на использовании взрывных и вибрационных источников возбуждения сейсмических колебаний. По сравнению со взрывными работами и вибрационным методом, электромагнитные импульсные источники «Енисей» дают четко определенные параметры воздействия на среду и обеспечивают идентичность излучаемого сигнала [1].
Задачи оптимизации механических и геометрических характеристик импульсного источника не могут быть решены без математического моделирования распространения сейсмических волн в средах со сложной реологической структурой. Моделирование волновых процессов в средах с различными физическими свойствами представляет большой интерес для исследований [2]. Изучению волновых процессов в блочных средах с прослойками различного типа посвящена статья [3]. В этой работе рассматриваются
процессы распространения сейсмических волн в слоистых средах, вызванных электромагнитным импульсным источником «Енисей».
Алгоритм численного решения задачи основан на методе двуциклического расщепления по пространственным переменным [4]. На этапах расщепления метода используется монотонная разностная ENO-схема с предельной реконструкцией решения [5]. Рассматриваемый метод двуциклического расщепления обеспечивает устойчивость численного решения при выполнении условия устойчивости Куранта-Фридрихса-Леви. Параллелизация вычислений выполнена на этапе расщепления задачи по пространственным переменным с использованием технологии CUDA (Compute Unified Device Architecture) для суперкомпьютеров с графической архитектурой.
На рисунке представлено численное решение задачи распространения сейсмических волн в слоистой среде, вызванных импульсным источником. Схематическое представление области изображено на рисунке (слева). Верхний слой среды - почва. Второй слой -пористый, с низкой скоростью распространения волн. Третий слой - твердая порода.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект № 18-31-00100) и Российского фонда фундаментальных исследований, Правительства Красноярского края, Красноярского краевого фонда науки в рамках научного проекта: «Анализ волновых сейсмических полей, генерируемых электромагнитным импульсным источником «Енисей» в неоднородных грунтовых массивах при проведении геологоразведочных работ в условиях северных районов Восточной Сибири».
Механика сплошных сред (газодинамика, гидродинамика, теория упругости и пластичности, реология)
Численное решение задачи распространения сейсмических волн, вызванных импульсным источником «Енисей»: схема области (слева) и линии уровня нормального напряжения (справа)
В центре верхней границы действует импульс от электромагнитного источника. Нижняя граница закреплена. Правая и левая граница - не отражающие. На рисунке (справа) показаны линии уровня нормального напряжения. Волна проходит через пористый слой и отражается. Варьируя толщину прослойки и измеряя скорости распространения отраженных волн, можно анализировать параметры импульсного источника, в частности, частоту колебаний, на которой возможна регистрация прослойки, насыщенной углеводородами.
Численные расчеты проводились на графической видеокарте NVIDIA Tesla C2050. Серия вычислительных экспериментов показала ускорение параллельного алгоритма до 40 раз.
Библиографические ссылки
1. Detkov V. A. Stimulation of Seismic Waves by Pulsed Nonexplosive Source. Journal of Siberian Federal University. Mathematics & Physics. № 2 (3). 2009. P. 298-304.
2. Favorskaya A. V. et al. Modelling the Wave Phenomena in Acoustic and Elastic Media With Sharp Variations of Physical Properties Using the Grid-Characteristic Method. Geophysical Prospecting. 2018. Doi: 10.1111/ 1365-2478.12639.
3. Varygina M. Numerical Solution of Dynamic Problems in Block Media with Thin Interlayers on Supercomputers with GPUs. Numerical Analysis and Its Applications, Lecture Notes in Computer Science. 8236. 2013. P. 517-523.
4. Марчук Г. И. Методы расщепления. М. : Наука, 1988.
5. Kulikovskii A. G., Pogorelov N. V., Yu A. Se-menov. Mathematical Aspects of Numerical Solution of Hyperbolic Systems. Monographs and Surveys in Pure and Applied Mathematics, 118. 2001.
References
1. Detkov V. A. Stimulation of Seismic Waves by Pulsed Nonexplosive Source. Journal of Siberian Federal University. Mathematics & Physics, 2(3) (2009), P. 298-304.
2. Favorskaya A. V. et al. Modelling the Wave Phenomena in Acoustic and Elastic Media With Sharp Variations of Physical Properties Using the Grid-Characteristic Method. Geophysical Prospecting. 2018. Doi: 10.1111/1365-2478.12639.
3. Varygina M. Numerical Solution of Dynamic Problems in Block Media with Thin Interlayers on Supercomputers with GPUs. Numerical Analysis and Its Applications, Lecture Notes in Computer Science, 8236. 2013. P. 517-523.
4. Marchuk G. I. Metody rasshchepleniya [Splitting Methods] Moscow, Nauka Publ., 1988.
5. Kulikovskii A. G., Pogorelov N. V., Yu A. Semenov. Mathematical Aspects of Numerical Solution of Hyperbolic Systems. Monographs and Surveys in Pure and Applied Mathematics, 118. 2001.
© Варыгина М. П., 2018
