SPECFEM手册的一些翻译（Chapter 4）

要运行求解器，在主工作目录下输入以下命令：

bin/xspecfem2D
（如果你使用了并行支持的编译，可以使用 mpirun 或等效命令）。

运行后，求解器将在 OUTPUT_FILES/ 目录中输出地震记录和不同时间步长的波前快照。

可视化输出结果：

• 要查看波场的 Postscript 文件，输入：

  gs OUTPUT_FILES/vect.ps*

  在这些文件中，波场用小箭头表示，流体/固体的匹配界面用粗粉线表示，吸收边界用粗绿线表示。

• 要查看彩色波场快照，输入：
  gimp OUTPUT_FILES/image.gif*
  这将显示你选定输出的波场的像素化图像（或压力场，取决于你在 DATA/Par_file 中的选择）。

在运行求解器时，请注意以下几点：

• 提供的 DATA/Par_file 文件可以正常运行，测试代码时无需修改。

• 地震记录 OUTPUT_FILES/*.sem* 是简单的 ASCII 文件，包含两列数据：第一列是时间，第二列是振幅。你可以使用任何工具来可视化这些数据，例如 "gnuplot"。如果你希望以 Seismic Unix 格式输出二进制地震记录，可以使用参数 SU_FORMAT。在这种情况下，所有地震记录将写入一个带有 .bin 扩展名的文件。要查看头文件信息，可以使用以下命令（取决于你的 Seismic Unix 安装）：

  surange < Uz_file_single.bin
  suoldtonew < Uz_file_single.bin | surange

• 要查看地震记录的波形图，请将 surange 替换为 suxwigb。

• 如果 DATA/Par_file 中的 MODEL 标志设置为 default，则速度和密度模型通过 nbmodels 和 nbregions 来确定。否则，nbmodels 的值将被忽略，速度和密度模型由用户提供的文件或子程序确定。

• 使用 Intel 的 ifort 编译时，使用 -assume byterecl 选项来创建显示波场的二进制 PNM 图像。

• 目录 utils/ 中包含一些有用的脚本和 Fortran 程序。

• 你可以在 EX2DDIR 中找到用于计算简单介质的解析解的 Fortran 代码，许多文章中的基准测试都使用了该代码作为参考。此代码在 Berg et al. [1994] 中有描述。

关于 DATA/Par_file 参数的说明

DATA/Par_file 文件包含详细的注释，几乎是自解释的。生成网格时，请参考相应的说明。以下是一些影响求解器的参数的更详细说明：

1. ATTENUATION_VISCOELASTIC 或 ATTENUATION_VISCOACOUSTIC

• 关于衰减（粘弹性和粘声学性），在 Par_file 中需要选择标准线性固体（N_SLS）的数量，以模拟恒定的 Q 品质因数。通常使用 N_SLS = 3 是安全的。如果（仅在你确定知道自己在做什么时）想降低模拟成本，可以尝试减少这个值。
• 图 4.2 提供了一些可供参考的值（再次提醒，只有在你确定知道自己在做什么时才使用这些值）。该表格由 Zhinan Xie 创建，通过比较真实恒定 Q 与基于 N_SLS 标准线性固体近似的结果得出。比较依据是 Kristeková et al. [2009] 提出的时频失配和拟合优度标准。该表格针对一个无量纲参数绘制，表示传播距离。

2. USE_TRICK_FOR_BETTER_PRESSURE

• 这个选项仅适用于所有接收器记录压力且位于声学元素中的情况。此选项通过使用一种技巧来提高流体（声学）元素中压力地震记录的准确性：
  • 使用源的二阶导数作为源时间函数，而不是直接使用源本身，然后记录 potential_acoustic() 作为压力地震记录，而不是 potential_dot_dot_acoustic()。
  • 从数学上讲，这两者是等价的，但在数值上，使用 potential_acoustic() 更加准确，因为在显式 Newmark 时间方案中，加速度是零阶精度，而位移是二阶精度。因此，在流体元素中，potential_dot_dot_acoustic() 仅是零阶精度，而 potential_acoustic() 是二阶精度，因而含有显著更少的数值噪声。

这两个参数对模拟的影响较大，特别是在涉及粘弹性或压力地震记录的情况下，建议根据需要谨慎调整这些参数。

关于 DATA/SOURCE 参数的说明

DATA/ 目录中的 SOURCE 文件应按如下方式编辑：

• source_surf：将此标志设置为 .true.，以强制源位于模型的表面；否则源将位于介质内部。

• xs 和 zs：源的位置，xs 为 x 方向的位置（单位：米），zs 为 z 方向的位置（单位：米）。

• source_type：设置源类型：

  • 1 表示弹性力或声学压力源。
  • 2 表示矩张量源。
  • 对于包含自由表面反射和转换波的平面波：
    • P 波 = 1
    • S 波 = 2
    • 瑞利波 = 3
  • 对于不包含自由表面反射和转换波的平面波（仅入射波）：
    • P 波 = 4
    • S 波 = 5
  • 入射平面波由 DATA/Par_file 中的 initialfield 参数启用。

• time_function_type：选择源时间函数类型：

  • 1 使用 Ricker 波（高斯函数的二阶导数）。
  • 2 使用高斯函数的一阶导数。
  • 3 使用高斯函数。
  • 4 使用 Dirac 函数。
  • 5 使用 Heaviside 源时间函数。

  Ricker 波形的标准定义为：
  Ricker(t)=(1−2at2)e−at2\text{Ricker}(t) = (1 - 2at^2)e^{-at^2}Ricker(t)=(1−2at2)e−at2
  其中 a=π2f02a = \pi^2 f_0^2a=π2f02​，该波形的傅里叶变换如图 4.3 所示。

• f0：设置源的主频率。对于使用 Heaviside 源时间函数的点源模拟（time_function_type = 5），建议将频率参数 f0 设置为较高值，这相当于模拟一个阶跃源时间函数，即一个 δ 函数的矩率函数。

  源的半持续时间由 1/f0 给出。如果使用高斯源时间函数（time_function_type = 3），源时间函数的半宽度等于其半持续时间。通常我们在模拟中设置半持续时间为 0，并在后处理时卷积合成地震图，以方便使用多种源时间函数。

• t0：对于单一源，建议将时间移位参数 t0 设置为 0.0。时间移位可以在后处理时应用，但对于多个源，t0 可以设置为非零值。

• anglesource：源的角度（仅适用于力源）；对于平面波，这表示入射角。对于矩张量源，该参数不适用。

• Mxx, Mzz, Mxz：矩张量分量（仅适用于矩张量源，source_type = 2）。请注意，在 SPECFEM2D 和 SPECFEM3D 中，矩张量分量的单位不同：

  • 在 SPECFEM3D 中，单位是 dyne*cm。
  • 在 SPECFEM2D 中，单位是 N*m。

  要将 Strike / Dip / Rake 转换为 CMTSOLUTION 矩张量格式，可以使用 SPECFEM3D_GLOBE 提供的两个小型 C 程序：

  • strike_dip_rake_to_CMTSOLUTION.c
  • CMTSOLUTION_to_AkiRichards.c

  但是在 2D 平面应变 P-SV 模型中，这实际上是一个线源，而不是 3D 点源。有关更多详细信息，请参考 Pilant [1979] 的书中的第 7.3 节“二维点源”，以及 Helmberger 和 Vidale [1988] 的研究。

• factor：放大因子。

模拟的零时间点

模拟的零时间对应于三角形/高斯函数的中心，或地震事件的质心时间。模拟的起始时间为：
t=−1.2×half duration+t0t = -1.2 \times \text{half duration} + t0t=−1.2×half duration+t0
其中，因子 1.2 用于确保模拟开始时，矩率函数接近于零。对于 Heaviside 函数，这个因子为 2.0。半持续时间由 1/f0 给出。如果你希望手动设置起始时间，可以在 constants.h 文件中将参数 USER_T0 设置为一个正的非零值，在这种情况下，模拟将在 -USER_T0 的时间点开始。