平行巷道条带异常体在透射槽波层析成像中造成的假象

近年来透射法槽波地震勘探技术在煤矿勘探领域取得广泛应用,该技术依据槽波频散特征,对特定频率下槽波走时进行层析速度反演成像,在煤层厚度探测方面效果明显.由于煤矿巷道施工的特殊性,震源和检波器布置在巷帮煤层中,观测系统多采用两边式或三边式,导致槽波传播角度有限,容易对层析成像造成误差.在层析正演中采用最短路径与射线弯曲法联合,兼顾走时计算的精度和效率,在层析反演中进行正则化约束,利用平滑和阻尼因子提高算法的精度.通过对大量模型进行正反演发现,当煤层中存在垂直巷道异常体或局部异常体时,透射槽波层析反演不存在假象;当存在平行巷道的条带异常体时,层析结果出现交叉状速度异常假象.这是由于透射槽波采集得到的走时不受异常体位置影响,高值区在平面上表现为交叉型,导致层析反演出现假象.实际勘探施工条件允许情况下,可在煤层工作面四周布置震源和检波器消除这类假象.     

地震层析成像技术在岩体完整性测试中的应用

地震波层析成像借鉴了医学上X射线断面扫描的基本原理,利用地震波穿过地质体后走时及能量的改变等物理信息,通过数学处理重建地质体内部图像,从而得到所研究地质体的岩性及构造分布。本文利用这种方法,在一个钻孔中利用电火花震源激了弹性波,在另一个钻孔布设多个检波点同时接收,拾取弹性波初至时间,将接收到的数据利用SIRT方法进行反演迭代计算,最终形成一个弹性波速度谱图,然后利用岩土体的弹性波速度差异推断岩体完整性分布。与其它测试方法比较,该方法分辨率高,空间位置准确,在工程物探、岩土工程勘察中具有较好的应用前景。     

Hausdorff分数维识别地震道初至走时

地震波初至走时的识别在地震勘探、人工地震层析成像以及全球地震层析成像方法研究中起重要作用．初至走时拾取的精度在很大的程度上影响地震层析成像及演的精度．本研究以提高地震波初至走时拾取的精度及定量化程度为目标,利用计算地震道时间序列分数维的方法,实现了地震波初至走时的自动拾取．本文以分形理论为基础,进行了地震道时间序列Hausdorff分数维的计算．计算结果表明地震道时间序列的分数维在初至到达前后具有不同的数值,其变化点能够定量指示出初至走时的位置．本文还给出了利用该方法对实测数据进行初至走时拾取的实例．     

煤层厚度地震槽波层析成像分辨率分析

透射法地震槽波勘探技术依据不同煤厚槽波频散特征差异,利用敏感频率下槽波走时层析成像算法反演得到煤层槽波速度,进而预测煤层厚度分布.层析反演结果的准确性直接影响煤厚探测的精度,反演得到小异常体常被错误地当作高精细度的体现.槽波层析反演分辨率是衡量反演结果精细程度的重要指标,决定了反演结果的可靠程度,但对于槽波分辨率的估算缺乏有效的技术手段.通过对比分析理论模型、棋盘格模型、射线密度和统计分辨率等方法,探讨这些分辨率分析方法的优缺点.根据义马11061工作面层析成像结果以及后期实际煤厚揭露数据,验证了槽波勘探方法的合理性和准确,认为采用巷帮煤厚作为约束条件,可提高层析成像分辨率,采用统计分辨率方法对反演结果分析较为实用.     

速度差对井间走时层析成像质量的影响及其改进方法

在井间地震初至走时层析成像中，随着相邻地质体速度差的增大，使得射线分布不均匀，以及网格剖分不合适，导致层析成像结果不理想.物理和数值模型的井间走时层析成像表明：当速度差超过300%时，层析结果畸变较大；在300%～150%之间时，层析结果较好；低于150%时，层析结果好.在此基础上，提出了井间多尺度初至走时层析成像方法，即对同一模型采用多种网格剖分来同时进行层析成像，以获得研究区域的速度图像.数学和物理模型的井间多尺度走时层析结果表明：该方法很好地兼顾了层析成像的分辨率和精度，极大地改善了井间地震层析成像的质量.即使速度差超过30%，其多尺度的层析结果仍然较好.因此，这种方法具有实际应用的潜力.     

波动方程初至波多信息联合反演方法

地震初至波中包含着丰富的近地表速度结构信息,如何分阶段、分尺度地利用这些信息进行近地表速度建模是地震勘探中的一个关键问题.在速度反演的不同阶段,综合利用初至波中的不同信息(如走时、包络和波形等)进行联合反演,可以有效地降低反演对初始模型的依赖程度,提高近地表速度模型的反演精度.为此,本文提出了一种统一基于波动方程正演引擎的初至波多信息联合反演方法,该方法同时匹配观测和模拟的初至波走时、包络和波形信息.在不同的反演阶段选择不同的权重因子调节不同信息的权重,这样不仅降低了反演对初始速度模型的依赖,而且自然地实现了多尺度反演.在每轮反演迭代中,一次正演模拟的波场同时应用于初至波走时、包络和波形匹配,无需额外的射线追踪.同时,联合反演方法在一定程度上缓解了串联反演中目标函数漂移问题,提高了近地表速度建模的精度.     

各向异性TI介质qP反射波走时层析成像

地震走时层析成像是反演地层各向异性参数分布的有效方法,但是关于地震各向异性介质走时层析成像的研究并不多,其技术远远没有达到成熟的阶段.在野外数据采集时,地表反射波观测方式相对井间和垂直地震剖面观测方式的成本更低,利用qP反射波走时反演各向异性参数具有更加广泛的实用价值.本文实现的TI介质地震走时层析成像方法结合了TI介质反射波射线追踪算法、走时扰动方程和非线性共轭梯度算法,它可以对任意强度的TI介质模型进行反演,文中尝试利用qP反射波走时重建TI介质模型的参数图像.利用qP反射波对层状介质模型和块状异常体模型进行走时反演,由于qP波相速度对弹性模量参数和Thomsen参数的偏微分不同,所以可以分别反演弹性模量参数和Thomsen参数.数值模拟结果表明:利用qP反射波可以反演出TI介质模型的弹性模量参数与Thomsen参数,不同模型的走时迭代反演达到了较好的收敛效果,与各向同性介质走时反演结果相比较,各向异性介质走时反演结果具有较好的识别能力.     

VSP直达波和反射波波动方程走时联合反演

地面资料全波形反演采用低波数回折波敏感核和高波数偏移等时线恢复地下模型的长波长和短波长分量.当回折波的穿透深度有限时,很容易陷入局部极值.波动方程反射波走时反演采用反射波的透射敏感核更新速度模型.当浅层速度存在较大误差时,仍无法得到满意的反演结果.VSP资料中直达波是一种透射波,穿透深度大,可用于井旁背景速度场建模.本文发展了针对VSP观测方式的波动方程走时联合反演(直达波和反射波)方法.采用全局优化参数反演法实现VSP上下行波和纵横波分离,构建了基于下行直达波和上行反射波走时残差的混合目标函数,推导了相应的伴随状态方程和梯度公式,给出了背景速度和反射系数分步反演流程.理论和实际VSP资料应用表明：直达波和反射波走时联合反演可以得到运动学特征精确的速度模型,为后续全波形反演提供可靠的初始模型;联合反演比单独直达波/反射波走时反演的精度高,比直达波和反射波走时级联反演的耗时少.     

上地壳纵横波速度结构相关反演成像方法

基于纵横波初至走时数据的层析成像方法越来越广泛地被应用于揭示不同构造域壳幔速度结构特征.我们从同一地质体的纵横波速度属性相关这一基本思想出发,提出一种相关反演成像的方法:纵横波速度反演交替进行,在迭代反演过程中每通过一次反演获得相应的纵波速度(或横波速度)结构后,更新相应的纵横波速度比模型以及相应的横波(或纵波)速度反演的初始模型,然后继续开展后续横波(或纵波)速度反演工作.在反演过程中依据纵横波速度的相关性信息和射线路径长度将走时残差以不同权重分配到射线路径经过的单元,依据网格节点周围平均的慢度扰动更新速度模型.正反演过程分别基于有限差分走时计算方法和反投影成像方法.两种典型模型试验表明,该技术应用于上地壳速度结构反演成像过程,可有效提高反演结果的可靠性,在很大程度上避免了常规单独反演纵波和横波速度过程容易带来的畸变和失真.该方法应用于重建青藏高原西部札达—泉水沟深地震测深(DSS)剖面下方的上地壳速度结构,揭示出与青藏高原西缘板块碰撞相关的上地壳速度结构特征.     

近地表地震层析成像方法综述

近地表地层与人类生产生活密切相关,利用地震层析成像方法准确重建浅部地壳速度结构有助于开展高精度地震勘探、探查浅部矿产资源、规避潜在自然灾害,并利于城市地下空间建设.中国大陆地表条件复杂,尤其中西部盆岭结合带地形起伏剧烈,对浅部地壳精确速度建模构成严重挑战.本文系统论述了地震层析成像领域基于高频近似理论的走时成像方法和有限频层析成像方法,阐明两类方法的基本原理、存在问题和发展方向等.依据正演走时有无显式射线追踪,基于高频近似理论的走时成像方法分为传统走时层析成像方法和无射线路径的走时层析成像方法.基于射线追踪的传统走时层析成像方法,在浅层速度强烈变化时,因存在阴影区或多路径现象引起成像失真,严重影响成像效率;而无射线路径的层析成像方法通过程函方程走时场的正传和逆传直接计算敏感核,并利用伴随状态法获得目标函数的梯度,具有快速、稳健的优点.以上两种基于地震射线高频近似理论的走时成像方法由于未考虑地震波频率的带限性,存在波散射、波前愈合及反演约束差等问题.有限频层析成像方法克服了射线理论"无限高频"假设所带来的弊端,已成为重要的研究方向之一.该类方法主要分为射线有限频层析成像方法和基于波动方程的有限频层析成像方法.射线有限频层析成像方法能够提高成像的分辨率,但在方法本质上仍依赖于射线理论,较难处理较复杂的波现象问题;基于波动方程的有限频层析成像方法能准确处理复杂地质问题,提高成像可靠性并能以图像形式直观展示地球内部地震波的速度结构分布,但是该方法在实际应用中强烈依赖于数据中的低频信息及较精确的初始速度模型,其推广应用仍需进一步探索.     

基于Born波路径的高斯束初至波波形反演

为了提高表层速度反演精度,本文提出了一种新的波形反演方法.该方法只利用初至波波形信息以减少波形反演对初始模型的依赖性,降低反演多解性与稳定性.由于只利用初至波波形信息,所以该方法利用高斯束计算格林函数和正演波场,以减少正演计算量.为了避免庞大核函数的存储,该方法基于Born波路径,利用矩阵分解算法实现方向与步长的累加计算.将此基于Born波路径的初至波波形反演方法应用于理论模型实验,并与声波方程全波形反演和初至波射线走时层析方法相对比,发现该方法的反演效果略低于全波形反演方法,但明显优于传统初至波射线走时层析方法,而计算效率却与射线走时层析相当.同时,相对于全波形反演,本文方法对初始模型的依赖性也有所降低.     

初至波相位走时层析

近地表速度结构通常是利用射线走时层析或菲涅尔体走时层析等反演方法得到的,但它们的目标函数仍利用射线走时残差构建,导致反演精度不高.为此,本文提出了基于散射积分算法的初至波相位走时层析成像方法.该方法的核心是:(1)提出了依赖于频率的相位走时概念;(2)利用依赖于频率的相位走时信息,而非单一的无限频率射线走时;(3)发展了一种改进的相位展开方法,即通过监测相位不连续性和2π周期判定来消除相位折叠现象;(4)考虑了地震波传播的有限频特征,即基于波动理论而非传统的射线路径或有限空间的菲涅尔体构建核函数.通过利用Overthrust模型的数值实验及与传统射线走时层析和菲涅尔体走时层析的对比表明:本文提出的方法是一种有效的初至波走时反演方法.同时,基于Overthrust模型的数值试验还证明了下列结论,即通过挖掘更多的走时信息的确可以获得更高的反演精度和分辨率.     

基于初至波走时层析成像的Tikhonov正则化与梯度优化算法

初至波走时层析成像是利用地震初至波走时和其传播的射线路径来反演地下介质速度的技术.该问题本质上是一个不适定问题,需要使用正则化方法并辅之以适当的最优化技巧.本文从数值优化的角度介绍了初至波走时层析成像的反演原理,建立了Tikhonov正则化层析成像反演模型并提出求解极小化问题的加权修正步长的梯度下降算法.该方法可以从速度模型的可行域中迭代找到一个最优解.数值试验表明,该方法是可行和有应用前景的.     

超高密度电阻率法在土洞、煤窑采空区和岩溶勘探中应用研究

超高密度电阻率法是Australia ZZ Resistivity Imaging研发中心积近十年的研究成果提出的全新的电阻率法勘探理念,是电法勘探从手工时代向计算机时代的一次跨越式发展,采用一次布极,采集所有可能组合电极间的电位信息,信息量较常规电法在信息量上翻了40倍以上,并且避开视电阻率概念,利用处理软件直接反演获取断面真电阻率值,针对目前还没有行之有效的地面物探方法可以勘探清楚的土洞、煤窑采空区和岩溶等复杂地质问题,我们采用该方法分别对机场岩溶和土洞、煤矿运煤巷道、隐伏小煤矿采空区和复杂地质病害隧道进行了试验勘探,经钻探验证,准确率在60%以上,达到国内领先水平,取得了较好效果,对复杂地质的工程勘探具有一定参考价值.     

反射波走时高阶多项式拟合在三维地震透射中的应用

利用高阶多项式拟合的方法取代传统的T2-X2法进行反射波走时曲线拟合得到分层地壳中的走时残差，对其应用基于广义反演理论的速度层析成像技术，重建研究区台阵下方的上地壳三维速度结构图像.数值模拟和长白山天池火山三维地震透射速度层析成像都显示了该方法的有效性.     

台湾海峡6.2级地震震区气枪地震资料初步分析

对2019年在台湾海峡6.2级地震震区布设的N01、NE02测线地震测深剖面的Pg波走时进行层析成像反演,获得测线下方地壳上部二维速度结构。对N01测线单道反射地震测深剖面进行多次波衰减等处理,并与Pg波成像结果进行对比。研究结果表明,采用走时层析成像方法与单道反射地震测深剖面获得沿探测剖面沉积层上地壳基底形态特征等具有较好的对应关系。由于测线穿越多个地质构造单元和多条断裂带,走时层析成像和单道反射地震测深剖面结果综合显示研究区结晶基底面起伏较大,沉积层速度和厚度变化较剧烈,受台湾海峡西部新生代构造活动影响,显示了相应的断裂或不同地质构造单元在上部地壳内的结构特征。     

井间地震层析成像初始速度模型

地震直达波走时层析成像可归结为求解一个大型的、稀疏的、常常是病态的线性方程组.求解方程组常用的迭代法,需要一个比较合理的初始猜测解,也即是初始速度模型.初始模型关系到反演的效率甚至成像的正确性.本文在前人研究基础上提出一种生成模型网格节点初始速度方法,假定震源到检波点路径为直线,记录每条射线穿过的单元和统计每个网格单元穿过的射线数目、自动拾取网格节点所在单元的数目等.实例中,由原始数学模型的正演旅行时资料生成节点初始速度模型,效果可以.最后,分别采用均匀模型和本文方法生成的初始模型进行迭代反演,通过比较,证实该自动生成节点初始模型的可行性和可靠性,并对存在的问题进行讨论和解释.     

反射地震层析成像在海洋天然气水合物储层识别中的应用

海底地层速度结构是识别海洋天然气水合物储层的直接依据,本文应用地震反射走时层析成像建立了海底地层速度模型.采用不规则网格对模型进行离散化,使速度单元与反射界面单元完全耦合;利用基于不规则单元波前扩展和走时插值的射线追踪方法,精确确定反射射线路径和反射波走时;在反演中同时使用先验约束、平滑约束、归一化和正则化技术,提高了层析反演的稳定性和结果的可靠性.对南海北部神狐海域SH2井附近的二维地震测线资料,利用多域人机交互法拾取了反射走时,用反射走时层析成像方法获得了SH2井附近含水合物目标区的速度结构.该反演结果与测井声波速度和钻探结果一致,其中的高速带对应水合物储层,表明反射走时层析成像能够有效地得到海洋天然气水合物储层的速度结构,为海洋天然气水合物储层识别提供依据.     

基于二维三次卷积插值算法的辛几何射线追踪

射线追踪是地震波走时层析成像的基础,射线空间位置的准确性及射线走时的精度决定了层析成像的可靠性.本文根据哈密尔顿系统可以有效提高程函方程解稳定性的特性,采用辛几何算法（SAM-Symplectic Algorithm Method）及二维三次卷积插值技术进行地震波射线追踪.由于采用了SAM算法,保证了地震波波前精度,提高了射线空间位置的准确性.数值模拟结果表明SAM既能保证哈密尔顿系统的稳定性又具有运算速度快的特点,提高了射线追踪的计算精度.     

基于贝叶斯二维反演的地下连续墙隐患电阻率成像

针对城建深基坑围护和水利防渗的地下连续墙病害隐患探测难题及特点,考虑到地连墙渗漏会造成墙体内外电阻率显著的变化,可引入地球物理探测方法中的直流电法技术,但传统地面电法的隐患探测效果不理想.考虑到地下连续墙施工时在墙体中设置测斜管,因此可开展地连墙内部缺陷的跨孔电阻率层析成像.而鉴于非线性反演具有对初始模型依赖性不强的特点,提出了基于贝叶斯反演理论的电阻率层析成像.在MATLAB开发环境下,编程完成的多组不同地电异常体的数值模拟反演计算表明,反演结果的信息丰富,对异常体的成像准确高效,且反演结果的稳定性好.