非对称地震矩张量时间域反演:理论与方法

本文在对称地震矩张量反演的基础上,进一步研究了非对称地震矩张量时间域反演的理论与方法,结果表明:非对称地震矩张量反演与对称地震矩张量反演类似,只需将对称地震矩张量反演方法略加改动,即增加3个待解参数,便可实现非对称地震矩张量反演.为了判断非对称地震矩张量反演相对于对称地震矩张量反演是否存在过度拟合,运用了AIC准则 (赤池信息准则).为了定量地描述地震矩张量之间的差异,引入了地震矩张量的矢量表示法.通过分析格林函数与地震矩张量各分量之间的关系,得出:在非对称地震矩张量反演时,若仅用垂直向地动位移数据,将无法区分M_xy与M_yx这两个分量, 需要同时运用垂直向与水平向地动位移数据进行联合反演才能区分M_xy与M_yx; 若采用不同的速度结构模型或不同的格林函数计算方法,则需重新评估地震矩张量各分量的分辨度问题.为检验非对称地震矩张量反演方法的可行性, 利用合成地震图进行了一系列数值试验.数值试验结果表明,在非对称地震矩张量反演中,有必要引入S波进行P波与S波联合反演以提高反演的准确性和判定断层面的能力.      

声发射矩张量反演

地震矩张量反演是获取震源过程的有效方法.岩石变形过程中的声发射与地震类似,均是弹性应变能快速释放.如假设条件得到满足,矩张量反演方法同样可用于了解声发射震源过程.声发射矩张量反演可使用P波位移进行计算.当样品尺寸远大于声发射波长,且声发射由微破裂产生,声发射源的尺度很小时,P波矩张量反演可采用远场近似.本文首先针对声发射的特点,实现根据远场P波反演声发射矩张量的算法,并通过人工声发射实验对算法的正确性和可靠性进行了检验.最后,用声发射矩张量反演方法对花岗岩单轴压缩实验的声发射源特征进行了分析.结果表明：对于纯剪切破裂模式,声发射矩张量反演可得断层面;对于非纯剪切破裂模式,如纵向挤压导致的横向张性劈裂,由于存在多解性不能得到断层面,但可通过矩张量的迹区分破裂模式.     

用P波波形资料反演中强地震地震矩张量的方法

本文给出了利用不同震中距范围（３°-９０°）的长周期Ｐ波记录资料，通过波形拟合和反演确定地震矩张量的方法．在求解过程中，不引入矩张量的迹为零这一约束条件．有６个独立分量的地震矩张量解可分解成各向同性部分、最佳双力偶和补偿线性矢量偶极．文中给出了发生在中国的５次６级以上地震的地震矩张量反演结果，表明在一些地震的震源过程中存在不可忽略的体积变化．     

用全局反演方法确定地震震源的最佳和极端模型

本文发展了一种利用波形资料反演地震矩张量的全局方法．这种方法不依赖于初始解的选择，也不受目标函数和约束条件的具体形式限制．当以记录图与理论地震图的误差函数作为目标函数时，用该方法得到的是震源最佳模型；当分别以矩张量分量某种组合的最小或最大为目标，约束误差函数在允许的界限内，能够得到震源的极端模型．由于许多震源性质可以用矩张量分量的组合表示，因此极端模型能够估计出最佳模型的不确定性范围．我们利用一真实地震的波形资料反演结果，证明了这个方法的有效性．      

区域台网地震矩张量快速反演系统研究

基于美国内华达大学地震实验室的矩张量反演程序,采用JAVA和HTML语言,研发了一套近实时全波形矩张量快速反演系统,用于区域台网地震矩张量的快速产出.该系统由区域地震速报系统触发,能自动实现中等强度地震矩张量的快速反演,同时也包含人机交互模块,可进行人工校正,最终以网页形式对外服务.本文将系统运行以来成功反演的结果与USGS和中国地震局地球物理研究所的计算结果进行对比,验证了该系统的可靠性.      

一种矩张量反演新方法及其对2008年汶川MS8.0地震序列的应用

本文利用全球地震台网（GSN）的宽频带与长周期地震波形资料,采用矩张量反演的新方法,反演得到了2008年5月12日四川省汶川县MS8.0地震及其7个较大余震（MS5.0-6.0）的矩张量解与震源时间函数等震源参数.文章首先简要叙述矩张量反演新方法的理论背景和技术途径,并以汶川大地震的一个余震为例阐述了具体的实现过程;然后给出包括主震在内的8次地震的矩张量解和震源时间函数;最后分析探讨这些结果的构造意义.本文提出的矩张量反演新方法,不但与全球矩心矩张量（GCMT）一样,可以给出点源矩张量解,而且还可以给出点源的震源时间函数. 反演得到的汶川大地震的7个较大余震的震源时间函数表明,即使是中等强度的地震也可能有复杂的震源过程;汶川大地震的多数余震发生在以逆冲为主、兼具小量走滑分量的龙门山断裂带的主断裂上,但很可能有些余震则发生在主断裂附近的次级走滑断裂上.      

矩张量反演法在江苏及附近海域的应用

利用江苏区域数字地震台网宽频带地震计记录的Pnl波波形资料,采用TDMT_INV时间域地震矩张量反演方法,尝试反演2009-2011年江苏及附近海域7次中小地震(ML3.5以上,最大震级ML5.3)的地震矩张量解,并通过记录清晰的P波初动在震源球的下半球投影对反演结果进行评价.结果表明:反演结果与初动方向一致较好.由此说明在研究区域用矩张量反演法测定中小地震震源机制解具有一定的可行性.     

六分量弹性波场数值模拟与分析

地震波传播过程中,质点的振动不仅包括三个独立的平移部分,还包括三个独立的旋转部分.本文基于一阶速度-应力弹性波方程,采用分裂完全匹配层(SPML)的吸收边界条件,推导了时间导数二阶精度和空间导数高阶精度的交错网格有限差分格式的弹性波速度与应力各分量计算公式,模拟了各向同性介质中均匀模型和层状模型下的六分量波场,并对二维各向同性层状模型下的三个分量地震记录做高分辨率线性拉东变换得到各自的频散能谱.数值模拟分析结果表明:(1)旋转分量的能量要比平动分量弱的多;(2)在平动分量上,面波能量强,频率低,反射P波能量较强,反射S波能量稍弱;在旋转分量上,反射P波能量很弱,S波能量强;(3)与平动分量相比,旋转分量的频散能谱效果更好,能看到基阶和完整的高阶面波,即旋转分量能反映更多的地下介质信息.     

光纤振动传感之一:旋转测量技术及其地震学应用

地震波场可分解为三分量平动和三分量旋转运动.旋转分量包含重要的波场梯度信息,是地震波场重建的关键要素,但过去由于缺乏稳定的高灵敏度旋转测量仪器,它在不同的地震学应用中常被忽略.光纤旋转地震仪是率先打破测量仪器缺乏困境、最先实现商业化的旋转地震仪,也是目前最有发展前景的地震波旋转直接测量设备.光纤旋转地震仪基于Sagnac效应,并依托成熟的光纤陀螺技术实现振动的旋转分量测量.它具有纯光电传感不受平动影响的测量优势;并且能够在高灵敏度和宽频带旋转测量的基础下实现设备的小型化,有利于旋转测量的应用推广.因此,光纤旋转地震仪和传统的地震仪将形成互补,实现旋转和平动六分量(6C)的观测,更好地提取地震波场特征,提高振动监测能力,有效改善震源过程反演、地下结构成像和地震破坏机理研究等应用.本文主要介绍光纤旋转测量的基本原理、旋转地震学的应用及其潜在应用前景.     

基于新的惩罚因子算法的波场重构反演

全波形反演是一种高精度的反演方法,其目标函数是一个强非线性函数,易受局部极值影响,而且反演过程计算量较大.波场重构反演是近几年提出的一种改进的全波形反演理论.该反演方法通过将波动方程作为惩罚项引入到目标函数中,通过拓宽解的寻找空间减弱了局部极小值的影响,而且反演过程不需要计算伴随波场,提高了计算效率.但该反演方法一直缺少准确的惩罚因子算法,直接影响到该方法的准确度.本文将波场重构反演拓展到时间域并利用梯度法进行波场重构.频率域的惩罚因子用来加强波动方程的约束,而时间域惩罚因子表现为调节模拟波场和实际波场的权重因子.为此,我们根据约束优化理论,在波动方程准确以及重构波场与反演参数解耦的假设下,提出以波动方程为目标函数的新的惩罚因子算法.根据波形反演在应用时普遍存在的噪音干扰、子波错误和低频信息缺失的情况下,应用部分Sigsbee2A模型合成数据对本文提出的算法进行实验.数值实验结果表明：基于新的惩罚因子算法,在其他信息不准确的情况下,波场重构反演可以给出高精度的反演结果.     

基于声波方程的井间地震数据快速WTW反演方法

WTW(Wave equation traveltime+Waveform inversion)反演是基于波动方程的走时反演（WT反演）和波形反演的联合反演方法.WT反演利用波动方程计算走时和走时关于速度的导数，和传统以射线为基础的走时反演相比，具有不必射线追踪、不必拾取初至、不必高频假设以及初始模型和实际模型差别较大时也能较好收敛等优点，但WT反演与波形反演相比其结果分辨率低.与之互补的是，波形反演的反演结果分辨率高，但是当所给初始模型和实际模型相差太大时，波形反演迭代算法容易陷入局部极小点.可见结合两种方法的WTW反演是一种比较好的联合反演方法.常规WTW迭代算法是首先以WT反演为主反演得到地质模型的整体特征，然后再以波形反演为主反演模型细节，该算法耗时和占用计算机存储空间接近WT反演或波形反演的两倍.为了节省运算耗时和计算机存储空间，往往采取首先单独利用WT反演然后再单独利用波形反演的算法.这样做的缺点是不能紧密结合两种反演方法，使得它们的优缺点在每一次迭代中无法得到互补，从而影响了最终的反演结果.针对以上事实，本文提出一种新的方法实现WTW，使得WTW运算速度和存储空间在任何情况下等同于WT反演或波形反演.模型计算表明新的算法具有更好的收敛性.     

Multi-trace basis-pursuit seismic inversion for resolution enhancement

Seismic inversion is an important tool that transfers interface information of seismic data to formation information, which renders the seismic data easily understood by geologists or petroleum engineers. In this study, a novel multi-trace basis-pursuit inversion method based on the Bayesian theory is proposed to enhance the vertical resolution and overcome the lateral instability of inversion results between different traces occasionally seen in the traditional trace-by-trace basis-pursuit inversion method. The Markov process is initially introduced to describe the relationship between adjacent seismic traces and their correlation, which we then close couple in the equation of our new inversion method. A recursive function is further derived to simplify the inversion process by considering the particularity of the coefficient matrix in the multi-trace inversion equation. A series of numerical-analysis and field data examples demonstrates that both the traditional and the new methods for P-wave impedance inversion are helpful in enhancing the resolution of thin beds that are usually difficult to discern from original seismic profiles, thus highlighting the importance of acoustic-impedance inversion for thin bed interpretation. Furthermore, in addition to yielding thin bed inversion results with enhanced lateral continuity and high vertical resolution, our proposed method is robust to noise and cannot be easily contaminated by it, which we verify using both synthetic and field data.     

Multiscale phase inversion for 3D ocean-bottom cable data

We invert three-dimensional seismic data by a multiscale phase inversion scheme, a modified version of full waveform inversion, which applies higher order integrations to the input signal to produce low-boost signals. These low-boost signals are used as the input data for the early iterations, and lower order integrations are computed at the later iterations. The advantages of multiscale phase inversion are that it (1) is less dependent on the initial model compared to full waveform inversion, (2) is less sensitive to incorrectly modelled magnitudes and (3) employs a simple and natural frequency shaping filtering. For a layered model with a three-dimensional velocity anomaly, results with synthetic data show that multiscale phase inversion can sometimes provide a noticeably more accurate velocity profile than full waveform inversion. Results with the Society of Exploration Geophysicists/European Association of Geoscientists and Engineers overthrust model shows that multiscale phase inversion more clearly resolves meandering channels in the depth slices. However, the data and model misfit functions achieve about the same values after 50 iterations. The results with three-dimensional ocean-bottom cable data show that, compared to the full waveform inversion tomogram, the three-dimensional multiscale phase inversion tomogram provides a better match to the well log, and better flattens angle-domain common image gathers. The problem is that the tomograms at the well log provide an incomplete low-wavenumber estimate of the log's velocity profile. Therefore, a good low-wavenumber estimate of the velocity model is still needed for an accurate multiscale phase inversion tomogram.     

随机反演在储层预测中的应用

针对隐蔽油气藏储层预测的需要,开展了地震反演研究,根据目前的实际应用将储层预测中的基于模型的地震反演分为三个实施阶段:即构造反演、声波波阻抗或弹性波阻抗反演以及岩性反演,并对每个阶段的目的、关键技术及其原理进行了详细描述,尤其是详细描述了基于马尔科夫链的蒙特卡罗随机模拟技术.最后给出了一个综合应用测井、地质、地震资料进行反演,从而进行储层预测的实例.     

基于广义模型约束的时间域航空电磁反演研究

由于航空电磁具有海量数据,因此快速有效的成像和反演手段至关重要.本文针对层状介质模型推导与实现了广义模型约束条件下时间域航空电磁一维反演.从正则化反演的目标函数出发,通过改变模型约束项构造Lp范数反演和聚焦反演,进而通过改变模型求解域构造出基于小波变换的稀疏约束反演.针对不同反演方法目标函数的构建方式,本文进一步从数学原理上分析不同反演方法的预期效果,并通过理论模型和实测数据进行验证.结果表明L0.8范数反演、聚焦反演和基于小波变换的稀疏约束反演可以得到更符合地下层状介质陡变界面的反演结果.     

Analysis of gravity source moment inversion. Part II: Usinga priori information about the source

The method of moment inversion, based on the approximation of the gravity anomaly by thetruncated series obtained from its multipole expansion, uses, implicitly,a priori information about the anomalous body. The series truncation imposes a regularizing condition on the equipotential surfaces (produced by the anomalous body), allowing the unique determination of some moments and linear combinations of moments that are the coefficients of the basis functions in the multipole expansion series. These moments define a class of equivalent distributions of mass. The equivalence criterion is based on the misfit between the observations and the field produced by the series truncated at a prefixed maximum order for the moments. The estimates of the moments of the equivalent distribution are shown to compose the stationary solution of a system of first-order linear differential equations for which uniqueness and asymptotic stability are guaranteed. Specifically for the series retaining moments up to second order, the implicita priori information introduced requires that the source have finite volume, be sufficiently distant from the measurement plane and that its spatial distribution of mass present three orthogonal planes of symmetry intersecting at the center of mass. Subject to these hypotheses, it is possible to estimate uniquely and simultaneously the total excess of mass, the position of the center of mass and the directions of the three principal axes of the anomalous body.     

基于反射界面自动拾取的AVA反演方法研究

本文将逐点匹配滤波思想应用于叠前AVA反演,提出了一种反射界面自动拾取方法,从而将叠前非线性反演问题转化为两步线性反演进行求解.首先基于逐点计算的方式获取每个采样点对应的残差值,然后在残差曲线上自动拾取波谷以定位反射界面,最后在频率域采用最小二乘反演对叠前参数进行更准确的估计.相比于传统的同时估计反射界面位置和幅值的非线性反演方法,该方法不需要关于参数的个数、分布等先验假设,并且具有运算速度快、求解稳定的优点.模型试验以及实际地震资料处理验证了该方法的有效性.     

Analysis of gravity source moment inversion. Part I: Using noa priori information about the source

A generic gravity source moment is an integral, over the source volume, of the product of the density distribution by a polynomia in the Cartesian coordinates of a point belonging to this volume. We obtained a formal expression for a generic moment in terms of integrals involving the gravity anomaly and the gravity potential. By analyzing the conditions under which this expression is valid, we conclude that, without usinga priori information regarding the sources, it is possible to determine, from the gravity anomaly, any moment or linear combination of moments whose associated polynomial has null Laplacian and depends only on the coordinates defining the measurement plane. Additionally, no moment whose associated polynomial has a nonnull laplacian can be determined without usinga priori information of the source.     

井间地震资料测井约束层析成像

利用井间地震资料进行层析成像,由于受观测角的限制,其成像过程具有很强的不稳定性.为了提高成像过程的稳定性,本文将测井资料引入到反演过程中,利用测井资料约束井间地震反演成像过程.采用假设模型进行数值模拟和反演实验,并与无约束反演方法进行对比实验,多种反演结果对比表明,测井约束反演方法改善了层析成像过程的稳定性,提高了成像结果的精度.