基于逐减随机震源采样法的频率域二维黏滞声波方程全波形反演

全波形反演方法利用叠前地震波场的运动学和动力学信息重建地下速度结构,具有揭示复杂地质背景下构造与岩性细节信息的潜力。然而,巨大的计算量是阻碍其发展的一个瓶颈问题。为此,研究者们提出了震源编码技术来减少计算量,但是此方法在模型更新过程中会引进随机串扰噪声,降低反演结果准确性。所以,在保证计算精度的情况下,本文提出了采用逐减随机震源采样的方法来高效计算全波形反演问题。笔者将此方法应用于频率域二维黏滞声波波动方程全波形反演,开始了在频率域进行随机震源采样类方法的研究,计算过程中共使用了依次增大的8个频率段;并应用Overthrust模型来验证此类随机震源采样法的正确性。实验结果表明：基于逐减随机震源采样法的反演结果与实际Overthrust模型的拟合误差为0.065 65,而应用基于全部震源的全波形反演方法得到的反演结果与实际Overthrust模型的拟合误差为0.064 64,两者差别不大;但计算用时由740 min减少到291.2 min,即计算效率提高了2.54倍。为了更好地确定方法的有效性,将其应用于Marmousi模型进行试算。模型试算结果表明：基于逐减随机震源和基于全部震源得到的反演结果与实际Marmousi模型的拟合误差分别为0.080 12和0.078 97,相差不大;但计算用时由1 218.9 min减少到274.4 min,计算效率提高了4.44倍。综上,在保证反演精度的情况下,基于逐减随机震源采样法的频率域全波形反演方法大大减少了计算量,具有不可替代的计算优势,并且没有引进随机串扰噪声。     

二维瑞雷波多参数全波形反演方法探测浅地表空洞应用研究

浅地表低速异常体(如空洞)的精确探测一直是地球物理领域具有重要价值与挑战性的研究课题,对城市灾害评估与复杂条件下煤田地震勘探的浅地表精细建模具有重要意义。面波全波形反演适合浅地表高精度建模,然而在实际应用中仍存在诸多亟待解决的难题。针对面波全波形反演方法中多参数串扰、实际数据预处理、震源子波估计等关键问题,开发了一套完整的瑞雷波多参数全波形反演方法流程,以实现对浅地表空洞的精确探测。该方法中模型的横波速度、纵波速度和密度随反演进程均被同步更新,减弱后两个参数偏离真实值对横波速度反演精度的消极影响。采用伴随状态法构建的拟海森算子对梯度进行预处理以压制地表伪影、增强波场照明,提高对小尺度异常的表征能力。通过褶积因子消除波场正演与实际数据采集的维数差,实现3D波场到2D波场的转换。采用校正滤波方法估计震源子波,并在迭代进程中进行动态估计,以减弱特定参数模型不准确的影响。同时,该方法采用多尺度反演策略,减轻由低速异常引起的目标函数非凸性,提高反演稳定性。合成数据和实际案例测试结果表明,瑞雷波多参数全波形反演方法得到的横波、纵波速度模型、密度模型具有基本一致性,其中横波速度模型准确度最高。实测数...     

基于共轭梯度法的全波形反演

全波形反演是一种全新的地震成像方法,主要利用全波形信息反演地下介质参数,通过非线性优化波场理论值和观测值的残差实现波形反演。基于时间域声波方程,建立了时间域波场残差目标函数,以分层模型为例,分别从波场精度、目标函数收敛性和运行时间3个方面,比较了共轭梯度（Conjugate Gradient,CG）算法和拟牛顿算法（Broyden-Fletcher-Goldfarb-Shanno,BFGS）反演的效果。同时,应用共轭梯度法对正、逆断层模型和Marmousi模型进行了速度结构反演。反演结果表明:共轭梯度法计算效率较高,反演得到的速度模型精度更高,反演效果较好,是一种有效的波形反演方法。      

基于L—BFGS算法的全波形反演Q值方法研究

估计地层品质因子Q对描述地下构造分布和油气预测都有着重要的意义。考虑到地震波在介质中传播时的黏滞吸收作用,笔者选择2D黏滞性声波方程全波形反演,将观测波场与正演模拟计算得到的波场构建一个目标函数,引入L--BFGS算法反演出地层品质因子。将该方法应用于异常体模型和Marmousi模型测试,结果均表明反演的模型与理论模型的相对误差较小,计算精度高,反演效果好。     

位移不连续模型在黏弹性节理刚度计算的应用

考虑节理质量对应力波传播的影响,运用波的位移位函数推导了谐波在厚黏弹性节理的透、反射系数计算公式,采用波形相关系数描述子波穿过黏弹性节理的波形变化,讨论具有一定厚度的黏弹性节理简化位移不连续模型的适用条件。设厚黏弹性节理模型和位移不连续模型的透射波波形相关系数为0.9时对应的节理厚度为临界厚度,岩体与节理的阻抗比对临界厚度的影响很小;临界厚度随子波中心频率增大呈负指数减小,入射角越大,临界厚度随中心频率减小得越慢。试验数据分析表明：当节理厚度为0.03 m时,采用位移不连续模型和厚黏弹性模型计算得到的节理力学参数非常接近,随节理厚度和子波中心频率增加,运用位移不连续模型的计算结果偏差越大,试验结果与理论分析是一致的。     

精确的频率空间域黏声波有限差分数值模拟

在时间空间域,模拟吸收衰减效应时对计算机内存需求大,计算效率不高、非常难以进行模拟吸收衰减;频率空间域通过引入品质因子和复值速度,使用经验物理、数学公式进行数值模拟吸收衰减就容易多了。笔者使用十分节省计算机内存需求的嵌套剖分法,使用Kjartansson模型高效率地进行模拟吸收衰减。数值试验证实吸收衰减影响地震场的所有频率、对高频的影响最为明显,降低了地震记录的质量;频率空间域非常容易模拟吸收衰减效应,为黏声波全波形反演实际地震资料而奠定很好的基础。     

气云区全波形反演约束Q场建模技术

复杂的浅层气云使地下波场严重扭曲,地震剖面呈现模糊带,影响工区的构造认识和储层描述。品质因子Q是地震波在地层中的衰减属性,Q深度偏移是考虑了地层吸收衰减的偏移成像技术,是提高气云区成像质量的有效方法;但是当浅层气云和深层底辟构造复杂发育时,常规Q场建模的精度往往不能满足Q偏移精细建模的需求。为解决以上难题,本文创新性地提出了全波形反演（full wave inversion, FWI）约束Q场建模技术思路：基于常规网格层析建立初始速度模型,利用FWI技术精细刻画速度异常进而约束Q模型的建立。这一“常规层析-FWI-Q反演”迭代的技术思路在白云凹陷Q深度偏移成像中得到成功应用,不仅提高了气云模糊区的成像质量,而且避免了油气勘探认识的多解性,证明了FWI约束Q场建模和Q深度偏移技术方法对改善复杂气云发育区的成像有效性。     

互相关与最小二乘加权目标函数全波形反演

全波形反演是一个高度非线性的优化问题,当地震数据中缺少低频成分而初始速度与真实速度相差较远时,反演容易陷入局部极小值。笔者提出一种新的目标函数,将模拟地震记录和观测记录的归一化互相关与最小二乘结合。互相关侧重相位匹配,具有更强的线性,能减弱"跳周"现象。通过设置权重因子,在反演前期利用互相关先恢复低波数的背景速度模型,再加入最小二乘约束恢复高波数的模型细节。数值模拟试验结果表明,基于该目标函数的全波形反演不依赖精确的初始模型和低频信息,向全局极小值迅速收敛,能有效改善反演的稳定性,并获得比基于常规目标函数的全波形反演更精确的结果。     

低频缺失下跨孔雷达包络波形反演

全波形反演方法作为一种高分辨率成像手段在跨孔雷达反演中得到有效应用,但其仍受局部最小问题影响。一个有效的解决方法是为反演提供一个准确的初始模型。但在应用真实雷达数据时,由于地下介质未知且存在低频数据缺失的情况,全波形反演往往难以获得理想结果。为此,使用对包络目标函数求导的方法,详细推导了包络波形反演的梯度公式。该方法与传统全波形反演方法在原始数据低频成分缺失情况下的反演结果对比表明,该方法能够有效还原缺失的低频信息并且对低频缺失数据有更好的反演能力,可以直接为地下介质提供定量解释。     

地震反射数据Q值估计及其在油气勘探中的应用

油气地震勘探中,地震波在实际介质中传播时会产生明显的吸收衰减现象,导致地震信号中的主频向低频移动,频带宽度变窄,相位发生畸变,制约了地震勘探识别薄层的分辨能力。为了获得更高分辨率的地震成像,文章介绍了一种在地震反射数据成像域进行Q值估计建模的方法与流程,并利用估计出的Q值通过偏移成像对数据进行衰减补偿,实现高分辨率成像。该方法在时间域引入等效Q值的概念,首先在初步黏弹性时间偏移成像域的时窗内,通过数据在时窗内的补偿效果来确定时间域的等效Q值参数,接着通过在深度域层速度上计算成像射线获得时深转换关系,进而对转换到时间域层Q值的等效参数进行时深转换,完成最终深度域Q值建模,最后将该关键参数作为黏弹性叠前深度偏移的输入,进行复杂构造的黏弹性补偿成像。同时使用中国东部某实际地震数据来验证方法的有效性,验证结果表明发展的流程和方法可较好实现深度域负责构造Q值建模和成像域补偿,实现复杂构造高分辨成像。      

基于探地雷达的路基地下异常体全波形反演

路面塌陷及地下空洞隐患往往较为隐蔽且事发突然,造成了人们生命和财产的巨大损失,对于道路塌陷及地下空洞隐患的检测分析显得至关重要。探地雷达(Groud Penetrating Radar, GPR)因其具有精度高、效率快、连续无损、实时成像等优点,是目前城市道路塌陷隐患探测的主要方法。针对GPR传统目标函数全波形反演(Full Waveform Inversion, FWI)中激励源子波估计不准确而导致反演准确性和可靠性降低的问题,提出了一种褶积型目标函数FWI算法。对于路面塌陷及地下空洞2种情况,通过建立合成数据模型,与传统目标函数FWI的反演结果进行对比,说明了褶积型目标函数FWI算法在激励源子波估计不准确的情况下依然可以得到良好的反演结果,验证了该算法的有效性;最后将该算法用于2组不同灾害类型的GPR实测数据中,分析反演得到的地下介质相对介电常数分布情况,验证了褶积型目标函数FWI算法对于实测数据的实用性,从而为路基地下异常体探测提供理论依据。      

基于贝叶斯理论的反射率法煤田地震波阻抗反演

地震波阻抗反演可以直接提供地下介质的弹性信息，为后续的煤层识别，水通道预测以及陷落柱识别等提供可靠的资料。在面对复杂地质条件时，现有的波阻抗反演方法精度较低，不能满足实际勘探的需求。反射率法通过求解弹性波动方程获得弹性参数信息，能够模拟全波场响应以及地震波的各种传播效应，能更精确地考虑透射损失、多次波等引起的地震波振幅和相位变化，精度较高，且计算效率高于其他波动方程求解方法。因此，基于贝叶斯框架，建立了反射率法的反演目标函数并通过引入柯西分布作为先验分布提高反演结果的分辨率，形成了一种基于贝叶斯的反射率法波阻抗反演方法。将该方法应用于布尔台煤矿地震数据中，获得的波阻抗反演结果与测井资料匹配度较好，相比于常规方法分辨率更高，精度高，能够有效识别薄煤层和深部煤层分布，有效验证了新方法的可行性和有效性。该方法能为利用地震反演技术识别煤层及陷落柱等小构造，预测顶底板水分布提供有力的资料。      

基于地震波形指示反演的陷落柱识别方法及应用

在煤层气勘探开发中，陷落柱是制约煤层气勘探成效的重要因素之一，因此，有效识别陷落柱对提高煤层气勘探成效具有重要意义。以往识别方法都是基于三维地震数据利用陷落柱这一构造引起的地震反射同相轴的非连续性进行识别，本次将陷落柱作为一种地质异常体，利用地震波形指示反演的方法对其进行识别预测。通过测井资料分析和地质建模正演，分析得出煤层中陷落柱发育位置地震波形的3种地球物理响应特征:纵波阻抗值高、地震波形变化和振幅减弱。从地震波形指示反演的基本原理入手，明确该反演方法能够利用陷落柱上述3个响应特征对其进行有效识别。以沁水盆地樊庄区块为例，用该方法对陷落柱识别进行试验，识别结果与钻井含气性及水文地质背景相吻合。结果表明波形指示反演法对陷落柱能够达到有效识别，该方法是识别陷落柱的一种有效手段。      

基于拟Hessian梯度预处理算子的勒夫波全波形反演研究

构建近地表横波速度模型是煤田多分量地震资料处理的重要环节。相较于面波多道分析法,全波形反演在构建近地表横波模型中具有更高的分辨率。然而,在基于梯度的全波形反演中,由于地震记录频带有限、波场的非均匀覆盖以及双重散射等原因导致梯度算子不随深度的增加而缩放,模型深部参数得不到明显更新。目标函数的Hessian算子包含曲率信息,可清晰预测梯度算子中的焦散现象及双重散射产生的伪影,因此,逆Hessian算子则可作为反卷积算子实现对梯度的预处理,加强对模型深部的照明能力。然而Hessian算子具有巨大维度,对其显式计算十分困难。基于此,借鉴逆散射理论的思想,给出勒夫波全波形反演目标函数的拟Hessian算子的表达式,并提出一种梯度预处理的全波形反演方法。将该方法分别应用于断层模型、凹陷模型以及起伏界面模型的重构试验,反演结果表明:与传统的共轭梯度全波形反演方法相比,基于拟Hessian算子的预处理共轭梯度方法可加快收敛速度,提升成像质量。      

煤层陷落柱多波地震数值模拟与成像研究

陷落柱是煤田勘探开发中常见的地质灾害体,陷落柱的精确探测一直是煤田安全生产研究的重点,单纯依靠常规纵波地震勘探技术难以满足现阶段煤田精细勘探的需求。多波地震勘探技术能够获得纵波和转换波地震资料,提供更丰富的波场信息,且转换波对于埋深较浅的小幅度构造有更高的分辨率,充分利用多分量地震资料可以有效的提高地震勘探的精度。本文将多波地震技术应用到煤层陷落柱研究中,利用数值方法对煤层陷落柱进行多波地震勘探模拟研究,采用弹性波有限差分方法对构建的陷落柱模型进行多分量正演模拟,然后分别对波场分离后的PP波和PS波地震数据进行叠前深度偏移成像测试。通过对两个小尺寸陷落柱模型进行多波地震数值试算表明,多波地震勘探技术是一种有效的煤层陷落柱探测方法,充分利用多波地震资料有利于查明煤层陷落柱构造,对陷落柱取得更好的勘探效果。     

Layer-Stripping Full Waveform Inversion with Damped Seismic Reflection Data

Full waveform inversion(FWI) directly minimizes errors between synthetic and observed data.For the surface acquisition geometry,reflections generated from deep reflectors are sensitive to overburden structure,so it is reasonable to update the macro velocity model in a top-to-bottom manner.For models dominated by horizontally layered structures,combination of offset/time weighting and constant update depth control(CUDC) is sufficient for layer-stripping FWI.CUDC requires ray tracing to determine reflection t...     

High-Frequency Rayleigh-Wave Method

High-frequency (≥2 Hz) Rayleigh-wave data acquired with a multichannei recording sys-tem have been utilized to determine shear (S)-wave velocities in near-surface geophysics since the early 1980s. This overview article discusses the main research results of high-frequency surface-wave tech-niques achieved by research groups at the Kansas Geological Survey and China University of Geosciences in the last 15 years. The multichannel analysis of surface wave (MASW) method is a nou-iuvasive acoustic approach to estimate near-surface S-wave velocity. The differences between MASW results and direct borehole measurements are approximately 15% or less and random. Studies show that simultaneous inversion with higher modes and the fundamental mode can increase model resolution and an investigation depth. The other important seismic property, quality factor (Q), can also be estimated with the MASW method by inverting attenuation coefficients of Rayleigh waves. An inverted model (S-wave velocity or Q) obtained using a damped least-squares method can be assessed by an optimal damping vector in a vicinity of the inverted model determined by an objective function, which is the trace of a weighted sum of model-resolution and model-covariance matrices. Current developments include modeling high-frequency Rayleigh-waves in near-surface media, which builds a foundation for shallow seismic or Rayleigh-wave inversion in the time-offset domain; imaging dispersive energy with high resolution in the frequency-velocity domain and possibly with data in an arbitrary acquisition geometry, which opens a door for 3D surface-wave techniques; and successfully separating surface-wave modes, which provides a valuable tool to perform S-wave velocity profiling with high-horizontal resolution.