横向各向同性介质拟声波方程及其在逆时偏移中的应用

地下岩石的速度各向异性影响地震波的传播与成像.横向各向同性(TI)介质为最普遍的等效各向异性模型.引入TI介质拟声波方程可以避免复杂的弹性波方程求解以及各向异性介质波场分离,以满足对纵波成像的实际需要.本文从垂直横向各向同性(VTI)介质弹性波方程出发,推导出正应力表达的拟声波方程以及相应的纵波分量的表达式,进而分析从频散关系得到的拟声波方程的物理意义,而后将拟声波方程扩展到更一般的倾斜横向各向同性(TTI)介质中.波前快照与群速度平面的对比验证了拟声波方程可以很好地近似描述qP波的运动学特征.在此基础上,将拟声波方程应用在逆时偏移中并与其特例声波近似方程进行对比,讨论了计算效率、稳定性等实际问题.数值试验表明VTI介质情况下采用声波近似方程可以提高计算效率,而TTI介质qP-qSV波方程则在效率相当的情况下可以保证稳定性.SEG/HESS模型和逆冲模型逆时偏移试验验证了本文TI介质拟声波方程的实用性.     

等价各向异性介质一阶拟声波 方程正演模拟及其效率分析

为克服各向异性弹性波动方程正演模拟的局限,本文研究了各向异性介质拟声波方程的交错网格有限差分数值解法.首先,从VTI介质胡克定律和qP-qSV波频散关系两种思路出发,通过声假设近似,给出了两种不同形式的VTI介质一阶拟声波方程,并通过引入波场的伪速度分量,推导了一种新的VTI介质一阶应力-速度方程,并通过旋转坐标系将其推广到TTI介质中;其次,构造了一阶拟声波方程的交错网格高阶有限差分格式,并推导了相应的PML边界条件;最后,对本文方法中固有的qSV人为干扰波的产生机制和压制方法进行了简单讨论.数值结果表明:3种一阶拟声波方程在运动学和动力学上是等价的,相对于各向异性弹性波正演模拟,其节省了内存,提高了计算效率;各向异性因素会影响反射波旅行时和振幅等波场特征,在后续的处理、反演和解释中不可忽略;VTI介质HESS模型的逆时偏移结果也验证了本文方法的合理性.      

Pure acoustic wave propagation in transversely isotropic media by the pseudospectral method

Seismic wave propagation in transversely isotropic (TI) media is commonly described by a set of coupled partial differential equations, derived from the acoustic approximation. These equations produce pure P‐wave responses in elliptically anisotropic media but generate undesired shear‐wave components for more general TI anisotropy. Furthermore, these equations suffer from instabilities when the anisotropy parameter ε is less than δ. One solution to both problems is to use pure acoustic anisotropic wave equations, which can produce pure P‐waves without any shear‐wave contaminations in both elliptical and anelliptical TI media. In this paper, we propose a new pure acoustic transversely isotropic wave equation, which can be conveniently solved using the pseudospectral method. Like most other pure acoustic anisotropic wave equations, our equation involves complicated pseudo‐differential operators in space which are difficult to handle using the finite difference method. The advantage of our equation is that all of its model parameters are separable from the spatial differential and pseudo‐differential operators; therefore, the pseudospectral method can be directly applied. We use phase velocity analysis to show that our equation, expressed in a summation form, can be properly truncated to achieve the desired accuracy according to anisotropy strength. This flexibility allows us to save computational time by choosing the right number of summation terms for a given model. We use numerical examples to demonstrate that this new pure acoustic wave equation can produce highly accurate results, completely free from shear‐wave artefacts. This equation can be straightforwardly generalized to tilted TI media.     

VTI介质纯P波混合法正演模拟及稳定性分析

各向异性介质纯P波方程完全不受横波的干扰,在一定程度上可以减缓由于介质各向异性引起的数值不稳定,本文推导了具有垂直对称轴的横向各向同性(VTI)介质纯P波一阶速度-应力方程.由于纯P波方程存在一个分数形式的伪微分算子,无法直接采用有限差分法求解.针对该问题,本文采用伪谱法和高阶有限差分法联合求解波动方程,重点分析了混合法求解纯P波一阶速度-应力方程的稳定性问题,并给出了混合法求解纯P波方程的稳定性条件.数值模拟结果表明纯P波方程伪谱法和高阶有限差分混合法能够进行复杂介质的正演模拟,在强变速度、变密度的地球介质中仍然具有较好的稳定性.     

基于GSLS模型TI介质衰减拟声波方程

随着计算机硬件技术的发展以及高分辨率勘探需求的增加,我们希望能够更准确地模拟地下介质,得到更丰富的地层信息.然而,传统的声学假设并不能描述实际地层所存在各向异性和黏滞性,使得成像分辨率较低.为了实现深部储层的高精度成像,本文同时考虑了介质的各向异性和黏滞性,从TI介质弹性波的基本理论出发,结合各向异性GSLS理论,并通过声学近似方法导出基于GSLS模型的各向异性衰减拟声波方程.数值模拟表明该方程既能准确地描述各向异性介质下的准P波运动学规律,又能体现地层的吸收衰减效应;模型逆时偏移结果表明,在实现成像过程中考虑各向异性和黏滞性的影响,能对高陡构造清晰成像,且剖面振幅相对均衡,分辨率较高.     

改进的TTI介质纯P波方程正演模拟与逆时偏移

逆时偏移作为一种高精度偏移方法已成为复杂构造成像的重要技术,描述纵波独立传播的延拓方程是各向异性介质逆时偏移的一个关键问题.在对VTI介质几个经典相速度近似公式回顾的基础上,针对常用于描述纯P波的Harlan近似公式在各向异性参数ε较大情况下近似精度较低的问题,本文对Harlan公式中的非椭圆项进行了修正,在非椭圆项前添加了一个与各向异性参数ε有关的修正系数,得到了三种改进型Harlan公式,并以近似精度最高的改进式为基础,推导了TTI介质纯P波方程.针对该伪微分方程,本文利用伪谱法和有限差分法联合实现波场延拓,对于常密度二阶方程,基于中心网格实现;对于一阶应力-速度方程则基于旋转交错网格实现.通过数值试验分析了TTI介质纯P波一阶应力-速度方程的近似精度,并以一阶纯P波方程为基础进行了TTI介质逆时偏移数值模拟试验.结果表明,本文给出的方法能够较准确地描述TTI介质纯P波波场特征,可以应用至各向异性介质逆时偏移.     

Pure P- and S-wave equations in transversely isotropic media

Pure-mode wave propagation is important for applications ranging from imaging to avoiding parameter tradeoff in waveform inversion. Although seismic anisotropy is an elastic phenomenon, pseudo-acoustic approximations are routinely used to avoid the high computational cost and difficulty in decoupling wave modes to obtain interpretable seismic images. However, such approximations may result in inaccuracies in characterizing anisotropic wave propagation. We propose new pure-mode equations for P- and S-waves resulting in an artefact-free solution in transversely isotropic medium with a vertical symmetry axis. Our approximations are more accurate than other known approximations as they are not based on weak anisotropy assumptions. Therefore, the S-wave approximation can reproduce the group velocity triplications in strongly anisotropic media. The proposed approximations can be used for accurate modelling and imaging of pure P- and S-waves in transversely isotropic media.     

带正则化校正的TTI介质qP波方程及其逆时偏移方法和应用

各向异性研究对地下介质精确成像有着重要的意义,在当前计算机硬件迅速发展及宽方位地震数据采集日益普遍的情况下,成像必须考虑介质的各向异性.逆时偏移是基于双程波动方程的较为精确的数值解的成像方法,所以相对于其他地震成像方法,它具有很大的优势,譬如不受反射界面的倾角限制、偏移速度结构合适时能够使回转波及多次波正确成像.在各向同性介质中,可使用标量波方程来模拟波场.而在各向异性介质中,P波和SV波是相互耦合的,即不存在单纯的标量波传播,通常利用能代表耦合波场中P波分量运动学特征的拟声波(qP波)进行偏移成像.本文中,我们推导出了TTI介质下qP波控制方程.该方程可采用显式有限差分格式进行求解.通过声学近似,若沿对称轴方向的剪切波速度为零,对于对称轴方向不变且ε≥δ的模型来说,可得到稳定的数值解.但对于TTI介质来说,由于沿对称轴方向各向异性参数是变化的,声学近似会引起波场传播及数值计算的不稳定.因此,我们提出了正则化有限横波的方法,很好地解决了这一问题.最后,给出了Foothill模型的测试结果及某探区实际资料试算结果,展示了采用这个方程进行复杂TTI模型正演和高质量逆时偏移成像结果,证实了该方法的正确性和实际资料应用中的有效性.     

基于平均导数优化方法的VTI介质频率空间域正演

本文提出了一种新的基于平均导数优化方法(average-derivative optimal method,简称ADM)的二维VTI介质qP波波动方程频率空间域二阶9点格式,这种新算法将二维VTI介质qP波波动方程中中心空间导数项的差分近似表示为正交方向上3个网格点的加权平均形式.通过最小二乘优化方法求取空间导数项和加速度项的加权优化系数从而使数值频散达到极小化,每个波长所需要的网格点数在1%的误差范围内仅为3.57个网格点数,而VTI介质常规9点差分格式在相同的误差范围内则需要约12个网格点数,新方法的计算精度明显提高.复杂BP2007 2D VTI海洋标准模型数值模拟结果也验证了本文VTI介质9点ADM算法的有效性和准确性.     

基于分数阶时间导数的黏弹性衰减VTI介质中平面波传播

目前在地震勘探频带范围内通常假设品质因子Q与频率无关,且呈衰减各向同性.事实上,相比较速度各向异性,介质的衰减各向异性同样不可忽视.本文将衰减各向异性和速度各向异性二者与常Q模型相结合,建立了黏弹性衰减VTI介质模型,并基于分数阶时间导数理论,给出了对应的本构关系和波动方程.利用均匀平面波分析和Poynting定理,推导出准压缩波qP、准剪切波qSV和纯剪切波SH的复速度、相速度、能量速度以及品质因子的解析表达式.对模型的正确性进行了数值验证,并分析了qP,qSV和SH波在介质中的传播特性.数值试验结果表明:本模型能够实现理想的恒定Q行为,表现了品质因子和速度的各向异性特征,显示出黏弹性增强将导致能量速度和相速度的频散曲线变化剧烈;速度和衰减各向异性参数与传播角度之间的耦合效应对qP,qSV和SH波的速度和能量影响明显;qP,qSV和SH波的频散曲线和波前面随着衰减各向异性强度的改变发生显著变化,其中耦合在一起的qP和qSV波变化趋势相同,而SH波与它们呈现相反的变化规律.本研究为从常Q模型角度分析地震波在衰减各向异性黏弹性介质中的传播特征奠定了理论基础.     

基于LS-RSGFD方法优化的横向各向同性(TI)介质一阶qP波高精度数值模拟

为克服各向异性介质弹性波数值模拟中存在着计算量大和波场分离困难等局限,研究了声学近似的VTI介质和TTI介质一阶qP波数值模拟方法.首先对VTI介质弹性波方程进行声学近似,推导了VTI介质一阶qP波方程;然后基于精确的TTI介质频散关系,引入一个包含各向异性控制参数σ的新辅助波场,推导了稳定的TTI介质二阶耦合qP波波动方程,并通过引入波场的伪速度分量,推导了等价的一阶应力-速度形式.结合旋转交错网格有限差分(RSGFD)和基于最小二乘优化的有限差分(LS-FD)两种各具优势的方法,研究了最小二乘旋转交错网格有限差分(LS-RSGFD)方法,并用其数值求解VTI和TTI介质一阶qP波方程,然后通过构造其LS-RSGFD格式,实现了高精度的各向异性介质qP波波场数值模拟.数值模拟结果表明:TI介质一阶qP波方程能够准确地模拟各向异性介质中qP波的运动学特征,引入控制参数σ能够有效地减弱不稳定性问题,保证非均匀TTI介质中qP波场的稳定传播;利用优化的LS-RSGFD方法可以得到高精度的合成地震记录,同时还可以相对地提高计算效率.     

Angle gathers in wave‐equation imaging for transversely isotropic media

In recent years, wave‐equation imaged data are often presented in common‐image angle‐domain gathers as a decomposition in the scattering angle at the reflector, which provide a natural access to analysing migration velocities and amplitudes. In the case of anisotropic media, the importance of angle gathers is enhanced by the need to properly estimate multiple anisotropic parameters for a proper representation of the medium. We extract angle gathers for each downward‐continuation step from converting offset‐frequency planes into angle‐frequency planes simultaneously with applying the imaging condition in a transversely isotropic with a vertical symmetry axis (VTI) medium. The analytic equations, though cumbersome, are exact within the framework of the acoustic approximation. They are also easily programmable and show that angle gather mapping in the case of anisotropic media differs from its isotropic counterpart, with the difference depending mainly on the strength of anisotropy. Synthetic examples demonstrate the importance of including anisotropy in the angle gather generation as mapping of the energy is negatively altered otherwise. In the case of a titled axis of symmetry (TTI), the same VTI formulation is applicable but requires a rotation of the wavenumbers.     

Acoustic VTI modeling and pre-stack reverse-time migration based on the time–space domain staggered-grid finite-difference method

Reverse-time migration (RTM) is based on seismic numerical modeling algorithms, and the accuracy and efficiency of RTM strongly depend on the algorithm used for numerical solution of wave equations. Finite-difference (FD) methods have been widely used to solve the wave equation in seismic numerical modeling and RTM. In this paper, we derive a series of time–space domain staggered-grid FD coefficients for acoustic vertical transversely isotropic (VTI) equations, and adopt these difference coefficients to solve the equations, then analyze the numerical dispersion and stability, and compare the time–space domain staggered-grid FD method with the conventional method. The numerical analysis results demonstrate that the time–space domain staggered-grid FD method has greater accuracy and better stability than the conventional method under the same discretizations. Moreover, we implement the pre-stack acoustic VTI RTM by the conventional and time–space domain high-order staggered-grid FD methods, respectively. The migration results reveal that the time–space domain staggered-grid FD method can provide clearer and more accurate image with little influence on computational efficiency, and the new FD method can adopt a larger time step to reduce the computation time and preserve the imaging accuracy as well in RTM. Meanwhile, when considering the anisotropy in RTM for the VTI model, the imaging quality of the acoustic VTI RTM is better than that of the acoustic isotropic RTM.     

基于优化有限差分和混合吸收边界条件的三维VTI介质声波和弹性波数值模拟

传统有限差分系数是通过泰勒级数展开求取的,这样导致所计算的频散曲线在大波数区域会产生较强的数值误差.针对二阶空间偏导数的显式有限差分离散,本文发展了一种新的优化差分系数方法：首先将泰勒级数展开与多点采样方法结合应用于空间频散关系,基于最大范数建立直观有效的优化目标函数,采用Remez算法求解该目标函数,从而获得最优化差分系数.利用优化有限差分方法求解三维垂直对称轴横向各向同性（VTI）介质中的声波和弹性波方程.另外,本文将二维混合吸收边界条件推广到三维VTI介质中,用于吸收人工截断边界反射;基于各向异性特征,合理调整了边界区域的速度值来提高吸收效果.考虑到三维情况下计算效率的问题,本文波场外推过程中采用图形处理器（GPU）取代传统的中央处理器（CPU）.数值精度分析表明,相比较于传统的泰勒级数展开方法,优化有限差分方法在大波数区域对频散误差的压制效果更明显.在三维均匀和修改的Hess VTI模型中的数值模拟实验证明了本文方法具有更高的精度与效率,混合吸收边界条件在三维VTI介质中具有良好的边界吸收效果.     

页岩气地震勘探中页岩各向异性的地震模拟研究

页岩的强各向异性特征挑战地震波传播数值模拟方法的精度极限, 特别是易引起频散的高频波(>100 Hz)传播的数值模拟.鉴于目前我国页岩气地震勘探主要以常规地震声波资料为主,本文首先介绍了一种VTI介质声波方程的任意偶数阶有限差分数值模拟方法,并讨论其稳定性条件和吸收边界条件.任意偶数阶的差分解可有效提高计算精度,压制数值频散噪声.针对页岩较强的各向异性特征,本文比较了不同模型的声波方程和VTI介质声波方程计算得到的地震响应.数值结果表明,各向异性对地震波的运动学(相位)和动力学(振幅)特性影响作用明显.因此,在页岩气地震勘探资料处理的各个环节必须充分考虑各向异性的影响,采取有别于常规油气勘探的处理流程和技术.     

三维VTI介质中波动方程深度偏移的最优分裂Fourier方法

从含Thomsen各向异性参数的qP波相速度表示式出发,建立并求解三维VTI介质中的频散方程,得到三维VTI介质中的相移算子,进而将以相移算子为基础的最优分裂Fourier方法推广到三维VTI介质,发展了一个三维VTI介质的深度偏移方法.文中使用的各向异性介质的速度模型与现行的各向异性构造的速度估计方法一致,将各向同性、弱各向异性及强各向异性统一在一个模型中.文中提出的偏移算法对相移法引入了高阶校正项来补偿介质横向变化的影响,使该方法可应用于横向非均匀VTI介质的陡角度成像,文中给出的偏移脉冲响应很好地证明了这一点.     

VTI介质P波非双曲时差分析

具有垂直对称轴的横向各向同性介质模型(VTI)是目前各向异性理论研究和多波多分量地震资料叠前成像处理中最常用的一种各向异性模型.VTI介质中反射 P波时距曲线一般不再是双曲线.基于不同的相速度近似公式会得到不同的时距关系式.文中对几种典型的非双曲时距曲线与射线追踪得到的准确时距曲线在不同各向异性强度下进行了对比，结果表明Muir等和Stovas等提出的非双曲时距公式由于过高地考虑了横波垂直速度的影响与精确的时距曲线有很大偏差；Tsvankin等提出的弱各向异性非双曲时距公式在ε-δ<0时误差增大；Alkhalifah等提出的非双曲时距公式在大炮检距任意各向异性强度下都具有较高的精度，适于在实际资料处理中应用.     

TI介质局部角度域射线追踪与叠前深度偏移成像

研究与实践表明,对于长偏移距、宽方位地震数据,忽略各向异性会明显降低成像质量,影响储层预测与描述的精度.针对典型的横向各向同性(TI)介质,本文面向深度域构造成像与偏移速度分析的需要,研究基于射线理论的局部角度域叠前深度偏移成像方法.它除了像传统Kirchhoff叠前深度偏移那样输出成像剖面和炮检距域的共成像点道集,还遵循地震波在成像点处的局部方向特征、基于扩展的脉冲响应叠加原理获得入射角度域和照明角度域的成像结果.为了方便快捷地实现TI介质射线走时与局部角度信息的计算,文中讨论和对比了两种改进的射线追踪方法:一种采用从经典各向异性介质射线方程演变而来的由相速度表征的简便形式;另一种采用由对称轴垂直的TI(即VTI)介质声学近似qP波波动方程推导出来的射线方程.文中通过坐标旋转将其扩展到了对称轴倾斜的TI(即TTI)介质.国际上通用的理论模型合成数据偏移试验表明,本文方法既适用于复杂构造成像,又可为TI介质深度域偏移速度分析与模型建立提供高效的偏移引擎.     

Anisotropic reverse-time migration for tilted TI media

Seismic anisotropy in dipping shales results in imaging and positioning problems for underlying structures. We develop an anisotropic reverse‐time depth migration approach for P‐wave and SV‐wave seismic data in transversely isotropic (TI) media with a tilted axis of symmetry normal to bedding. Based on an accurate phase velocity formula and dispersion relationships for weak anisotropy, we derive the wave equation for P‐wave and SV‐wave propagation in tilted transversely isotropic (TTI) media. The accuracy of the P‐wave equation and the SV‐wave equation is analyzed and compared with other acoustic wave equations for TTI media. Using this analysis and the pseudo‐spectral method, we apply reverse‐time migration to numerical and physical‐model data. According to the comparison between the isotropic and anisotropic migration results, the anisotropic reverse‐time depth migration offers significant improvements in positioning and reflector continuity over those obtained using isotropic algorithms.