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.     

基于平面波照明的偏移成像补偿

受地下复杂构造和地震数据采集系统的影响,地震波对地下目标的照明出现不均匀,在地震数据的偏移成像中出现成像阴影.根据地震数据最小二乘偏移/反演理论,和把地震波场照明结果作为最小二乘偏移/反演中的Hessian矩阵的近似对偏移成像进行补偿的原理,提出一种应用平面波照明结果对平面波偏移成像结果进行补偿以消除偏移成像阴影的方法.这种基于平面波照明的偏移成像补偿方法相对于局部角度域的照明偏移成像补偿方法具有计算效率上的优势.     

地震数据的反射波动方程最小二乘偏移

基于反射波动方程,本文提出了一种估计地下反射率分布的地震数据最小二乘偏移方法.高频近似下,非齐次的一次反射波动方程的源项是由反射率与入射波场的时间一阶导数相互作用产生的.根据反射波动方程,利用线性最小二乘反演方法由地震反射数据重建出地下产生反射波的反射源,再结合波场正演计算出的地下入射波场,得到地下反射率分布的估计.在地下反射源的线性最小二乘反演重建中,我们采用迭代求解方法,并以地震波的检波器单向地下照明强度作为最小二乘优化问题中Hessian矩阵的近似.     

时间二阶积分波场的全波形反演

通过对波场的时间二阶积分运算以增强地震数据中的低频成分,提出了一种可有效减小对初始速度模型依赖性的地震数据全波形反演方法—时间二阶积分波场的全波形反演方法.根据散射理论中的散射波场传播方程,推导出时间二阶积分散射波场的传播方程,再利用一阶Born近似对时间二阶积分散射波场传播方程进行线性化.在时间二阶积分散射波场传播方程的基础上,利用散射波场反演地下散射源分布,再利用波场模拟的方法构建地下入射波场,然后根据时间二阶积分散射波场线性传播方程中散射波场与入射波场、速度扰动间的线性关系,应用类似偏移成像的公式得到速度扰动的估计,以此建立时间二阶积分波场的全波形迭代反演方法.最后把时间二阶积分波场的全波形反演结果作为常规全波形反演的初始模型可有效地减小地震波场全波形反演对初始模型的依赖性.应用于Marmousi模型的全频带合成数据和缺失4Hz以下频谱成分的缺低频合成数据验证所提出的全波形反演方法的正确性和有效性,数值试验显示缺失4Hz以下频谱成分数据的反演结果与全频带数据的反演结果没有明显差异.     

基于解析时间波场外推与波场分解的逆时偏移方法研究

双程波方程逆时深度偏移是复杂介质高精度成像的有效技术,但其结果中通常包含成像方法引起的噪音和假象,一般的滤波方法会破坏成像剖面上的振幅,其中的假象也会给后续地质解释带来困扰.将波场进行方向分解然后实现入射波与反射波的相关成像能够有效地消除这类成像噪音,并提高逆时偏移成像质量.波传播方向的分解通常在频率波数域实现,它会占用大量的存储和计算资源,不便于在沿时间外推的逆时深度偏移中应用.本文提出解析时间波场外推方法,可以在时间外推的每个时间片上实现波传播方向的显式分解,逆时深度偏移中利用分解后的炮检波场进行对应的相关运算,实现成像噪音和成像信号的分离.在模型和实际数据上的测试表明,相比于常规互相关逆时偏移成像结果,本文方法能够有效地消除低频成像噪音和特殊地质构造导致的成像假象.     

基于插值原理的检查点技术波场重构与叠前逆时偏移

叠前逆时偏移等基于波场互相关原理的地球物理方法存在极大的计算与存储需求,因此采用合适的波场重构方法显得尤为重要.常规的随机边界法容易产生成像噪声,而有效边界法在三维情况仍难以实现,检查点技术具有内存要求小的特点,但存在较高的重算率,因此本文提出了插值原理的检查点技术波场重构方法.在满足Nyquist采样定理的前提下对相邻检查点间的波场进行规则抽样,将抽样波场作为插值节点,运用多项式插值算法重构任意时刻的波场,从而避免优化检查点技术反复递推造成的计算效率问题.数值实验表明：插值检查点重构算法能有效的恢复波场,其中三次样条插值重构精度最高,而牛顿法插值法计算代价较小适合于快速重构.经Sigsbee模型的叠前逆时偏移证明了插值算法的可行性,并且极大的提高了波场重构的计算效率.三维模型分析得出在增加少量存储的情况下插值重构法的重算率大幅度降低,存储量减少为有效边界法的7.1%,对于三维尺度的叠前逆时偏移有实际意义.     

频率多尺度全波形速度反演

以二维声波方程为模型,在时间域深入研究了全波形速度反演.全波形反演要解一个非线性的最小二乘问题,是一个极小化模拟数据与已知数据之间残量的过程.针对全波形反演易陷入局部极值的困难,本文提出了基于不同尺度的频率数据的"逐级反演"策略,即先基于低频尺度的波场信息进行反演,得出一个合理的初始模型,然后再利用其他不同尺度频率的波场进行反演,并且用前一尺度的迭代反演结果作为下一尺度反演的初始模型,这样逐级进行反演.文中详细阐述和推导了理论方法及公式,包括有限差分正演模拟、速度模型修正、梯度计算和算法描述,并以Marmousi复杂构造模型为例,进行了MPI并行全波形反演数值计算,得到了较好的反演结果,验证了方法的有效性和稳健性.     

利用矩阵分解理论的双程波方程叠前深度偏移方法

叠前深度偏移理论及方法一直是地震数据成像中研究的热点问题.业界对单程波叠前深度偏移方法和逆时深度偏移开展了深入的研究,但对双程波方程波场深度延拓理论及成像方法的研究还鲜有报道.本文以地表记录的波场值为基础,利用单程波传播算子估计波场对深度的偏导数,为在深度域求解双程波方程提供充分的边界条件,并提出利用矩阵分解理论实现双程波方程的波场深度外推.通过对强速度变化介质中传播波场的计算,与传统的单程波偏移方法相比,本文提出的偏移方法计算的波场与常规有限差分技术计算的波场相一致,证明了本方法计算的准确性.通过对SEAM模型的成像,在相同的成像参数下,与传统的单程波偏移算法和逆时深度偏移算法方法相比,本文提出的偏移方法能够提供更少的虚假成像和更清晰的成像结果.本文所提偏移算法具有深度偏移和双程波偏移的双重特色,推动和发展了双程波叠前深度偏移的理论和实践.     

Seismic wavefield modeling based on time-domain symplectic and Fourier finite-difference method

Seismic wavefield modeling is important for improving seismic data processing and interpretation. Calculations of wavefield propagation are sometimes not stable when forward modeling of seismic wave uses large time steps for long times. Based on the Hamiltonian expression of the acoustic wave equation, we propose a structure-preserving method for seismic wavefield modeling by applying the symplectic finite-difference method on time grids and the Fourier finite-difference method on space grids to solve the acoustic wave equation. The proposed method is called the symplectic Fourier finite-difference (symplectic FFD) method, and offers high computational accuracy and improves the computational stability. Using acoustic approximation, we extend the method to anisotropic media. We discuss the calculations in the symplectic FFD method for seismic wavefield modeling of isotropic and anisotropic media, and use the BP salt model and BP TTI model to test the proposed method. The numerical examples suggest that the proposed method can be used in seismic modeling of strongly variable velocities, offering high computational accuracy and low numerical dispersion. The symplectic FFD method overcomes the residual qSV wave of seismic modeling in anisotropic media and maintains the stability of the wavefield propagation for large time steps.     

基于波动方程的叠前地震反演

随着地震勘探和开发的不断深入,面向地质目标的精细储层预测技术变得越来越重要.由于透射损失、层间多次波、波模式转换以及随机噪声等的影响,观测地震数据和待反演的地下介质属性之间呈现出很强的非线性.考虑到这些非线性,本文基于积分波动方程开展叠前地震反演,从观测地震数据中恢复出介质属性和整体波场,其中反演参数是波动方程中的压缩系数、剪切柔度和密度的对比度,相比于常规线性AVO反演的波阻抗弹性参数,它们对流体指示有更强的敏感性.在反演过程中,从平滑的低频背景场出发,交替迭代求解数据方程和目标方程.采用乘性正则化方法于共轭梯度框架下求解反演参数,采用优化的散射级数Neumann序列获得整体波场,这种方法不易陷入局部极值,能收敛到正确解.测井资料和典型山前带模型测试表明,利用上述反演方法能获得高分辨率的深度域地下介质属性,可直接进行储层预测和解释.     

基于时空域自适应高阶有限差分的声波叠前逆时偏移

叠前逆时偏移在理论上是现行偏移方法中最为精确的一种成像方法,其实现过程中的核心步骤之一是波动方程的波场延拓,而波场延拓的本质是求解波动方程,所以精确、快速地求解波动方程对逆时偏移至关重要.本文采用一种基于时空域频散关系的有限差分方法来求解声波方程,分析其频散和稳定性,实现波场数值模拟,并将分析和模拟结果与传统有限差分法进行对比.分析结果和模型数值模拟结果都表明时空域有限差分法模拟精度更高、稳定性更好.将时空域高阶有限差分法应用到叠前逆时偏移波场延拓的方程求解中,然后再利用归一化互相关成像条件成像,理论模型数据偏移处理获得了精度更高的成像.同时,在逆时偏移波场延拓的实现中,采用自适应变长度的空间差分算子求解空间导数的有限差分策略,在不影响数值模拟和成像精度的前提下,有效地提高了计算效率.     

波动方程深度偏移的频率相关变步长延拓方法

发展了波动方程深度延拓的频率相关变步长深度延拓方法和表驱动的单点波场插值技术.前者通过减少深度延拓的次数减少了波动方程深度偏移的计算量,而后者用很少的计算量实现了等间距、理想采样的深度成像.就同一偏移方法,采用频率相关变步长深度延拓加单点插值,其计算量大约是常规的等间距采样延拓方法的三分之一,但两者的成像效果基本相同.文中以最优分裂Fourier方法为例,用二维理论数据（Marmousi模型）和三维实际地震资料验证了这一方法,但这一方法可适用于各类频率域波动方程深度偏移方法.     

求解二阶解耦弹性波方程的低秩分解法和低秩有限差分法

时间域的波场延拓方法在本质上都可以归结为对一个空间-波数域算子的近似.本文基于一阶波数-空间混合域象征,提出一种新的方法求解解耦的二阶位移弹性波方程.该方法采用交错网格,连续使用两次一阶前向和后向拟微分算子,推导得到了解耦的二阶位移弹性波方程的波场延拓算子.由于该混合域象征在伪谱算子的基础上增加了一个依赖于速度模型的补偿项,可以补偿由于采用二阶中心差分计算时间微分项带来的误差,有效地减少模拟结果的数值频散,提高模拟精度.然而,在非均匀介质中,直接计算该二阶的波场延拓算子,每一个时间步上需要做N次快速傅里叶逆变换,其中N是总的网格点数.为了减少计算量,提出了交错网格低秩分解方法;针对常规有限差分数值频散问题,本文将交错网格低秩方法与有限差分法结合,提出了交错网格低秩有限差分法.数值结果表明,交错网格低秩方法和交错网格低秩有限差分法具有较高的精度,对于复杂介质的地震波数值模拟和偏移成像具有重要的价值.     

基于分数阶时间导数常Q黏弹本构关系的含黏滞流体双相VTI介质中波场数值模拟

分数阶微分算子具有描述历史依赖性和全域相关性的特质,本文利用这种特质描述双相介质固体骨架的黏弹性特征.基于Kjartansson常Q理论将含有分数阶时间导数的黏弹固体骨架各向异性本构关系与双相介质理论有机地结合起来,并引入流变学本构关系描述孔隙流体的黏滞性力学行为,提出一种新的基于分数阶时间导数常Q黏弹本构关系的含黏滞流体双相VTI模型.推导了相应的时间域波传播方程,然后对该方程进行了数值模拟.对整数阶导数采用高阶交错网格有限差分算法,对分数阶时间导数采用短时记忆中心差分算法,进行了不同相界、不同品质因子组及双层地质结构情况下该类介质中波场的数值模拟与特征分析.模拟结果表明：将含有分数阶时间导数的常Q黏弹固体骨架各向异性本构关系及孔隙流体的黏滞性本构关系引入双相介质理论是可行的,二者的结合能更好地反映地下介质的黏弹性特征,对于进一步认识波在黏弹各向异性孔隙介质中的传播机理具有重要意义,为反演和重构地下油气储层和结构奠定正演理论基础.     

基于波场垂向和水平方向外推的高陡构造偏移

常规的单程波波动方程偏移成像方法对大角度的高陡构造偏移成像存在内在的限制.根据波动方程在各个空间方向的数学特性和高陡构造反射地震波的传播特征,通过把地震波分解为垂向的上下行波、水平方向的前后行波和左右行波,提出基于波场垂向外推和水平方向外推相结合的单程波波动方程高陡构造偏移成像方法,即用波场垂向外推的单程波波动方程偏移成像方法解决中低角度平缓构造的偏移成像,用波场水平方向外推的单程波波动方程偏移成像方法解决中高角度陡倾构造的偏移成像.这种基于波场垂向和水平方向外推相结合的高陡构造偏移成像方法是常规单程波波动方程叠前深度偏移成像方法的补充和改进,它相对基于全波方程的逆时偏移具有计算效率上的优势.     

Complex frequency-shifted multi-axial perfectly matched layer for frequency-domain seismic wavefield simulation in anisotropic media

Seismic anisotropy has an important influence on seismic data processing and interpretation. Although the frequency-domain seismic wavefield simulation has a problem of solving the large scale linear sparse matrix due to the computational limitations, it has some advantages over the time-domain seismic wavefield simulation including efficient inversion using only a limited number of frequency components and easy implementation of multiple sources. To accurately simulate seismic wave propagation in the frequency domain, we also need to choose the absorbing boundary conditions to absorb artificial reflections from edges of the model as we do in the time domain. Compared with the classical boundary conditions including the perfectly matched layer and complex frequency-shifted perfectly matched layer, the complex frequency-shifted multi-axial perfectly matched layer has been proven to effectively suppress the unwanted reflections at grazing incidence and solve the instability problem in the time-domain seismic numerical modelling in anisotropic elastic media. In this paper, we propose to extend the complex frequency-shifted multi-axial perfectly matched layer absorbing boundary condition to the frequency-domain seismic wavefield simulation in anisotropic elastic media. To test the validity of our proposed algorithm, we compare the results (snapshots and seismograms) of the frequency-domain seismic wavefield simulation with those of the time-domain modelling. The model studies indicate that the complex frequency-shifted multi-axial perfectly matched layer absorbing boundary condition is stable in the frequency-domain seismic wavefield simulation in anisotropic media, and provides better absorbing performance than the complex frequency-shifted perfectly matched layer boundary condition.     

3D高阶抛物Radon变换在不规则地震数据保幅重建中的应用

3D地震数据不规则采样缺失重建是地震勘探数据处理流程中的重要问题.本文提出了一种基于具有保幅特性的非均匀高阶抛物Radon变换（NHOPRT）地震数据重建方法.在最小二乘反演方程中引入Delaunay三角网格剖分来计算空间不规则加权系数,从而获得最接近完整规则数据的高阶抛物Radon变换域系数.在用SVD求解反演方程过程中,利用高阶抛物Radon变换算子在频率域为指数函数,具有线性可分解特性,将二维空间的高阶抛物Radon变换算子分解为两个独立的一维空间变换算子,减小了变换算子的矩阵大小,从而很大程度地提高了计算效率.理论模型和实际地震数据重建测试证明了本文方法的有效性以及实用性.     

Frequency-domain elastic full-waveform multiscale inversion method based on dual-level parallelism

The complexity of an elastic wavefield increases the nonlinearity of inversion. To some extent, multiscale inversion decreases the nonlinearity of inversion and prevents it from falling into local extremes. A multiscale strategy based on the simultaneous use of frequency groups and layer stripping method based on damped wave field improves the stability of inversion. A dual-level parallel algorithm is then used to decrease the computational cost and improve practicability. The seismic wave modeling of a single frequency and inversion in a frequency group are computed in parallel by multiple nodes based on multifrontal massively parallel sparse direct solver and MPI. Numerical tests using an overthrust model show that the proposed inversion algorithm can effectively improve the stability and accuracy of inversion by selecting the appropriate inversion frequency and damping factor in lowfrequency seismic data.     

Suppressing non‐Gaussian noises with scaled receiver wavefield for reverse‐time migration: comparison of different approaches

Numerical implementation of the gradient of the cost function in a gradient‐based full‐ waveform inversion (FWI) is essentially a migration operator used in wave equation migration. In FWI, minimizing different data residual norms results in different weighting strategies of data residuals at receiver locations prior to back‐propagation into the medium. In this paper, we propose different scaling methods to the receiver wavefield and compare their performances. Using time‐domain reverse‐time migration (RTM), we show that compared to conventional algorithms, this type of scaling is able to significantly suppress non‐Gaussian noise, i.e., outliers. Our tests also show that scaling by its absolute norm produces better results than other approaches.     

Time-domain hyperbolic Radon transform for separation of P-P and P-SV wavefields

A time-domain hyperbolic Radon transform based method for separating multicomponent seismic data into P-P and P-SV wavefields is presented. This wavefield separation method isolates P-P and P-SV wavefields in the Radon panel due to their differences in slowness, and an inverse transform of only part of the data leads to separated wavefields. A problem of hyperbolic Radon transform is that it works in the time domain entailing the inversion of large operators which is prohibitively time-consuming. By applying the conjugate gradient algorithm during the inversion of hyperbolic Radon transform, the computational cost can be kept reasonably low for practical application. Synthetic data examples prove that P-P and P-SV wavefield separation by hyperbolic Radon transform produces more accurate separated wavefields compared with separation by high-resolution parabolic Radon transform, and the feasibility of the proposed separation scheme is also verified by a real field data example.