矢量黏弹性衰减补偿高斯束偏移

基于弹性波动理论的多波多分量高斯束偏移具有计算效率高和成像准确等优点.但是目前此方法没有考虑实际地下介质的黏弹性对地震波传播的影响,从而无法补偿能量衰减和校正相位畸变,这使得该方法对一些含高黏弹性地层的成像效果不佳.针对衰减区域的成像问题,本文提出一种黏弹性衰减补偿高斯束偏移方法,该方法以多波多分量矢量波场弹性高斯束偏移方法为基础,在偏移过程中沿射线路径通过引入品质因子Q来考虑黏弹性影响并进行衰减补偿.该方法能够在偏移过程中实现PP波和PS波的自动分离及分别成像.同时,本文给出了在矢量波场偏移过程中提取角度域共成像点道集的方法,以便用于成像质量控制,并为后续速度和黏弹性参数反演提供所需的数据.本文利用2D层状模型和洼陷模型进行了方法测试,其成像结果验证了本文所提出的黏弹性衰减补偿高斯束偏移方法的可行性和有效性.     

一种基于正则化策略的稳定衰减补偿逆时偏移

地下介质通常具有黏滞性,地震波在地下介质的传播过程中将不可避免地伴随着振幅衰减和速度频散,进而影响地震成像的准确性和分辨率.基于黏滞介质的衰减补偿逆时偏移能沿地震波的传播路径恢复其所经历的振幅衰减和相位畸变,有效提升成像效果.然而,由于地层对地震波的吸收衰减效应呈指数变化,衰减补偿过程中高低频分量的非同步增长易导致补偿算法数值不稳定.为此,本文提出了一种基于正则化策略的稳定衰减补偿逆时偏移方法.该方法基于解耦的常Q分数阶拉普拉斯算子黏滞声波方程描述地震波在地下介质中的传播效应,将振幅正则化因子引入该方程的时间-波数域的解析解中,以确保在补偿过程中地震波场能稳定延拓.二维、三维合成数据以及实际资料的偏移算例均证实了该方法的可行性和有效性,所提出的方法能有效地处理衰减补偿中的不稳定问题,明显提升地震资料的偏移成像质量.     

基于常分数阶拉普拉斯算子的黏声方程重建速度与衰减参数的全波形反演方法

地震波在地下介质传播过程中由于非弹性衰减的存在将导致能量损失和相位变化,精确的速度与衰减参数建模对油气识别、提高强衰减介质中地震波成像的质量都起着至关重要的作用.常分数阶拉普拉斯算子黏声方程由于完全分离的速度频散项与振幅衰减项的优势,以及在强非均质衰减介质中可以高精度求解的特点,已被应用于速度与衰减参数的建模中.本文将二阶常分数阶拉普拉斯算子黏声方程拆分为等价的一阶方程组,并在此一阶方程组的基础上推导出新的梯度公式与伴随方程,建立了一种新的速度与衰减参数同时重建的全波形反演方法.相较于原二阶常分数阶拉普拉斯算子黏声方程建立的全波形反演流程,数值实验表明,新建立的反演流程可以有效避免原梯度数值计算中的噪声,尤其是可以有效提高衰减参数梯度的反演精度,从而显著提高反演的收敛速度与反演精度.     

地层衰减对地震波速度逆散射反演的影响研究

在利用地震波数据进行地球物理反演时,地层对地震波的吸收衰减效应会对地层物性参数的准确反演产生较大的影响,因此利用黏弹性声波方程进行反演更符合实际情形.本文在考虑地层衰减效应进行频率空间域正演模拟的基础上,提出基于黏弹性声波方程的频率域逆散射反演算法并对地震波传播速度进行反演重建,在反演过程中分别用地震波传播复速度和实速度来表征是否考虑地层吸收衰减效应.基于反演参数总变差的正则化处理使反演更加稳定,在反演中将低频反演速度模型作为高频反演的背景模型进行逐频反演,由于单频反演过程中背景模型保持不变,故该方法不需要在每次迭代中重新构造正演算子,具有较高的反演效率;此外本文在反演过程中采用了基于MPI的并行计算策略,进一步提高了反演计算的效率.在二维算例中分别对是否考虑地层吸收衰减效应进行了地震波速度反演,反演结果表明考虑衰减效应可以得到与真实模型更加接近的速度分布结果,相反则无法得到正确的地震波速度重建结果.本文算法对复杂地质模型中浅层可以反演得到分辨率较高的速度模型,为其他地震数据处理提供比较准确的速度信息,在地层深部由于地震波能量衰减导致反演分辨率不太理想.     

基于吸收衰减补偿的多分量高斯束逆时偏移

高斯束逆时偏移结合了射线类偏移的高计算效率和波动方程逆时偏移的高精度,能很好地处理焦散点、大倾角成像问题,并且具有面向目标成像的能力.多分量地震资料的偏移技术可以对地下复杂构造进行更准确的成像,由于实际地下介质具有黏滞性,研究黏弹性叠前逆时偏移具有一定的现实意义.本文采用高斯束逆时偏移方法对多分量地震数据进行吸收衰减补偿,首先分别给出纵波和转换波共炮域高斯束叠前逆时偏移方法原理,在此基础上推导补偿吸收衰减的表达式,校正Q引起的振幅衰减和相位畸变,实现基于吸收衰减补偿的多分量高斯束叠前逆时偏移.数值模型的测试结果显示,在考虑地下介质的黏滞性时,本文方法具有更高的成像分辨率.     

再论地震数据偏移成像

利用地震波正向传播方程对属于波形线性反演问题近似求解方法的地震数据偏移成像进行重新推导,得到了适合散射地震数据的散射偏移成像方法和适合反射地震数据的反射偏移成像方法.以地震波传播的散射理论为出发点,首先根据描述一次散射波正向传播的线性方程研究建立散射地震数据的偏移成像方法理论;利用高频近似对产生散射波场的地下速度扰动函数的空间变化进行近似,推导出地下反射率函数,再由散射波传播方程推导出基于反射率函数的反射波传播方程,然后根据描述一次反射波正向传播的线性方程研究建立反射地震数据的偏移成像方法理论.本文指出和修正了Claerbout偏移成像方法中的不足,提出的地震数据偏移成像方法是对当前偏移成像方法理论的完善,使反射地震数据偏移成像具有了更坚实的数学物理理论基础,得到的偏移成像结果相位正确、位置准确、分辨率提高.     

一种改进的地震反射层析成像方法

针对复杂介质的地震反射走时层析成像存在数据拾取困难问题，本文提出了一种新的地震反射层析成像速度模型建立方法，该方法用速度和地震射线走时描述模型，用地震反射波走时、地震波在源点和接收点处的传播方向信息反演模型.为提高反演的稳定性和计算效率，引入了Hamilton函数描述射线，在相空间计算反演所需的射线路径和目标函数对模型参数的导数，对理论模型和实际地震资料进行了试算，试算表明该方法对复杂介质具有较强的适应能力.     

衰减补偿的黏弹性最小二乘逆时偏移

地震勘探是发现和认识油气藏的重要方法,随着国内油气勘探领域、勘探对象的日趋复杂化,油气勘探迫切需求地震成像的精准度、分辨率和保真度的大幅度提升.相比于常规逆时偏移方法,最小二乘逆时偏移成像有较少的伪像,成像振幅均衡,成像分辨率高.目前常用弹性最小二乘逆时偏移方法来对地下介质进行成像.但由于地下介质通常表现出黏弹性性质,在含油气地层中表现尤为明显,若忽略地下介质的吸收衰减作用,地震波传播中的振幅衰减和频散累积将会影响成像的振幅和相位,进而降低成像分辨率,致使地下构造定位不准.本文基于标准线性体模型的黏弹性波动方程,提出一种衰减补偿的黏弹性最小二乘逆时偏移成像方法,推导了准确的黏弹性最小二乘理论框架下的偏移算子、反偏移算子、步长,并给出了算法的数值实现流程.通过对层状模型和Marmousi模型进行测试,得到本文提出的黏弹性波最小二乘逆时偏移方法的成像结果和收敛速度,并与其他方法的测试效果进行了对比.结果表明,黏弹性最小二乘逆时偏移方法能够准确地归位包含强衰减的多分量地震记录,能够有效避免弹性波最小二乘逆时偏移成像错误的反射层位置,压制成像噪声,收敛速度快,成像精度高.     

黏弹性VTI介质中敏感度核函数：地震波复走时关于弹性模量及Q值偏导数的计算

实际地层中地震波传播普遍存在速度和衰减各向异性现象,研究黏弹各向异性介质中高频地震波传播理论有助于揭示地震波的传播特征.本文针对黏弹性VTI介质,从Christoffel矩阵的解析特征值出发推导出qP、qSV和qSH波的复相速度和复射线速度的解析表达式,并应用实射线追踪方法确定出均匀复射线速度矢量,由此计算出实射线速度和实射线衰减以及实射线品质因子.基于非均匀复相速度和均匀复射线速度的解析表达式,推导了实射线慢度和实射线衰减关于黏弹性模量(包括弹性模量和Q值)的敏感度核函数,该敏感度核函数反映各个黏弹性模量对地震波复走时的影响程度.不同岩石样本的数值计算结果显示,实走时对弹性模量更为敏感,而射线衰减(虚走时)对弹性模量和Q值的敏感程度相当.本研究可为黏弹性VTI介质中地震射线追踪和复走时层析成像提供理论基础.     

基于吸收衰减补偿的多分量高斯束叠前深度偏移（英文）

高斯束叠前深度偏移是对地下介质进行精确成像的方法之一,多分量地震资料的叠前深度偏移技术可以对复杂构造进行更准确的成像。由于实际地下介质具有粘滞性,研究粘弹性叠前深度偏移具有一定的现实意义。本文采用高斯束偏移方法对多分量地震数据进行吸收衰减补偿,首先利用高斯束模拟粘弹性介质中传播的地震波,并在模拟中引入与品质因子Q有关的复速度和精确的粘弹性Zoeppritz方程,合成地震记录;然后给出纵波和转换波共炮域高斯束叠前深度偏移原理,在此基础上推导补偿吸收衰减的表达式,校正Q引起的振幅衰减和相位畸变,实现基于吸收衰减补偿的多分量高斯束叠前深度偏移,并分析Q误差对偏移结果的影响。数值实验表明,在考虑地下介质的粘滞性时,本文方法具有更高的成像分辨率。     

基于多射线联合反演的速度无关叠前地震数据Q值估计

描述地震波衰减特征的品质因子Q对地震数据处理和油藏描述非常重要,在地震勘探领域,Q值一般通过垂直地震剖面(VSP)数据或地面地震数据得到.由于叠前地面地震数据具有复杂的射线路径且存在噪声、调谐干涉效应等影响,从叠前地震数据中准确估计Q值相对困难.本文以地震波射线传播为基础,根据同相轴局部斜率和射线参数的映射关系,将多射线波形频谱同时带入谱比法联合反演估计Q值,提出了基于多射线联合反演的速度无关叠前Q值估计方法.该方法通过局部斜率属性避开了速度对Q值估计的影响,局部斜率携带地震波传播的速度信息,具有相同局部斜率的地震反射波具有相同的传播射线参数.同相轴局部斜率是地震数据域的属性,而速度是模型域的参数,在估计Q值中采用数据域的属性参数可以直接应用于数据的联合反演,而不需要通过速度对其做进一步的转化,从而提高了Q值估计的精度.同时,本方法采用预测映射(predictive mapping)技术将非零炮检距反射信息映射到零炮检距处,从而获得零偏移距走时对应的Q值.模拟和实际算例验证了本文方法的有效性.     

一种黏声波方程逆时偏移成像中的衰减补偿方法

在存在强衰减介质的区域进行逆时偏移成像,需要既能补偿地震波传播过程中的振幅衰减,又能保持其相位不变的高效算法.为此,本文提出了一种利用有限差分模拟进行声波衰减补偿的方法来实现考虑衰减的逆时偏移.这种方法以线性黏弹性体模型为基础,保持其复模量的实部不变,并采用多项式多级优化方法修正复模量的虚部,从而实现在保持相位不变的同时补偿振幅,进而有效提高偏移成像的清晰程度,尤其是对于介质对地震波衰减极为强烈的情形.这一方法在声波方程中只增加了整数阶微分算子进行修正,能够保证利用有限差分法进行数值求解,有利于进行高效的大规模细粒度并行计算和GPU加速计算.数值实验结果验证了这一方法的可行性和有效性,能够很好地提高强衰减介质区域的偏移成像质量.     

黏声介质平面波有限差分叠前深度偏移及在莺歌海盆地的应用

莺琼盆地诸探区中存在底劈现象,深层气源产生的气体沿底劈产生的裂隙通道向上漫溢.漫溢过程中,一是充填在遇到的砂体中形成气藏;二是弥漫在上溢通道中,使得通道中的纵波速度发生变化,进而纵波波阻抗差异变小,反射变弱.另外,通道中气体的存在,会加强地层的吸收衰减,使得地震波振幅变弱、高频成分损失导致同相轴分辨率降低.利用OBC数据进行多波地震勘探和利用黏声介质的叠前深度偏移都是改善模糊区成像质量的重要方法技术.为此,本文提出用黏声介质平面波有限差分法叠前深度偏移成像方法改善气体充填区域的成像质量.黏声介质成像目的是补偿地震波的吸收衰减;平面波偏移成像目的是适应海上单炮数量巨大,提高波动方程叠前深度偏移成像的效率;有限差分法叠前偏移的目的是适应该区浅层气分布局域性极强、Q值的空间变化大的情况.在莺歌海某探区的实际数据上的黏声介质平面波有限差分叠前深度偏移试验证明,本方法是改善模糊区成像质量的较为有效的途径.     

Correlation‐based reflection waveform inversion by one‐way wave equations

Reflection full waveform inversion can update subsurface velocity structure of the deeper part, but tends to get stuck in the local minima associated with the waveform misfit function. These local minima cause cycle skipping if the initial background velocity model is far from the true model. Since conventional reflection full waveform inversion using two‐way wave equation in time domain is computationally expensive and consumes a large amount of memory, we implement a correlation‐based reflection waveform inversion using one‐way wave equations to retrieve the background velocity. In this method, one‐way wave equations are used for the seismic wave forward modelling, migration/de‐migration and the gradient computation of objective function in frequency domain. Compared with the method using two‐way wave equation, the proposed method benefits from the lower computational cost of one‐way wave equations without significant accuracy reduction in the cases without steep dips. It also largely reduces the memory requirement by an order of magnitude than implementation using two‐way wave equation both for two‐ and three‐dimensional situations. Through numerical analysis, we also find that one‐way wave equations can better construct the low wavenumber reflection wavepath without producing high‐amplitude short‐wavelength components near the image points in the reflection full waveform inversion gradient. Synthetic test and real data application show that the proposed method efficiently updates the background velocity model.     

黏弹介质中勒夫波频散问题的统一解及其动态特征分析

目前完全弹性介质中面波频散特征的研究已较为完善,多道面波分析技术(MASW)在近地表勘探领域也取得了较好的效果,但黏弹介质中面波的频散特征研究依然较少.本文基于解析函数零点求解技术,给出了完全弹性、常Q黏弹和Kelvin-Voigt黏弹层状介质中勒夫波频散特征方程的统一求解方法.对于每个待计算频率,首先根据传递矩阵理论得到勒夫波复频散函数及其偏导的解析递推式,然后在复相速度平面上利用矩形围道积分和牛顿恒等式将勒夫波频散特征复数方程的求根问题转化为等价的连带多项式求解问题,最后通过求解该连带多项式的零点得到多模式勒夫波频散曲线与衰减系数曲线.总结了地层速度随深度递增和夹低速层条件下勒夫波频散特征根在复相速度平面上的运动规律和差异.证明了频散曲线交叉现象在复相速度平面上表现为:随频率增加,某个模式特征根的移动轨迹跨越了另一个模式特征根所在的圆,并给出了这个圆的解析表达式.研究还表明,常Q黏弹地层中的基阶模式勒夫波衰减程度随频率近似线性增加,而Kelvin-Voigt黏弹地层中的基阶模式勒夫波衰减程度随频率近似指数增加,且所有模式总体衰减程度强于常Q黏弹地层中的情况.     

含衰减地层微地震震源机制反演及其反演分辨率

微地震震源机制的反演对于非常规油气开发具有至关重要的作用.微地震信号主频高、能量小,容易受地层吸收衰减作用的影响使其波形发生畸变,本文提出了一种考虑地层吸收衰减作用的微震源机制反演方法,并利用费雷谢偏导矩阵的SVD分解(特征值分解)方法,分析研究了地层的吸收衰减因子的变化对于微地震震源机制反演分辨率的影响,根据理论计算给出了不同地震数据对各种震源机制反演的适用条件.理论计算证明,采用直达P波和S波数据联合反演震源的T值,单独利用直达P波反演震源的k值,可以有效降低地层吸收衰减作用对反演结果的影响.     

应用Sato、Aki模型对比分析内蒙古东北地区尾波Q值

选取2016年3月—2019年6月内蒙古地震监测台网记录的925条内蒙古东北部及邻近地区地震数据,从中挑选133次M_L≥2.0且记录清晰、信噪比较高的地震事件,利用Sato模型、Aki模型,分别计算该区域地震尾波平均Q值,并拟合得到Q值对频率的依赖关系,其中：(1)Sato模型：Q_C(f)=(64.11±29.15)f~((0.8914±0.0772));(2)Aki模型：Q_C(f)=(258.4±65)f~((0.6815±0.1435))。结果表明,利用2种模型计算的该区域地震尾波Q值分布具有一致性,且Q值与依赖指数η成反比关系,分析认为,尾波Q值高低分布与地震活动性及地质构造有关。     

唐山地区尾波Q值时空分布特征

利用首都圈地震数字台网2009年1月至2016年3月记录的地震波形资料,采用Sato尾波单次散射模型,固定尾波窗长,计算唐山地区尾波Q值,时间和空间上分析Q值分布特征,结果显示,Q值在空间分布上呈现明显的横向不均匀性,在较长孕震时间上呈现降低—升高—降低—发震的过程,且中强震易发生在Q值高低值交界区偏高值一侧,震群易发生在Q值相对较低区域。     

Error bars for the global seismic Q profile

The radial attenuation profile of the Earth is needed to account for dispersion effects when interpreting seismic velocities and can provide important constraints on composition. To date, most radial Q models have been produced using traditional damped inversions of free oscillation and surface wave data. Because such inversions can severely underestimate the model uncertainties that are needed to guide mineralogical and dynamic interpretation, and because the quality of data has continued to improve, we revisit this seismic inverse problem using a model space search approach already proven effective with similar data. We do, indeed, observe model uncertainties at least an order of magnitude greater than earlier estimates. At the same time, we find that Q is determined well enough to confirm that the data favor several important features previously disputed because of questions of consistency. These include shear attenuation that drops significantly in the lower third of the lower mantle and bulk attenuation that is negligible in the inner core but stronger in the outer core and lower mantle than suggested by most models.