基于偏微分方程的定向插值在偏移成像中的应用

对于射线类偏移成像来说,求解射线追踪系统中所涉及的属性值不在网格节点上的插值计算问题是一个非常重要的环节,它影响到求解走时、路径和振幅信息的计算效率和精度,进而影响到整个偏移成像的质量和效率.本研究根据速度模型的空间梯度特点,考虑被插值点处速度的梯度在横向和纵向的分布特征,构建基于速度梯度空间变化的偏微分方程算法,将近几年发展起来的基于偏微分方程的定向插值算法引入到射线类偏移成像当中,实现射线追踪当中涉及的属性值不在网格节点上的插值计算.由于偏微分方程法本身固有的特性(局部特征不变性、解的唯一性和线性叠加性),因此,该算法可以实现不破坏原始速度模型空间梯度结构的非网格节点属性的插值计算.通过在常用的速度模型上的插值计算对比、不同速度模型上射线路径对比分析以及复杂介质模型上最后的偏移成像结果分析可以得出,应用基于速度梯度构建的偏微分方程插值算法在进行插值计算的过程当中可以实现不破坏原始速度模型空间速度梯度结构的属性计算,同时应用该算法可以最终提高射线类偏移成像的质量.     

基于小振幅波方程的起伏海面构建及其对地震波场传播特性的影响

海面起伏状态对波场传播以及模型空间成像有着非常重要的影响,在常规海洋地震数据采集和处理中,都是将海面作为水平界面处理,实际海洋地震数据采集中,由于海水受风浪、洋流等的影响,海面呈现高低起伏状态,这样来自底层反射界面的反射波经过海水起伏界面反射后会引起波场的强烈散射,从而造成地震记录反射波同相轴抖动和畸变,最终影响成像效果.为了更加深入了解起伏海面存在对波场传播以及偏移成像的影响,本文首先基于流体力学小振幅波方程,从边界条件出发,给出包含海浪谱信息的动态边界条件,并在此基础上构建起伏海面速度模型;然后在构建的起伏海面速度模型上通过冻结不同时刻海面开展波场传播特征分析,研究起伏海面在不同冻结时刻下波场传播规律以及对反射地震记录和偏移成像的影响.研究结果表明,不管是对于简单的层状介质模型还是海底较为复杂的大水深模型,海面不同形态的起伏变化直接影响着波场记录以及波场快照形态,同时会对偏移成像结果造成较大影响,随着海水深度的增加,该影响对于简单模型影响逐渐变小,但对于复杂模型,影响依然很严重.     

基于粒子群优化算法的高阶广义屏偏移成像（英文）

频率-波数域单程波算子能高效地模拟地震波在复杂介质中的传播,但是在描述波的大角度传播和速度横向扰动变化较大介质中传播的问题时仍然存在一定误差。这类误差是由于对单平方根算子使用Taylor展开式的近似程度不足所造成。为了进一步提高泰勒展开式的精确性,本文提出一种利用粒子群智能算法优化级数展开系数的高阶广义屏算子对单平方根算子的展开级数进行优化处理。新的偏移算法能在保持单程波偏移算法高效的前提下进一步提高偏移算子在大角度的成像精度和对强横向速度变化介质的适应性。通过脉冲响应实验,验证了基于粒子群算法优化级数的高阶广义屏算子能够提高常规的高阶广义屏算子的成像精度和成像角度。根据对二维SEG/EAGE盐丘模型的成像处理,基于粒子群算法优化级数的高阶广义屏算子对盐丘下面的断层取得了更高质量的成像,说明粒子群优化级数的高阶广义屏算子比常规的高阶广义屏算子具有更好的横向速度适应性。为了检验本文所提算法对实际资料的处理能力,我们利用常规的偏移处理技术和本文所提算法对一条海上二维数据进行了偏移成像处理,对比分析成像剖面发现本文所提算法描述了更加清晰的层位信息和更高质量的偏移剖面。本文所提算法能有效提高高阶广义屏偏移在广角度成像的能力,具有一定实际应用价值。     

逆时偏移速度误差影响分析

逆时偏移作为一种先进的地震偏移成像方法,其成像结果的好坏取决于很多因素,其中最关键的是速度.速度越准确,成像效果就越好.但在实践当中,速度往往是未知的,只能通过速度反演等各种手段来估计近似速度.由此导致逆时偏移成像结果存在误差,从而降低后续地震解释的精度.那么速度误差对逆时偏移成像的影响到底有多大呢?实际当中一般估计出来的近似速度可能在模型每一个地方都不同,很难直接进行逆时偏移速度误差系统分析.为了简化,本文采用等效速度误差——速度模型整体平均误差,进行逆时偏移成像分析.逆时偏移成像采用互相关成像条件,低频噪声压制采用振幅补偿拉普拉斯滤波方法,源波场正推和接收波场逆推采用波动方程一阶应力.速度形式及交错网格有限差分方法.首先对比分析不同速度误差对逆时偏移成像结果的影响,并和单程波波动方程偏移进行对比分析;然后分析速度误差对逆时偏移和单程波波动方程偏移成像位置的影响;最后基于偏移速度分析方法估计得到的近似速度模型,进行逆时偏移和单程波波动方程偏移成像试验.结果 表明:在不同速度误差情况下,逆时偏移成像在同相轴连续性和能量聚焦等方面要好于单程波波动方程偏移;速度误差对逆时偏移和单程波波动方程偏移成像位置的影响程度相当.本文研究成果对逆时偏移在实践中的应用具有一定的参考价值.     

三维地震资料叠前时间偏移应用研究

本文通过选取合适的叠前时间偏移软件，对两块三维地震资料进行偏移成像试验，验证叠前时间偏移中影响偏移成像效果的几个主要因素.该软件偏移算法的核心技术是弯曲射线偏移处理，这不同于工业界常用的直射线假设.偏移速度是偏移成像好坏的主要因素，通过迭代进行偏移、速度分析，使共成像点道集拉平，从而实现构造的准确成像；偏移孔径也是影响偏移成像的一个关键参数，其选取与成像目标层的倾斜角、深度、速度等有关；反假频参数对偏移成像效果有一定影响，是偏移中需要考虑的因素之一.     

基于保角变换的连续介质偏移成像

用偏移成像方法对速度各向异性介质进行成像时,存在水平同相轴及大倾角界面畸变的缺陷.本文采用基于保角变换的偏移成像方法对畸变缺陷进行校正.首先,利用保角变换法可将不规则边界的单连通区域转变成规则边界的原理,将规则边界的连续介质场转变成不规则边界的均匀介质场,使该均匀介质场更适应现有Stolt等偏移方法对速度场的要求;其次,对改变了区域的模型地震记录进行常规的偏移成像处理;再利用推导出的反变换公式对成像结果进行反变换,得出模型的真实偏移成像结果.文章对合成模型进行了试算,并将试算结果与模型进行了比较.     

P-P波及P-SV波叠前深度偏移速度模型建立方法

针对多波叠前深度偏移速度模型的建立问题,提出在CDP道集上利用互换原理组成伪地集作为叠前偏移速度分析的数据道集,先用叠前时间偏移方法求取层间互不影响的等效偏移速度模型,再用餐前深度偏移方法逐层求取层速度模型．对各层的速度质量、整个速度模型层位结构及速度横向变化,采用人机交互方式进行监控,并在速度叠代中引入全局寻优的遗传算法,使整个速度模型建立过程具有稳定、可靠和可视化的优点．经理论和实际资料处理结果证明,本方法是行之有效的．     

VTI介质角度域转换波高斯束偏移成像方法研究

转换波偏移可以利用纵横波波场信息,得到高分辨率的成像结果,从而为油藏描述提供高质量的地震资料.目前的研究主要是利用纵波波场信息进行偏移成像,然而,传统的纵波方法在复杂探区成像时具有一定的局限性.为此,本文在各向异性介质声波射线追踪算法的基础上,推导出各向异性介质转换波射线追踪方程,发展了一种转换波射线追踪算法;并将研究的追踪算法应用到偏移成像中,提出了一种各向异性VTI介质角度域转换波高斯束偏移成像方法.通过各向异性VTI介质断块模型和复杂构造模型试算,说明了本文方法的正确性和有效性.模型试算的结果表明,在考虑地下各向异性时,本文研究的方法具有更好的成像效果,提取的角道集结果可以为偏移速度分析提供依据.     

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.     

射线类偏移成像中的模型平滑处理研究

本文从能量泛函的角度着手,基于速度梯度,采用最速下降法推导了基于偏微分方程的速度模型平滑公式,用于解决射线类偏移成像过程当中速度模型的平滑处理问题.同时针对偏微分方程速度模型平滑系数中阈值k的选取对速度模型空间结构的影响,在简单的高速体速度模型上分析了不同k值的选取对原始速度模型空间结构的改变,并通过射线路径和时间场的对比分析证明偏微分方程速度模型平滑处理相对于卷积算子平滑的优越性.最后通过在Marmousi、Sigsbee2A原始速度模型以及平滑处理后的速度模型上的成像结果分析验证偏微分方程模型平滑的有效性.     

利用超声尾波观测1.5 m长岩石断层黏滑实验的波速变化

在实验室内利用超声尾波观测大尺度(1.5 m)岩石断层的黏滑过程.利用基于尾波干涉的观测方法,我们获得了高达10~(-6)的相对波速变化的观测精度,这相当于~10 kPa的应力变化.利用高精度的测量,我们获取两种不同加载速率下(1μm·s~(-1),10μm·s~(-1))黏滑过程三个阶段(恢复、加载和滑动)基于波速变化的特征量.我们更进一步获取了断层失稳阶段波速变化的时空演化过程.最后讨论了该观测方法需要改进的地方.以上研究结果表明作为一种对现有实验观测手段的有益补充,利用超声尾波观测实验室大尺度岩石断层的动力学过程是可行的.     

超导重力仪检测2011年日本东北Mw9.0级地震前的重力扰动信号

对大地震前的扰动现象的研究有助于认识地震孕育的动力学过程,震前重力扰动已成为关注的热点之一. 对大地震前的扰动现象的研究有助于认识地震孕育的动力学过程,震前重力扰动已成为关注的热点之一. 为检验日本M_w9.0级地震是否存在震前扰动现象,本研究利用全球超导重力仪记录到的地震前后7天内20组秒采样数据进行分析. 经潮汐、大气改正等处理去除仪器的漂移及残余潮汐效应,得到非潮汐重力变化曲线.结果表明大部分振幅大于30×10^-8 m·s^-2的曲线反映了全球M_w≥6级地震引起的高频波动信号,其中11组数据在3月9日M_w7.3级前震之前出现了扰动现象.震前扰动可分解为三个频段,其中,低于0.1 Hz和高于0.18 Hz的分量分别反映了地震波动信号及非构造信息,中间频段(0.118~0.18 Hz)信号能够较大程度地压制地震波动信号、并同时保留异常扰动信息.它的振幅在3月7日10时之前基本保持约1×10^-8 m·s^-2,之后开始逐渐增大,到3月9日7.3级前震前后达到最大,此后振荡衰减,振幅保持约(5~10)×10^-8 m·s^-2,直至主震发生.中间频段信号的变化特征与主震前的应力迁移过程以及实验记录到的地震成核过程有许多相似之处;不过,震前重力异常是否与主震前的应力加速积累有关,仍待进一步研究.     

基于异向波速模型的微震定位改进

针对波速分层的区域岩体,在异向波速模型的基础上,对垂向上的应力波按岩体波速值大小作分段区别,推导震源应力波走时关系式,建立分层速度定位目标函数,基于此提出一种由参数准备、层速度反演、微震定位三个模块组成的分层速度定位模型SV,并采用遗传算法进行优化求解.然后,对分层速度定位模型在已构建微震监测系统的白鹤滩水电站左岸岩质边坡进行验证.微震事件重定位结果表明,分层速度定位模型定位微震事件的最大、最小和平均偏离层内错动带程度指标较单一速度模型分别降低了57.17%、36.51%和57.35%,证明了定位模型在波速分层的区域岩体微震定位应用中比单一速度定位模型更加合理可靠.     

基于初至波走时层析成像的Tikhonov正则化与梯度优化算法

初至波走时层析成像是利用地震初至波走时和其传播的射线路径来反演地下介质速度的技术.该问题本质上是一个不适定问题,需要使用正则化方法并辅之以适当的最优化技巧.本文从数值优化的角度介绍了初至波走时层析成像的反演原理,建立了Tikhonov正则化层析成像反演模型并提出求解极小化问题的加权修正步长的梯度下降算法.该方法可以从速度模型的可行域中迭代找到一个最优解.数值试验表明,该方法是可行和有应用前景的.     

三门湾沿海声层析潮流观测实验

2009年9月6日至9日在三门湾进行了沿海声层析(Coastal Acoustic Tomography,CAT)潮流观测实验.实验由7台沿海声层析仪组网进行,并分别由渔船定点抛锚于7个站位.实验期间,还进行了定点ADCP(Acoustic Doppler Current Profiler)观测.通过建立逆模式对声传播时间差进行解析,引入权重因子,用L-curve法确定阻尼因子的最佳值,继而根据阻尼最小二乘法得到流速的最佳解.根据逆模式得到的流速分布可知该海区的潮流以半日潮(M2)为主,M2潮流椭圆呈东南-西北走向,潮流基本都是顺着水道,即涨潮为西北流向,退潮为东南流向.西北向与东南向最大流速分别为1.03m·s-1和1.09m·s-1.实验期间该区域的余流是从湾外流入湾内,平均流速约为0.05m·s-1.CAT与定点ADCP流速的东分量和北分量的均方差均小于0.18m·s-1.这样大面积的潮流和余流水平分布的同步观测,用传统观测手段很难实现.通过以上结果可以得出,沿海声层析技术可以作为一种新的测流方法对强潮海区进行大面积潮流观测,可在我国沿海的海洋环境监测等方面发挥重要作用.     

松辽盆地沉积层结构的短周期地震背景噪声成像研究

使用位于松辽盆地内部的NECESSArray台阵连续两年背景噪声数据,通过波形互相关和多重滤波方法提取到2~14 s较短周期的Rayleigh波群速度和相速度频散曲线,基于快速行进（FMM）面波成像方法得到群速度和相速度成像结果,并采用最小二乘迭代线性方法反演获得了松辽盆地深至12 km的三维S波速度结构.本文成像结果显示：松辽盆地内部S波速度分布的横向不均匀性与该区域的构造单元呈现出良好的空间对应关系.从地表至下方的6 km深度,盆地北部比南部表现出更加强烈的低速异常,这一特征可能与盆地南北的沉积构造差异有关.中央坳陷区低速异常的边界与嫩江断裂走向相互平行,表明盆地基底断裂对盆地形成演化具有一定的控制作用.在垂直速度结构剖面中,2.9 km·s^-1的S波速度等值线与地震反射剖面显示的盆地基底深度大致对应.基于S波速度模型和盆地基底速度（2.9 km·s^-1）,我们获得精细的松辽盆地沉积层厚度模型,结果表明松辽盆地的沉积层厚度分布呈现出中间厚、四周薄的特征,中央坳陷区的沉积层厚度范围大约在3~6 km.     

机载SAR探测图像中归一化雷达截面随入射角变化规律应用

机载SAR对海探测时,探测范围小和时空匹配难等局限使其无法借助风条纹和辅助资料反演海面风矢量.本文在仿真研究CMOD5.N地球物理模型参数的函数关系,实例分析机载SAR探测图像中距离向均值曲线变化规律的基础上,发现相同风向、风速条件下,CMOD5.N模型构建的标准曲线和探测图像的距离向均值曲线遵循统一的归一化雷达截面随入射角变化规律,且两者具有良好的相关性.据此,本文提出将距离向均值曲线与标准曲线逐条匹配,采用相关系数判定两者的相关程度,选择使得相关系数绝对值最大的标准曲线作为最优匹配曲线,进而直接确定风向和风速的海面风矢量反演方法.机载SAR飞行探测实验结果表明,海面风矢量反演结果与浮标观测结果的均方根误差为风向11.3°,风速0.9m·s-1,高于反演精度指标要求,原因在于该方法既避免了机载SAR探测图像中斑点噪声的影响,又不会产生局部最优解,提高了海面风矢量反演精度.     

地震放大效应与地下地质结构——龙门山山前玉皇观区域观测数据分析

通过布置于龙门山断裂带中段、龙门山山前玉皇观区域的地震观测台站阵列接收地震数据,研究该区域的地震动放大效应和地下地质结构.观测阵列共10台宽频带地震仪,分布在玉皇观河口冲积扇区域.分别采用参考场址谱比法(RSSR)和HV谱比法(HVSR)计算64个高信噪比近震数据的振幅谱比函数,结果显示在玉皇观区域具有较明显的地震动放大效应,并且局部场址效应显著.以S06场址为例,建立近地表地震地质模型,通过SH波放大效应正演模拟研究该场址的地震动放大模式.RSSR与HVSR的结果表明,两者所计算的场址放大效应主频一致,但是HVSR的放大峰值却比RSSR的放大峰值大一倍左右,表明HVSR的结果可能包含了波场在近地表低速层之下传播路径的改造作用.另外,采用27个远震P波的接收函数计算了该区域地壳上地幔S波速度结构.接收函数研究结果显示玉皇观地区的莫霍面深度为44 km,沉积盖层、结晶地壳和上地幔的S波速度分别为2.5 km·s~(-1)、3.5 km·s~(-1)和4.5 km·s~(-1).观测阵列台站之间的接收函数反演结果一致性较好,说明本研究区域范围内地形地貌等近地表结构因素的相对变化对接收函数的影响不大.     

利用宽角反射/折射地震剖面揭示芦山M_S7.0地震震区深部孕震环境

2013年4月芦山地震发生后,中国地震局迅速成立了芦山地震科学考察指挥部,要求查明芦山地震的深部构造环境和孕震背景.为此,中国地震局地球物理勘探中心于2013年9月至11月在芦山震源区布设了一条长约410km的人工地震高分辨宽角反射/折射探测剖面,获得了信噪比较高的人工地震探测数据,采用地震射线走时正演拟合构建了该区的地壳及上地幔二维P波速度结构模型,结果显示:扬子块体和松潘—甘孜块体显示出迥异的速度结构特征,地壳厚度由南向北逐渐加厚.沉积盖层在四川盆地厚达7.8km,而进入松潘—甘孜块体沉积层最薄处只有几百米厚,几乎出露地表;在中上地壳,扬子块体平均速度比松潘—甘孜块体高0.2km·s-1,在盆地与高原耦合部位(构造转换带)以北深度大约20km左右有一厚度为8.0km的软弱层(低速层),该层内的速度为5.80km·s-1,明显低于周围介质的平均速度6.00~6.10km·s-1;构造转换带内,震相显示紊乱、不清晰、不能连续对比,由地表至上地幔顶部壳内界面不连续、速度结构异常紊乱且呈现低速异常特征;在中下地壳,沿剖面速度呈现正梯度垂向增大变化;壳内界面在扬子块体内部起伏变化不大,但在构造转换带以北呈现急速加深的趋势,特别是Moho界面起伏变化较为明显,界面深度在距离50km范围内由扬子块体的36.2km迅速变化至松潘—甘孜块体下方的45.8km,形成一陡变带.芦山MS7.0级地震震源位置位于二维速度结构异常紊乱和界面起伏变化的地带,研究表明,壳内界面及速度结构差异、起伏变化的特征与该区域的地震活动性关系密切.     

廊坊地区中间层顶钠原子垂直动力学输送特征观测分析

利用中科院国家空间科学中心廊坊观测站（40.0° N,116.3° E）钠荧光多普勒激光雷达观测数据对钠原子的重力波输送和湍流输送进行分析,利用流星雷达观测数据对钠原子的环流输送进行分析,结果显示重力波动力学输送、重力波化学输送、湍流混合输送及环流输送对钠原子输送贡献的量级相当.其中重力波动力学输送在85~100 km整体为负向,在90~95 km占主要地位的平均输送速度为-3.1 cm·s^-1;重力波化学输送在85~94 km为正向,94~100 km基本为负向,在85~90 km占主要地位的平均输送速度为3.3 cm·s^-1;湍流混合输送在85~95 km为负向,95~100 km为正向,在85~90 km占主要地位的平均输送速度为-4.9 cm·s^-1;85~100 km环流输送整体为正向,平均输送速度为1 cm·s^-1.88~95 km四种动力学输送产生的平均合速度为-1 cm·s^-1,负向的垂直输送特征对钠原子"源""汇"平衡十分重要.本文结果可为不同大气圈层之间重力波产生的能量物质交换机制研究和圈层之间的耦合过程研究提供观测事实参考,为大气化学成分的垂直输送机制建模提供参数化依据.