平行巷道条带异常体在透射槽波层析成像中造成的假象

近年来透射法槽波地震勘探技术在煤矿勘探领域取得广泛应用,该技术依据槽波频散特征,对特定频率下槽波走时进行层析速度反演成像,在煤层厚度探测方面效果明显.由于煤矿巷道施工的特殊性,震源和检波器布置在巷帮煤层中,观测系统多采用两边式或三边式,导致槽波传播角度有限,容易对层析成像造成误差.在层析正演中采用最短路径与射线弯曲法联合,兼顾走时计算的精度和效率,在层析反演中进行正则化约束,利用平滑和阻尼因子提高算法的精度.通过对大量模型进行正反演发现,当煤层中存在垂直巷道异常体或局部异常体时,透射槽波层析反演不存在假象;当存在平行巷道的条带异常体时,层析结果出现交叉状速度异常假象.这是由于透射槽波采集得到的走时不受异常体位置影响,高值区在平面上表现为交叉型,导致层析反演出现假象.实际勘探施工条件允许情况下,可在煤层工作面四周布置震源和检波器消除这类假象.     

利用加速差分进化算法反演非均匀介质电磁成像

本文研究了差分进化算法在地球物理反演中的几种应用.利用双频电磁波电导率成像原理建立成像方程后,根据其严重病态性质,将Tikhonov正则化方法与差分进化算法结合,反演其成像方程.为加速差分进化算法的收敛速度,提出了将种群熵的自适应差分进化(ARDE)算法以及粒子群差分进化混合(PSODE)算法分别与Tikhonov正则化方法结合.在大型反演计算中,这两种方法可以在不影响反演效果的前提下,不同程度地提高收敛速度,降低时间成本.适宜于在正则化参数选取困难情况时的地球物理反演问题的求解.     

浅谈反射地震走时层析中的正则化

反射地震走时层析本质上是一个病态问题,而正则化是改善问题病态程度的有效手段.反射地震走时层析最终可归结为线性方程组的求解,本文讨论了在线性方程组求解过程中正则化的作用和方式.正则化的作用有:(1)用超定分量约束欠定分量和零空间分量;(2)用先验信息约束欠定分量和零空间分量;(3)对射线的不均匀覆盖进行阻尼;(4)对数据的不准确性进行阻尼.正则化的加入方式有:(1)加法型(将正则化矩阵补在层析矩阵后面,包括导数型正则化和零阶正则化,一阶导数型正则化对应最平坦解,二阶导数型正则化对应最光滑解,零阶正则化对应紧约束解);(2)乘法型(将正则化矩阵与层析矩阵相乘,主要包括阻尼型正则化).并利用简单的模型对正则化的效果进行了试验,发现经各种正则化约束后,与未加任何正则化约束得到的速度模型比较,尽管恢复的异常体的幅度不如后者大,但得到的速度剖面要平滑得多,更利于后续的射线追踪正演和层析反演.     

反射地震层析成像在海洋天然气水合物储层识别中的应用

海底地层速度结构是识别海洋天然气水合物储层的直接依据,本文应用地震反射走时层析成像建立了海底地层速度模型.采用不规则网格对模型进行离散化,使速度单元与反射界面单元完全耦合;利用基于不规则单元波前扩展和走时插值的射线追踪方法,精确确定反射射线路径和反射波走时;在反演中同时使用先验约束、平滑约束、归一化和正则化技术,提高了层析反演的稳定性和结果的可靠性.对南海北部神狐海域SH2井附近的二维地震测线资料,利用多域人机交互法拾取了反射走时,用反射走时层析成像方法获得了SH2井附近含水合物目标区的速度结构.该反演结果与测井声波速度和钻探结果一致,其中的高速带对应水合物储层,表明反射走时层析成像能够有效地得到海洋天然气水合物储层的速度结构,为海洋天然气水合物储层识别提供依据.     

二维无限频率初至走时反演井间地震实际资料

使用Zelt和Barton的方法,通过一个计算效率高的有限差分求解eikonal方程,正演计算走时和射线路径.使用最小二乘QR分解法,求解稀疏线性系统方程组.使用正则化层析反演,结合用户给定的最小的、最平坦和最平滑的扰动限制,每一个加权因子随深度变化.结合数据残差和模型粗糙度的最小化,为数据残差提供一个最平滑的近似模型.该反演方法为非线性反演,需要一个初始模型,在每一次迭代时,需要计算新的射线路径.使用二维初至走时数据,对某油田二维井间地震实际资料进行无限频率初至走时层析反演.将反演所得到的速度与井的测井速度曲线相比较,二者吻合程度较高,表明该反演方法所得速度的分辨率比较高.证实了二维无限频率初至走时层析反演可以为全波形反演提供一个分辨率较高的长波长速度模型,从而为全波形反演井间地震实际资料提供了一个比较可靠的初始速度模型.     

基于射线追踪的成像域走时层析反演及其应用

层析成像是现今地震勘探开发处理中的常用手段,针对传统走时层析反演中角度覆盖问题,利用正则化约束加以解决,利用角道集的拾取拟合来判断实验模型的准确性,同时,不再利用原始炮记录拾取剩余时差,利用深度残差与走时残差的线性关系提高走时残差的拾取精度。以三层洼陷模型和实际资料进行试算,结果表明:本方法可以较好地反演更新偏移速度场,得到更精确的偏移成像结果,对于小尺度地质构造可以精细刻画。      

数据域初至波走时与成像域反射波走时联合层析速度建模方法

复杂地表探区,尤其是盆山过渡区的油气勘探是我国也是世界上油气勘探的重点区域,但是此类区域油气地震勘探中满足精确地震成像的速度建模一直是个没有很好解决的问题.本文提出了一种综合性的数据域初至波走时与成像域反射波走时联合层析复杂地表浅中深层速度建模方法,并针对联合层析速度反演解的非唯一性问题,深入地分析了层析反演中正则化的本质意义,指出了建立构造特征正则化方法的具体技术路线,提出了联合层析的实现流程及策略.理论和实际数据试验表明,本文提出的数据域初至走时与成像域反射走时联合层析浅中深层速度建模技术避免了常规建模方法中浅层速度模型与中深层速度模型的融合问题,较好地解决了传统成像域反射层析对近地表模型的不可控更新问题,整体提升了深度域浅中深层速度模型的建模精度,进而提高了复杂地表、复杂构造区的地震成像质量.     

基于Tikhonov正则化的双频电磁波电导率成像反演

本文将Tikhonov正则化方法与active-set算法相结合,利用双频电磁波电导率成像原理,求解其反演成像方程.不仅对现有算法进行了改进,也促进了算法的实际应用.本文研究了在双频电磁波电导率成像方程建立后,如何根据其严重病态性质,选择合适的算法求解矩阵成像方程.针对电导率非负的特性,引入正则化参数,将问题转化为一个非负最小二乘问题,并用active-set算法求解.采用改进后的迭代算法对理论模型进行了数值模拟计算,验证了该方法的有效性.应用到实际电导率成像反演,与常规的LSQR、SP-LSQR、Tikhonov正则化等算法进行比较,取得了满意的结果.     

基于高斯束传播算子的成像域走时层析成像方法

层析反演是速度建模中最重要的方法之一,结合偏移成像在成像域进行走时层析速度反演是当前比较成熟有效且广泛应用的技术.本文从高斯束偏移成像条件出发,在波动方程的一阶Born近似和Rytov近似下,推导了成像域走时扰动与速度扰动的线性关系,建立了成像域走时层析方程及其显式表达的层析核函数.该核函数的本质是有限频层析核函数,利用该核函数替换常规射线层析核函数可以明显提高层析反演精度.该核函数的计算关键是背景波场格林函数的计算,本文利用高斯束传播算子计算格林函数进而得到走时层析核函数,实现方式灵活高效且计算精度较高.基于高斯束传播算子的偏移成像与层析成像相结合进行深度域建模迭代,体现了速度建模与偏移成像一体化的思想.数值计算及实际数据应用证明了基于高斯束传播算子的成像域走时层析方法的有效性.     

地震偏移反演成像的迭代正则化方法研究

利用伴随算子L^*,直接的偏移方法通常导致一个低分辨率或模糊的地震成像.线性化偏移反演方法需求解一个最小二乘问题.但直接的最小二乘方法的数值不稳定,为目视解译带来困难.本文建立约束正则化数学模型,研究了地震偏移反演成像问题的迭代正则化求解方法.首先对最小二乘问题施加正则化约束,接着利用梯度迭代法求解反演成像问题,特别是提出了共轭梯度方法的混合实现技巧.为了表征该方法的可实际利用性,分别对一维,二维和三维地震模型进行了数值模拟.结果表明该正则偏移反演成像方法是有效的,对于实际的地震成像问题有着良好的应用前景.     

各向异性TI介质qP反射波走时层析成像

地震走时层析成像是反演地层各向异性参数分布的有效方法,但是关于地震各向异性介质走时层析成像的研究并不多,其技术远远没有达到成熟的阶段.在野外数据采集时,地表反射波观测方式相对井间和垂直地震剖面观测方式的成本更低,利用qP反射波走时反演各向异性参数具有更加广泛的实用价值.本文实现的TI介质地震走时层析成像方法结合了TI介质反射波射线追踪算法、走时扰动方程和非线性共轭梯度算法,它可以对任意强度的TI介质模型进行反演,文中尝试利用qP反射波走时重建TI介质模型的参数图像.利用qP反射波对层状介质模型和块状异常体模型进行走时反演,由于qP波相速度对弹性模量参数和Thomsen参数的偏微分不同,所以可以分别反演弹性模量参数和Thomsen参数.数值模拟结果表明:利用qP反射波可以反演出TI介质模型的弹性模量参数与Thomsen参数,不同模型的走时迭代反演达到了较好的收敛效果,与各向同性介质走时反演结果相比较,各向异性介质走时反演结果具有较好的识别能力.     

A regularized magnetotelluric inversion with a minimum support gradient constraint*

Magnetotelluric (MT) inversion is an ill-posed problem and the standard way to address it is through regularization, by adding a stabilizing functional to the data objective functional in order to obtain a stable solution. The traditional stabilizing functionals, in which a low-order differential operator is used, yield a smooth solution that may not be appropriate when anomalies occur in block patterns. In some cases the focused imaging of a sharp electrical boundary is necessary. Even though various experiments have used stabilizing functionals that are suitable to obtain a clear and sharp boundary, such as the minimum support (MS) and the minimum gradient support (MGS) functionals, there are still some limitations in practice. In this paper, the minimum support gradient (MSG) is proposed as the stabilizing functional. Under the uniform regularization framework, a regularized inversion with a variety of stabilizing functionals is performed and the inversion results are compared. This study shows that MSG inversion can not only obtain a clearly focused inversion but also a quite stable and robust one.     

起伏地形下的高精度反射波走时层析成像方法

全球造山带及中国大陆中西部普遍具有强烈起伏的地形条件.复杂地形条件下的地壳结构成像问题像一面旗帜引领了当前矿产资源勘探和地球动力学研究的一个重要方向.深地震测深记录中反射波的有效探测深度可达全地壳乃至上地幔顶部,而初至波通常仅能探测上地壳浅部.为克服和弥补初至波探测深度的不足,本文基于前人对复杂地形条件下初至波成像的已有研究成果,采用数学变换手段将笛卡尔坐标系的不规则模型映射到曲线坐标系的规则模型,并将快速扫描方法与分区多步技术相结合,发展了反射波走时计算和射线追踪的方法.进而利用反射波走时反演,实现起伏地形下高精度的速度结构成像,从而为起伏地形下利用反射波数据高精度重建全地壳速度结构提供了一种全新方案.数值算例从正演计算精度、反演中初始模型依赖性、反演精度、纵横向分辨率以及抗噪性等方面验证了算法的正确性和可靠性.     

利用远震地震波形畸变现象探测地幔低速体

地幔低速异常体的精确探测对于研究热点/地幔柱的成因至关重要.但是,由于观测手段以及波前愈合现象的影响,远震走时层析成像在探测地球深部的低速异常体时具有极大的限制.因此,越来越多的学者利用地震波穿过低速体后产生的绕射波和直达波.干涉造成的波形畸变信息来研究地幔低速体.本文通过三维地震数值模拟来拟合长白山、黄石公园地区宽频地震记录,分析绕射波和直达波相互干扰造成的波形畸变现象.模拟结果显示,绕射波/波形畸变对于探测地幔深处的低速体具有较高分辨率;目前常用的基于互相关测量的有限频层析成像方法对于深部低速体速度异常低估现象明显.如果将有限频层析成像结果在深部的速度异常值放大到原来的2倍,数值模拟可以很好的拟合观测到的地震波形畸变现象.通过对长白山地区、黄石公园地区记录的地震波形畸变现象的拟合,我们进一步确认了长白山、黄石地区下方分别在400~600 km、700~1000 km处存在地幔低速体,并对低速体速度异常值进行了矫正.     

Geostatistical traveltime tomography in elliptically anisotropic media

In geological materials, anisotropy may arise due to different mechanisms and can be found at different scales. Neglecting anisotropy in traveltime tomographic reconstruction leads to artefacts that can obscure important subsurface features. In this paper, a geostatistical tomography algorithm to invert cross‐hole traveltime data in elliptically anisotropic media is presented. The advantages of geostatistical tomography are that the solution is regularized by the covariance of the model parameters, that known model parameters can be used as constraints and fitted exactly or within a prescribed variance and that stochastic simulations can be performed to appraise the variability of the solution space. The benefits of the algorithm to image anisotropic media are illustrated by two examples using synthetic georadar data and real seismic data. The first example confirms suspected electromagnetic anisotropy in the vadose zone caused by relatively rapid water content variations with respect to wavelength at georadar frequencies. The second presents how sonic log data can be used to constrain the inversion of cross‐well seismic data and how geostatistical simulations can be used to infer parameter uncertainty. Results of both examples show that considering anisotropy yields a better fit to the data at high ray angles and reduces reconstruction artefacts.     

Wave equation tomographic velocity inversion method based on the Born/Rytov approximation

This paper discusses Born/Rytov approximation tomographic velocity inversion methods constrained by the Fresnel zone. Calculations of the sensitivity kernel function and traveltime residuals are critical in tomographic velocity inversion. Based on the Born/Rytov approximation of the frequency-domain wave equation, we derive the traveltime sensitivity kernels of the wave equation on the band-limited wave field and simultaneously obtain the traveltime residuals based on the Rytov approximation. In contrast to single-ray tomography, the modified velocity inversion method improves the inversion stability. Tests of the near-surface velocity model and field data prove that the proposed method has higher accuracy and Computational efficiency than ray theory tomography and full waveform inversion methods.     

First‐arrival traveltime tomography with modified total‐variation regularization

First‐arrival traveltime tomography is a robust tool for near‐surface velocity estimation. A common approach to stabilizing the ill‐posed inverse problem is to apply Tikhonov regularization to the inversion. However, the Tikhonov regularization method recovers smooth local structures while blurring the sharp features in the model solution. We present a first‐arrival traveltime tomography method with modified total‐variation regularization to preserve sharp velocity contrasts and improve the accuracy of velocity inversion. To solve the minimization problem of the new traveltime tomography method, we decouple the original optimization problem into the two following subproblems: a standard traveltime tomography problem with the traditional Tikhonov regularization and a L₂ total‐variation problem. We apply the conjugate gradient method and split‐Bregman iterative method to solve these two subproblems, respectively. Our synthetic examples show that the new method produces higher resolution models than the conventional traveltime tomography with Tikhonov regularization, and creates less artefacts than the total variation regularization method for the models with sharp interfaces. For the field data, pre‐stack time migration sections show that the modified total‐variation traveltime tomography produces a near‐surface velocity model, which makes statics corrections more accurate.     

弹性矢量波成像域联合层析反演

在地震弹性矢量波场框架下,推导了多波联合层析速度反演方程以及走时残差与角道集剩余曲率的转换关系式,提出了一种利用成像域角道集更新P波、S波速度的走时层析反演方法.其实现过程可以概括为:将弹性波多分量数据作为输入,基于高斯束实现矢量波场成像并提取角道集,利用层析反演方程求解慢度更新量,最终获得多波联合反演结果.模型试算和实际资料处理验证了该方法的反演效果,能够为弹性矢量波联合深度偏移提供高质量的叠前速度场.     

横向各向同性介质中地震波走时模拟

横向各向同性介质是地球内部广泛分布的一种各向异性介质.针对这种介质,我们对各向同性介质的最小走时树走时模拟方法进行了推广,推广后的方法可适用于非均匀、对称轴任意倾斜的横向各向同性介质模型.为保证计算效率,最小走时树的构建采用了一种子波传播区域随地震波传播动态变化的改进算法.对于弱各向异性介质,我们使用了一种新的地震波群速度近似表示方法,该方法基于用射线角近似表示相角的思想,对3种地震波（qP, qSV和qSH）均有较好的精度.应用本文地震波走时模拟方法对均匀介质、横向非均匀介质模型进行了计算,并将后者结果与弹性波方程有限元方法的模拟结果进行了对比,结果表明两者符合得很好.本文方法可用于横向各向同性介质的深度偏移及地震层析成像的深入研究.     

初至波菲涅尔体地震层析成像

根据地震波传播的有限频理论,对于某个特定震相的观测信息,不仅射线路径上的点对该信息具有影响,射线领域上的其他点对接收信息也具有影响,这种影响可以用核函数来表达.本文基于波动方程的Born近似与Rytov近似,给出了非均匀介质情况下初至地震波振幅与走时菲涅尔体层析成像单频、带限层析核函数的计算方法.通过对均匀介质情况下初至地震波菲涅尔体层析成像核函数解析表达式的理论模型实验与分析,给出了不同维度振幅、走时单频菲涅尔体的空间分布范围,进而给出了带限菲涅尔体边界的确定方法.将本文的走时菲涅尔体层析成像理论应用于表层速度结构反演中,理论模型试验与实际资料处理结果表明,初至波菲涅尔体地震层析成像方法比传统的初至波射线层析成像理论具有更高的反演精度.