三维复杂层状介质中多震相走时联合反演成像

采用新近提出的改进型不规则最短路径多次波射线追踪正演技术,结合共轭梯度法求解带约束的阻尼最小二乘最优化反演问题,讨论了三维复杂层状模型中利用多震相走时资料进行联合反演成像的技术方法.考虑到不同震相种类走时的拾取误差不同,反演算法中引入了不同震相种类数据的权系数;另外,考虑到同时反演速度模型和反射界面起伏中不同参数变化对...     

球坐标系下多震相走时三参数同时反演成像

球坐标系下多震相走时三参数(速度、震源位置和反射界面)同时反演需要解决两个关键问题:(1)球坐标系下3D速度模型中多次透射、反射(折射)及转换波精确、快速的射线追踪;(2)同时反演时三种不同参数间的强耦合问题.为此,我们将直角坐标系下分区多步不规则最短路径算法推广至球坐标系中,进行区域或者全球尺度的多震相射线追踪.然后将其与适合多参数同时反演的子空间算法相结合,形成一种球坐标系下联合多震相走时三参数同时反演的方法技术.与双参数(速度和反射界面或速度和震源位置)同时反演的数值模拟对比分析显示:三参数与双参数的同时反演结果大体接近,并且它们对到时数据中可容许的随机噪声不太敏感.结果说明本文中的同时反演成像为一种提高成像分辨率,同时反演速度、震源位置和反射界面的有效方法.     

多震相走时联合三参数同时反演成像

采用新近研制的分区多步不规则最短路径多震相地震射线追踪正演技术,结合流行的子空间反演算法,提出了一种联合多震相走时资料进行地震三参数 （速度、反射界面和震源位置） 同时反演的方法技术.数值模拟反演实例、以及与双参数 （速度和反射界面或速度和震源位置） 同时反演的对比分析表明：三参数同时反演成像结果大体接近双参数同时反演成像的结果.另外,噪声敏感性试验表明：所提算法对到时数据中可容许的随机误差并不敏感,结果说明多震相走时的联合三参数同时反演成像方法技术不失为一种提高走时成像空间分辨率、进而降低重建模型参数失真度、行之有效的方法技术.     

三维复杂地壳结构非线性走时反演

中国大陆中西部乃至全球造山带普遍具有复杂地壳结构.随着矿产资源勘探和深部探测研究的深入,探测造山带及盆山耦合区下方地壳精细结构正逐渐成为当前面临的巨大挑战.人工源深地震测深方法正越来越清晰地揭示出不同构造域地壳速度结构的基本特征,然而传统的层状结构模型参数化方法难以准确描述复杂地质模型,通常情况下多忽略速度结构的精细间断面且采用层边界平滑处理,难以满足地壳精细结构成像的发展要求.针对上述困难,本文采用最近发展的块状结构建模方案构建三维复杂地壳模型,基于逐段迭代射线追踪正演走时计算方法,推导了走时对三角形界面深度以及网格速度的偏导数,开展了非线性共轭梯度走时反演方法研究.发展了利用直达波和反射波等多震相走时数据对界面深度和网格速度的多参数联合反演方法,并引人不同种类震相数据的权系数和不同类型参数偏导数归一化的方法.数值算例表明,基于块状结构的非线性共轭梯度走时反演方法适用于复杂地壳结构模型,在利用人工源走时数据反演复杂地壳精细结构领域具有良好的应用前景.     

多震相菲涅耳体射线走时同时反演成像

高频假设下的地震射线理论以及相应的地震成像理论表明,在射线稀疏条件下,不可能得到较高分辨率的构造成像;而有限频射线理论更符合实际地震的传播规律,即地震波的走时不仅与中心射线(传统的几何射线)上的速度分布有关,而且与中心射线附近一定范围(称其为第一菲涅耳体)内的速度异常分布有关.鉴于此,本文提出了计算多震相地震波菲涅耳体有限频射线的方法,并定义了走时敏感核函数,同时给出了利用多震相菲涅耳体有限频射线进行速度模型和反射界面同时反演成像的公式.利用多震相走时资料,使用传统射线层析成像方法与有限频射线层析成像方法进行了速度和界面的同时反演成像.结果表明,当射线密度较小时,无论是对速度模型的重建还是对反射界面几何形状的更新,有限频射线层析成像方法均优于传统射线层析成像方法, 而变频有限频射线层析成像则是实际地震层析成像的首选反演算法.      

基于多震相联合反演江苏地区一维速度模型研究

利用地震走时数据,采用联合反演方法获取了江苏地区的一维P波速度模型。与仅采用初至波走时的传统天然地震走时获取方法相比,该方法充分利用了大量存在的续至波参与反演,能有效改进中下地壳的反演能力。针对地震震相目录中常存在震相标识错误的问题,采用的自动判别筛选震相方法能最大限度提高数据走时的精度,可以对不同震相进行有效区分。与其他常用一维速度模型相比,本文反演的模型对Pg、Pn震相走时拟合效果最佳,残差最小。当所用走时数据拥有较高定位精度时,该反演方法能为研究区三维速度结构成像和地震定位提供较可靠的一维速度模型。     

三角网格剖分下速度与反射界面的同时反演

为了解决复杂速度模型中的走时正、反演问题,例如:含不规则起伏地表、不规则地下波阻抗界面、以及不规则速度异常体的复杂地学模型,本文采用三角网格单元模型参数化下的分区多步改进型最短路径算法,实现了多震相地震射线的追踪计算,结合共轭梯度法求解带约束的阻尼最小二乘反演问题,实现了多震相走时联合同时反演成像的方法技术.当界面起伏较大时出现散射,从而造成散射点所在区域射线密度过密,导致该区域内速度和界面的过度更新.为了克服上述问题,我们在同时反演中引入了射线密度的概念,从而有效地解决了上述过度更新问题.数值模拟实验表明:采用三角网格单元进行模型参数化,可保证在复杂模型中的正演计算具有较高的计算精度;同时反演中可以准确地刻画不规则异常体和不规则反射界面.因此,本文提出的走时成像方法技术具有较广的实用价值.     

模拟退火方法在三维速度模型地震波走时反演中的应用

采用块状建模以及三角形拼接的界面描述方式,并通过立方体速度网格线性插值获得块体内部的速度分布。正演过程中采用逐段迭代射线追踪方法计算三维复杂地质模型中的射线走时,并采用模拟退火方法进行了三维模型中的地震波走时反演研究。模型测试结果表明,使用的射线追踪和走时反演算法有效。     

上地壳纵横波速度结构相关反演成像方法

基于纵横波初至走时数据的层析成像方法越来越广泛地被应用于揭示不同构造域壳幔速度结构特征.我们从同一地质体的纵横波速度属性相关这一基本思想出发,提出一种相关反演成像的方法:纵横波速度反演交替进行,在迭代反演过程中每通过一次反演获得相应的纵波速度(或横波速度)结构后,更新相应的纵横波速度比模型以及相应的横波(或纵波)速度反演的初始模型,然后继续开展后续横波(或纵波)速度反演工作.在反演过程中依据纵横波速度的相关性信息和射线路径长度将走时残差以不同权重分配到射线路径经过的单元,依据网格节点周围平均的慢度扰动更新速度模型.正反演过程分别基于有限差分走时计算方法和反投影成像方法.两种典型模型试验表明,该技术应用于上地壳速度结构反演成像过程,可有效提高反演结果的可靠性,在很大程度上避免了常规单独反演纵波和横波速度过程容易带来的畸变和失真.该方法应用于重建青藏高原西部札达—泉水沟深地震测深(DSS)剖面下方的上地壳速度结构,揭示出与青藏高原西缘板块碰撞相关的上地壳速度结构特征.     

VSP直达波和反射波波动方程走时联合反演

地面资料全波形反演采用低波数回折波敏感核和高波数偏移等时线恢复地下模型的长波长和短波长分量.当回折波的穿透深度有限时,很容易陷入局部极值.波动方程反射波走时反演采用反射波的透射敏感核更新速度模型.当浅层速度存在较大误差时,仍无法得到满意的反演结果.VSP资料中直达波是一种透射波,穿透深度大,可用于井旁背景速度场建模.本文发展了针对VSP观测方式的波动方程走时联合反演(直达波和反射波)方法.采用全局优化参数反演法实现VSP上下行波和纵横波分离,构建了基于下行直达波和上行反射波走时残差的混合目标函数,推导了相应的伴随状态方程和梯度公式,给出了背景速度和反射系数分步反演流程.理论和实际VSP资料应用表明：直达波和反射波走时联合反演可以得到运动学特征精确的速度模型,为后续全波形反演提供可靠的初始模型;联合反演比单独直达波/反射波走时反演的精度高,比直达波和反射波走时级联反演的耗时少.     

Linearized rays,amplitude and inversion

In this paper, ray theoretical amplitudes and travel times are calculated in slightly perturbed velocity models using perturbation analysis. Also, test inversions using travel time and amplitude are computed. The pertubation method is tested using a 3-D velocity model for NORSAR having velocity variations up to 8.0 percent. The perturbed amplitudes are found to be in excellent agreement with the calculated ray amplitudes. Velocity inversions based on travel time and amplitude are next investigated. Perturbation analysis using linearized ray equations is efficiently used to compute amplitude derivatives with respect to model parameters. The trial linearized inversions use smaller velocity variations of 1.7 percent to avoid possible effects due to ray shift, even though the perturbation analysis is valid for larger variations. The trial 2-D inversion results show that linearized amplitude inversions are complementary and not redundant to travel time inversions, even in smoothly varying models.     

地震走时与重力数据的联合反演

对目前的地震走时与重力数据联合反演发展进行了简要的概述。首先,从两类数据单独反演的基本原理出发,对两者进行了分析比较,并由两者参数间存在的相互关系,可将两类数据归并、统一到一个系统,合理地进行联合反演。其次,根据目前国内外的相关研究,介绍了当前联合反演的两种算法:依次反演和同时反演。最后,对联合反演中存在的问题进行了讨论。     

变阻尼约束层析成像及其在VSP资料中的应用(英文)

初至波走时层析成像已经取得了广泛的应用,然而,由于观测系统的限制,射线在模型中分布不均匀,导致层析结果的分辨能力不足。变阻尼约束方法应用不均匀的先验信息来匹配不均匀的数据分布,可以减小速度模型校正量与射线覆盖程度的相关性。本文将变阻尼约束方法应用于初至波旅行时层析成像中,并将平滑约束方法加入正则化方程组中来避免单独使用变阻尼约束带来的不稳定性,利用阿尔法滤波器对反演中间迭代结果进行平滑和去噪,采用LSQR算法求解线性方程组来提高收敛速度和压制误差传递。本文应用上述层析成像算法对VSP观测系统进行速度反演,分别应用于检测板速度模型数据和实际VSP资料速度反演中,结果表咀变阻尼约束层析成像可以改善射线不均匀覆盖带来的影响,从而提高速度反演结果的质量;VSP资料检波点附近的速度反演结果可靠性高。     

基于交叉梯度交替结构约束的二维地震走时与全通道直流电阻率联合反演

在利用不同的地球物理勘探方法对地下复杂介质成像时,因观测系统的非完备性及数据本身对某些岩石物性的不敏感性,单独成像的结果存在较大的不确定性和不一致性.对于地震体波走时成像与直流电阻率成像,均面临着成像阴影区问题.对于地震走时成像,地震射线对低速区域覆盖较差形成阴影区,造成低速区域分辨率降低.对于电阻率成像,电场线在高阻区域分布较少,造成高阻区域分辨率较低.为了提高地下介质成像的精度,Gallado和Meju(2003)提出了基于交叉梯度结构约束的联合地球物理成像方法.在要求不同的物性模型拟合各自对应的数据同时,模型之间的结构要求一致,即交叉梯度趋于零.为了更有效地实现基于交叉梯度的结构约束,我们提出了一种新的交替结构约束的联合反演流程,即交替反演不同的数据而且在反演一种数据时要求对应的模型与另一个模型结构一致.新的算法能够更容易地把单独的反演系统耦合在一起,而且也更容易建立结构约束和数据拟合之间的平衡.基于新的联合反演流程,我们测试了基于交叉梯度结构约束的二维跨孔地震走时和直流电阻率联合成像.合成数据测试表明,我们提出的交替结构约束流程能够很好地实现基于交叉梯度结构约束的联合成像.与单独成像结果相比,地震走时和全通道电阻率联合成像更可靠地确定了速度和电阻率异常.     

基于交叉梯度耦合的大地电磁与地震走时资料三维联合反演

为了有效解决目前大地电磁和地震走时资料单方法反演结果一致性不好的问题,同时克服基于岩石不同物性参数间关系耦合约束联合反演的局限性,本文研究了基于交叉梯度耦合约束的大地电磁与地震走时资料的三维联合反演算法.以较为成熟的天然地震走时资料三维正反演和大地电磁三维正反演算法为基础,实现了具有共同的反演网格,以交叉梯度结构耦合约束,并能同时获得电阻率和速度模型的三维联合反演算法.分别利用单棱柱体模型和双棱柱体模型合成数据进行了联合反演试算.结果表明:无论是单棱柱体模型还是双棱柱体模型,联合反演结果比单独反演对异常体的空间形态都有更好的恢复,其中单棱柱体模型反演的异常体电阻率更接近于真实电阻率,双棱柱体模型的联合反演结果不仅消除了围岩的部分电阻率假异常,而且增强了对异常体深部速度结构特征的恢复程度.联合反演还能同时改善电阻率和速度反向变化异常体的单独反演结果,进一步证明交叉梯度耦合不依赖于岩石物性关系,而强调地下结构的相似性,具有更普遍的适用性.     

Simultaneous Inversion for Velocity and Reflector Geometry Using Multi-phase Fresnel Volume Rays

Traditional ray tomography methods based on the high frequency assumption are sometimes unable to obtain a high resolution tomographic picture due to a deficient coverage of ray paths in real applications, especially for low velocity anomalous regions. In contrast, finite-frequency ray theory is more suitable for handling real seismic propagation problems because the travel time depends not only on the velocity distribution along a central ray (or traditional geometric ray), but also on the velocity values within a region (referred to as the first Fresnel Volume) which incorporates the central ray. In this study, we develop an algorithm to calculate multi-phase Fresnel Volume finite-frequency rays, and then present an inversion method to simultaneous invert for both velocity and reflector geometry by using these multi-phase Fresnel Volume finite-frequency rays. Using synthetic data examples, we compare the reconstructions of the velocity field and the reflector orientation using the Fresnel Volume ray tomographic methods and the traditional ray tomography approach. Results show that the former is advantageous over the latter, especially when the ray density is relatively low. An additional benefit of the Fresnel Volume finite-frequency ray tomographic method is that it can start with a low frequency to capture the coarse velocity structure, thereby mitigating the local minimum trapping problem, and then be tuned to a high frequency for delineating the fine velocity structure.     

3-D multi-parameter type traveltime tomography in a spherical coordinate frame: comparison of double and triple class simultaneous inversions

It is now common practice to perform simultaneous traveltime inversion for the velocity field and the reflector geometry in reflection/refraction tomography, or the velocity field and the hypocenter locations in regional earthquake tomography, but seldom are all three classes of model parameters updated simultaneously. This is mainly due to the trade-off between the different types of model parameters and the lack of different seismic phases to constrain the model parameters. Using a spherical-coordinate ray tracing algorithm for first and later(primary reflected) arrival tracing algorithm in combination with a popular linearized inversion solver, it is possible to simultaneously recover the three classes of model parameters in regional or global tomographic studies. In this paper we incorporate the multistage irregular shortest-path ray tracing algorithm(in a spherical coordinate system) with a subspace inversion solver to formulate a simultaneous inversion algorithm for triple model parameters updating using direct and later arrival time information.Comparison tests for two sets of data(noise free and added noise) indicate that the new triple-class parameter inversion algorithm is capable of obtaining nearly the same results as the double-class parameter inversion scheme. Furthermore,the proposed multi-parameter type inversion method is not sensitive to a modest level of picking error in the traveltime data, and also performs well with a relatively large uncertainty in earthquake hypocentral locations. This shows it to be a feasible and promising approach in regional or global tomographic applications.