Hausdorff分数维识别地震道初至走时

地震波初至走时的识别在地震勘探、人工地震层析成像以及全球地震层析成像方法研究中起重要作用．初至走时拾取的精度在很大的程度上影响地震层析成像及演的精度．本研究以提高地震波初至走时拾取的精度及定量化程度为目标,利用计算地震道时间序列分数维的方法,实现了地震波初至走时的自动拾取．本文以分形理论为基础,进行了地震道时间序列Hausdorff分数维的计算．计算结果表明地震道时间序列的分数维在初至到达前后具有不同的数值,其变化点能够定量指示出初至走时的位置．本文还给出了利用该方法对实测数据进行初至走时拾取的实例．     

强速度反差介质中的基尔霍夫衍射成像

在不均匀介质中进行走时计算，有限差分方法优于射线追踪方法。然而，当将这些方法应用到基尔霍夫偏移，在出现强速度反差时就会产生严重问题。如果采用有限差分走时方法计算初至，由于大量的地下信息通常由直达体波所携带，那么，就会产生不完整的图象。我们提出一个计算续至走时的新方法，解决了上述问题，并将初至和续至走时都应用到基尔霍夫衍射成像算法中。反差显示，在基尔霍夫偏移中兼用初至和续至波能够明显改善强速度反差介质的成像。     

基于约束Markov决策过程的初至自动识别技术

随着地震数据采集技术的进步,地震数据量日益增加,全自动、高精度的地震初至走时拾取技术受到了更加广泛的关注.本文将初至拾取看作特征空间内带约束的Markov决策过程,在奖励函数空间,按一定准则全局寻优获得积累奖励值最大的路径,从而达到在高维空间自动拾取初至信息的目的.同时,状态值函数中包含与距离相关的折扣因子γ,使Markov决策过程拾取初至能够考虑地震数据的横向连续性,并且回避地震数据中的坏道信息.在此基础上,本文方法进一步引入受空间几何信息约束的动作(Actions)和转移概率(Transitions Probability),从而降低了对起始状态和折扣因子选取的难度,让地震数据初至走时拾取更加准确和自动化.实际数据测试结果表明,在初至能量较弱(信噪比较低)情况或浅层存在相邻较近复杂波形时,本文提出的约束Markov算法仍能准确地进行初至走时的自动拾取,并且具有一定的质量监控能力,让拾取结果更有物理意义.     

波动方程初至波多信息联合反演方法

地震初至波中包含着丰富的近地表速度结构信息,如何分阶段、分尺度地利用这些信息进行近地表速度建模是地震勘探中的一个关键问题.在速度反演的不同阶段,综合利用初至波中的不同信息(如走时、包络和波形等)进行联合反演,可以有效地降低反演对初始模型的依赖程度,提高近地表速度模型的反演精度.为此,本文提出了一种统一基于波动方程正演引擎的初至波多信息联合反演方法,该方法同时匹配观测和模拟的初至波走时、包络和波形信息.在不同的反演阶段选择不同的权重因子调节不同信息的权重,这样不仅降低了反演对初始速度模型的依赖,而且自然地实现了多尺度反演.在每轮反演迭代中,一次正演模拟的波场同时应用于初至波走时、包络和波形匹配,无需额外的射线追踪.同时,联合反演方法在一定程度上缓解了串联反演中目标函数漂移问题,提高了近地表速度建模的精度.     

初至波能量比迭代拾取方法

本文提出了一种创新的初至波自动拾取方法,免人工干扰,抗干扰能力强,自动剔除低信噪比道,利用二次拾取保证初至拾取结果的可靠性和提高拾取道数.该方法首先利用空间多时窗内插方法,确定每道时窗位置,基于数字图像处理技术,计算初至时窗内地震数据每个采样点的能量比值,结合初至波波形和能量的特点确定初至时间的位置;然后利用相邻初至波相互约束对拾取的初至波进行评价,确定可信度低的初至波;最后利用可信度高的初至波作为约束条件对可信度低和未拾取的初至波二次拾取,二次拾取过程中利用能量、频率、波形等对初至波进行判断,剔除掉异常干扰道.本方法利用新的能量比值法在一定程度上能消除初至波到达前的随机干扰,初至评价和二次拾取有效地识别和剔除干扰道,提高二次拾取质量,减少手工交互的工作量,满足了地震勘探中对初至波拾取的要求.经过实际数据的应用表明,此算法对于初至波形变化较大、背景噪声干扰严重等的低信噪比资料,自动拾取初至的效率和精度都得到了预期的效果.     

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.     

基于波动方程的上下缆地震数据鬼波压制方法研究

本文发展基于波动方程的上下缆鬼波压制方法,推导了上下缆地震波场频率波数域波动方程延拓合并公式.基于Fourier变换的波场解析延拓确保上下缆资料振幅相位的一致性,消除了长拖缆远偏移距信号的计算误差,同时具有较高的计算效率;上下缆地震波场的波动方程法合并有效解偶鬼波干涉,实现综合利用上下缆地震数据压制鬼波.理论模型数据和实际采集地震数据的测试表明了方法的有效性.     

基于走时的保幅偏移方法

振幅随偏移距变化是描述储层特征的重要方法之一,保幅偏移方法就是使偏移剖面能够反映出振幅随偏移距的变化.本论文中的保幅偏移是以走时为基础,主要的方法是采用走时的双曲线展开法,通过走时的二阶空间导数来确定波前曲率.该方法通过建立在大网格上的走时表来确定插值系数,将大网格插值成为较为精细的网格,这样就节省了数据的存储空间.对于相同的网格密度,通过插值来计算走时表比采用程函方程有限差分法直接计算走时要节省5至6倍的时间.走时的插值系数还可以用来计算几何扩散因子、权函数,不仅提高了成像质量,还大大节省了计算时间.     

基于波场重构的早至波波形反演

初至波走时反演难以得到复杂的地下构造,而早至波波形反演在处理远偏移距地震记录时易产生周期跳跃现象,只能利用近偏移距数据进行反演.但近偏移距的早至波所携带的信息较少,难以实现对地下介质的高精度速度建模.为解决上述问题,并充分利用远偏移距的早至波信息,本文提出基于初至波波场重构的早至波反演方法.该方法将早至波波动方程作为惩罚项,加入到传统的全波形反演的目标函数中.新的反演问题转化为一个选择优化问题,可以用变量映射法对该问题进行求解:首先给定初始速度,在早至波波形空间寻找合适的早至波解;在准确重构早至波场之后,利用早至波场与近地表速度的近线性关系,实现对近地表速度场的高精度建模.该方法不包含观测数据的匹配过程,可以更好的处理远偏移距信息并避免周期跳跃.模型测试验证了本文方法的准确性和有效性.     

三维复杂地形近地表速度估算及地震层析静校正

在地表一致性模型的基础上提出一种可适用于宽线剖面、弯曲测线、传统的二维和目前广泛使用的三维地震观测.在地形及近地表低降速带地质结构复杂的探区，低降速带厚度及速度估算的精度是静校正处理的关键.本研究根据三维地震观测的初至走时数据，利用最小平方与QR分解相结合的算法，在三维空间重建近地表低降速带速度模型，根据重建速度模型实现了静校正长波长分量与短波长分量的同步计算.分析了复杂的近地表低降速带模型初至波的性质，在观测值的自动拾取以及理论值的计算中充分考虑了可能成为初至波的直达波、折射波和反射波的利用，提高了低降速带速度模型反演的精度.在初至走时观测数据的拾取中，本研究采用分形算法克服了初至波波形差异以及折射波相位反转导致的拾取误差，实现了三维初至拾取的大规模全自动化运算.在射线路径与初至波理论走时的计算中，本研究采用一种计算量与模型复杂程度无关的三维射线追踪方法，该方法以最小走时射线路径保证了与观测数据有同等意义的初至波的射线追踪及理论走时的计算.野外实际资料的处理结果表明了方法的有效性.     

海洋拖缆地震资料初至波走时层析反演

初至波走时层析反演技术作为建立近地表速度模型的重要手段,是解决陆地资料复杂静校正问题的关键技术。而折射波广泛发育的海洋地震资料,对折射波信息的关注与运用并没有得到广泛的重视。本文首次将层析反演方法应用于海洋拖缆地震数据的近海底速度模型的建立。本文方法与陆地资料层析反演的主要区别在于:①在震源信号的最小相位化处理后进行初至时间的拾取,避免了混合相位子波初至拾取不准带来的误差;②以海水深度与海水速度作为反演约束条件,减小了迭代误差。实测二维资料的层析反演结果表明,本文方法可反演出较为精确的海洋地层速度结构。      

初至波相位走时层析

近地表速度结构通常是利用射线走时层析或菲涅尔体走时层析等反演方法得到的,但它们的目标函数仍利用射线走时残差构建,导致反演精度不高.为此,本文提出了基于散射积分算法的初至波相位走时层析成像方法.该方法的核心是:(1)提出了依赖于频率的相位走时概念;(2)利用依赖于频率的相位走时信息,而非单一的无限频率射线走时;(3)发展了一种改进的相位展开方法,即通过监测相位不连续性和2π周期判定来消除相位折叠现象;(4)考虑了地震波传播的有限频特征,即基于波动理论而非传统的射线路径或有限空间的菲涅尔体构建核函数.通过利用Overthrust模型的数值实验及与传统射线走时层析和菲涅尔体走时层析的对比表明:本文提出的方法是一种有效的初至波走时反演方法.同时,基于Overthrust模型的数值试验还证明了下列结论,即通过挖掘更多的走时信息的确可以获得更高的反演精度和分辨率.     

Calculating complex‐valued P‐wave first‐arrival traveltimes in attenuative vertical transversely isotropic media with an irregular surface

The complex‐valued first‐arrival traveltime can be used to describe the properties of both velocity and attenuation as seismic waves propagate in attenuative elastic media. The real part of the complex‐valued traveltime corresponds to phase arrival and the imaginary part is associated with the amplitude decay due to energy absorption. The eikonal equation for attenuative vertical transversely isotropic media discretized with rectangular grids has been proven effective and precise to calculate the complex‐valued traveltime, but less accurate and efficient for irregular models. By using the perturbation method, the complex‐valued eikonal equation can be decomposed into two real‐valued equations, namely the zeroth‐ and first‐order traveltime governing equations. Here, we first present the topography‐dependent zeroth‐ and first‐order governing equations for attenuative VTI media, which are obtained by using the coordinate transformation from the Cartesian coordinates to the curvilinear coordinates. Then, we apply the Lax–Friedrichs sweeping method for solving the topography‐dependent traveltime governing equations in order to approximate the viscosity solutions, namely the real and imaginary parts of the complex‐valued traveltime. Several numerical tests demonstrate that the proposed scheme is efficient and accurate in calculating the complex‐valued P‐wave first‐arrival traveltime in attenuative VTI media with an irregular surface.     

基于Born波路径的高斯束初至波波形反演

为了提高表层速度反演精度,本文提出了一种新的波形反演方法.该方法只利用初至波波形信息以减少波形反演对初始模型的依赖性,降低反演多解性与稳定性.由于只利用初至波波形信息,所以该方法利用高斯束计算格林函数和正演波场,以减少正演计算量.为了避免庞大核函数的存储,该方法基于Born波路径,利用矩阵分解算法实现方向与步长的累加计算.将此基于Born波路径的初至波波形反演方法应用于理论模型实验,并与声波方程全波形反演和初至波射线走时层析方法相对比,发现该方法的反演效果略低于全波形反演方法,但明显优于传统初至波射线走时层析方法,而计算效率却与射线走时层析相当.同时,相对于全波形反演,本文方法对初始模型的依赖性也有所降低.     

2D共炮时间域高斯波束偏移

针对传统射线方法在奇异区成像精度不高,而2D频率域高斯波束叠前深度偏移需要计算成像点处每个频率的格林函数,影响计算效率的问题,本文通过使用复走时代替实走时,改变频率域下成像公式的积分顺序,给出了在时间域下进行高斯波束偏移的方法和计算公式.本文使用复杂数值模型验证了2D时间域高斯波束叠前偏移方法的正确性,并同传统射线偏移成像结果做了对比.对比结果表明时间域高斯波束偏移在成像精度上优于传统射线偏移.     

弹性波逆时偏移中的稳定激发振幅成像条件

本文针对弹性波逆时偏移,提出稳定的激发振幅成像条件.在震源波场的正向传播过程中,计算每个网格点的能量,并保存最大能量密度的时刻和相应的波场值;在检波器波场的逆时传播过程中,在每个网格点提取最大能量密度时刻的检波器波场值,并利用保存的最大能量震源波场做归一化,获得角度依赖的反射系数成像剖面.相比于归一化互相关成像条件,该成像条件在震源波场的正向传播过程中无需存储波场快照,节省大量磁盘空间和I/O吞吐任务,提高了计算效率;相比于弹性波的激发时间成像条件,该成像条件自动校正了水平分量在震源两侧的极性反转,在多炮叠加时避免振幅损失.数值试验表明,与归一化成像条件相比,稳定激发振幅成像条件具有更小的计算量,偏移剖面的低频假象更弱,水平分量的成像能力更优,具有更高的空间分辨率.     

Directional‐oriented wavefield imaging: a new wave‐based subsurface illumination imaging condition for reverse time migration

The key objective of an imaging algorithm is to produce accurate and high‐resolution images of the subsurface geology. However, significant wavefield distortions occur due to wave propagation through complex structures and irregular acquisition geometries causing uneven wavefield illumination at the target. Therefore, conventional imaging conditions are unable to correctly compensate for variable illumination effects. We propose a generalised wave‐based imaging condition, which incorporates a weighting function based on energy illumination at each subsurface reflection and azimuth angles. Our proposed imaging kernel, named as the directional‐oriented wavefield imaging, compensates for illumination effects produced by possible surface obstructions during acquisition, sparse geometries employed in the field, and complex velocity models. An integral part of the directional‐oriented wavefield imaging condition is a methodology for applying down‐going/up‐going wavefield decomposition to both source and receiver extrapolated wavefields. This type of wavefield decomposition eliminates low‐frequency artefacts and scattering noise caused by the two‐way wave equation and can facilitate the robust estimation for energy fluxes of wavefields required for the seismic illumination analysis. Then, based on the estimation of the respective wavefield propagation vectors and associated directions, we evaluate the illumination energy for each subsurface location as a function of image depth point and subsurface azimuth and reflection angles. Thus, the final directional‐oriented wavefield imaging kernel is a cross‐correlation of the decomposed source and receiver wavefields weighted by the illuminated energy estimated at each depth location. The application of the directional‐oriented wavefield imaging condition can be employed during the generation of both depth‐stacked images and azimuth–reflection angle‐domain common image gathers. Numerical examples using synthetic and real data demonstrate that the new imaging condition can properly image complex wave paths and produce high‐fidelity depth sections.     

地震波传播的微分几何描述

本文以复杂介质中的走向函数为基础,引入走时场的微分流形,从微分几何观点看,复杂介质中的射线方程即为流形上的测地线方程,复杂介质中的标量波动方程即为流形上的协变标量场方程,从而建立起复杂介质中地震波传播的微分几何描述,文中还讨论该方法在射线追踪,波场变换等方面的应用。     

Finite-difference calculation of traveltimes based on rectangular grid

Introduction The calculation of seismic wave traveltimes is a basic and the most important step in tomo-graphy, seismic wave forward modeling and Kirchhoff prestack depth migration. Limitations withtraditional ray tracing fall into four categories. a) Analytical methods can only realize ray tracingfor simply varying velocity fields, so they have relative small applied-range; b) Shooting methodsof ray tracing can cause shadow zones. When the shadow zones exist the method will invalid; c)…     

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.