基于分数阶拉普拉斯算子解耦的黏声介质地震正演模拟与逆时偏移

时间域常Q黏声波方程,由于含分数阶时间导数项,数值求解需要大量内存,计算效率低,不利于地震偏移的实施.通过一系列近似,可将该方程简化为介质频散效应和衰减效应解耦的分数阶拉普拉斯算子黏声波方程,数值求解内存需求少,计算效率高.本文采用交错网格有限差分逼近时间导数,改进的伪谱法计算空间导数,PML吸收边界去除边界反射,对该方程进行数值离散和地震正演模拟,开展地震数据的黏声介质逆时偏移,实现波场逆时延拓过程中同时完成频散校正和衰减补偿.改善深层构造的成像精度,数值结果表明,基于分数阶拉普拉斯算子解耦的黏声介质地震正演模拟与逆时偏移可大幅度提高地震模拟计算效率,偏移剖面明显优于常规声波偏移剖面,极大改善深层构造的成像品质.     

非均匀流-固边界耦合介质多参数全波形反演方法

海洋勘探环境可以抽象为下伏固体与上覆流体相互耦合的介质,本文针对流-固边界耦合介质提出了一种高效、稳定的多参数（速度和密度）全波形反演方法.本文采用弹性波一阶位移-应力方程作为过渡层耦合声波压力方程与弹性波位移方程来模拟耦合环境,相比于传统的交错网格建模方法或者构建连续性条件,本文提出的方法在正演精度和稳定性上凸显出很大优势,极大降低了计算内存.反演策略对多参数全波形反演至关重要,由于不同参数之间的相互耦合使得密度在多参数全波形反演中较难获得,因此本文将非均匀流-固边界耦合介质多参数全波形反演分为两个步骤完成：第一步利用变密度声波方程结合推导出的密度梯度算子进行纵波速度和密度的双参数反演;第二步根据链式法则求取横波速度的梯度,结合第一步的反演结果使用流-固边界耦合方程反演横波速度.最后通过与声波动方程数值模拟结果对比证明正演算法的准确性;上覆流体的Marmousi-2模型的数值试验测试说明反演方法的有效性和适应性.     

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.     

黏声方程Q值反射波反演

地震波在非弹性介质中的衰减效应常用品质因子Q度量.相对准确的Q模型对提高强衰减介质中地震波成像的质量至关重要.本文提出了黏声介质反射波形反演(QRWI)方法来重建地下宏观Q模型.在缺乏大偏移距和低频地震数据时,该方法以黏声波方程为波场传播引擎,利用反射波核函数对模型中深部的敏感性去提取背景Q值.当速度高、低波数成分均已知时,基于波形拟合的QRWI可以获得较高分辨率的反演结果.由于地下介质速度的高波数扰动很难准确估计,本文通过引入峰值频移目标函数,极大地降低了QRWI对速度高波数成分的依赖.理论合成数据实验结果表明,本文方法反演得到的宏观Q模型可以满足衰减补偿逆时偏移成像的要求.     

基于流变体模型的波恩近似方程地震正演模拟

常规τ值法假设应力松弛时间与应变延迟时间近似相等, 造成了常Q模型拟合精度低. 本文利用精确的广义流变体模型Q值计算公式, 研究改进的τ值法求解常Q模型参数. 根据地震波散射理论, 推导了基于广义流变体模型的黏滞性介质一阶波恩近似方程, 结合位移-速度关系得到了含卷积完全匹配层边界条件的黏滞性介质应力-速度方程的一阶波恩近似表达式. 通过数值实验验证并对比了黏滞性介质中全波波动方程、 一阶波恩近似方程以及单程波波动方程的波场特征, 讨论了基于流变体模型的黏滞性介质一阶波恩近似方程对速度扰动和Q扰动的适应性, 以及对旅行时和振幅精度的影响.      

常Q衰减介质分数阶波动方程优化有限差分模拟

本文基于Kjartansson常Q模型理论,推导了常Q衰减介质中黏声波和黏弹性波的速度-应力方程,并采用基于二项式窗函数的优化交错网格有限差分方法进行了数值模拟,同时引入不分裂的复频移卷积完全匹配层(CPML)吸收边界条件,以消除边界反射.使用基于自适应时间步长记忆方法的中心差分近似时间分数阶导数,与常用的短时记忆方法相比,提高了波动方程的离散化精度和计算效率.通过对比均匀模型下声波的数值解与解析解,验证了算法的精确性,并进一步分析了不同品质因子下地震波的频散及衰减特征.对BP盐丘模型的数值模拟结果可以较好地反映本文数值方法对复杂介质的适应性及频散压制效果.      

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.     

基于阈值混合范数的黏声最小二乘逆时偏移

最小二乘逆时偏移方法在重建高分辨地下构造图像方面具有理论优势.然而,常规方法忽略了介质对地震波的吸收衰减效应,且受噪声干扰易产生偏移假象,以致成像分辨率较低.为提高最小二乘逆时偏移方法服务于油气勘探开发的能力,本文将常分数阶拉普拉斯算子波动方程作为黏滞性介质中波场的控制方程以降低模拟数据和观测数据匹配的不确定度.此外,利用阈值混合范数构建最小二乘逆时偏移的目标函数以提高成像方法的抗噪性.通过合成和实际数据测试表明所提出的方法能有效地生成高分辨的构造图像.     

基于分数阶时间导数常Q黏弹本构关系的含黏滞流体双相VTI介质中波场数值模拟

分数阶微分算子具有描述历史依赖性和全域相关性的特质,本文利用这种特质描述双相介质固体骨架的黏弹性特征.基于Kjartansson常Q理论将含有分数阶时间导数的黏弹固体骨架各向异性本构关系与双相介质理论有机地结合起来,并引入流变学本构关系描述孔隙流体的黏滞性力学行为,提出一种新的基于分数阶时间导数常Q黏弹本构关系的含黏滞流体双相VTI模型.推导了相应的时间域波传播方程,然后对该方程进行了数值模拟.对整数阶导数采用高阶交错网格有限差分算法,对分数阶时间导数采用短时记忆中心差分算法,进行了不同相界、不同品质因子组及双层地质结构情况下该类介质中波场的数值模拟与特征分析.模拟结果表明：将含有分数阶时间导数的常Q黏弹固体骨架各向异性本构关系及孔隙流体的黏滞性本构关系引入双相介质理论是可行的,二者的结合能更好地反映地下介质的黏弹性特征,对于进一步认识波在黏弹各向异性孔隙介质中的传播机理具有重要意义,为反演和重构地下油气储层和结构奠定正演理论基础.     

Kelvin-Voigt均匀黏弹性介质中传播的地震波

研究了在小扰动的情况下, 地震波在Kelvin-Voigt均匀黏弹性介质中传播时的瞬态响应以及对应的三阶偏微分方程的解析解. 获得了在脉冲震源条件下Kelvin-Voigt均匀黏弹性三阶波动方程的平面波解. 运用脉冲叠加原理, 获得了在任意震源条件下Kelvin-Voigt均匀黏弹性三阶波动方程的平面波解. 讨论了地震波在Kelvin-Voigt均匀黏弹性介质中的传播速度和衰减, 推导出了地震波的衰减系数和传播速度与介质的密度、弹性模量和黏滞系数之间的精确关系. 这些结果能够用于地震勘探中黏弹性岩性参数的反演.     

基于分数阶时间导数的黏弹性衰减VTI介质中平面波传播

目前在地震勘探频带范围内通常假设品质因子Q与频率无关,且呈衰减各向同性.事实上,相比较速度各向异性,介质的衰减各向异性同样不可忽视.本文将衰减各向异性和速度各向异性二者与常Q模型相结合,建立了黏弹性衰减VTI介质模型,并基于分数阶时间导数理论,给出了对应的本构关系和波动方程.利用均匀平面波分析和Poynting定理,推导出准压缩波qP、准剪切波qSV和纯剪切波SH的复速度、相速度、能量速度以及品质因子的解析表达式.对模型的正确性进行了数值验证,并分析了qP,qSV和SH波在介质中的传播特性.数值试验结果表明:本模型能够实现理想的恒定Q行为,表现了品质因子和速度的各向异性特征,显示出黏弹性增强将导致能量速度和相速度的频散曲线变化剧烈;速度和衰减各向异性参数与传播角度之间的耦合效应对qP,qSV和SH波的速度和能量影响明显;qP,qSV和SH波的频散曲线和波前面随着衰减各向异性强度的改变发生显著变化,其中耦合在一起的qP和qSV波变化趋势相同,而SH波与它们呈现相反的变化规律.本研究为从常Q模型角度分析地震波在衰减各向异性黏弹性介质中的传播特征奠定了理论基础.     

基于拟微分算子的横向各向同性介质黏声波方程

由于地层的各向异性与黏滞性,地震波在传播过程中表现出方向上的各向异性和振幅值的吸收衰减特征.若简单地将地下介质视为各向同性,实际地质结构的地震波响应可能会被曲解,甚至忽略了有效信息.为了得到深部储层的高精度成像,本文将标准线性固体模型(SLS)扩展到各向异性介质中,并结合各向异性拟声波方程,推导出时间空间域的各向异性介质黏声波方程组,该方程中用伪微分算子来表述地震波的衰减特征.在逆时偏移的过程中,为了解决高频不稳定问题,文中通过引入规则化算子来构建稳定的逆时传播算子.模型的正演模拟表明该方程既能准确的描述各向异性介质下的标量波的传播规律,又能体现地层的吸收衰减效应.     

基于高阶广义标准线性体模型的三维黏弹性介质弹性波正演模拟

吸收衰减是地震波在实际地球介质中传播的固有特征.在实际应用中,通常假设表征吸收衰减特征的品质因子Q在地震频带范围内不随频率变化.高阶广义流变模型能够在时间域内精确的表征品质因子Q不随频率变化的特征,为黏弹性介质波动方程精细模拟奠定了基础.基于广义标准线性体模型理论,采用最小二乘拟合方法对Q值不随频率变化特征进行拟合,分析了不同阶次广义标准线性体模型对黏弹性介质Q值特征的拟合程度,在权衡计算精度和三维计算量的基础上,确定了五阶广义标准线性体模型并建立了相应的三维黏弹性波的速度-应力方程,结合CFS-PML边界条件开展了高精度三维黏弹性波正演模拟.通过均匀介质正演模拟,验证算法的正确性,明确了地震波的传播时的吸收衰减特征,对三维盐丘模型进行数值模拟,表明了五阶广义标准线性体可以精确的模拟黏弹性介质地震波吸收衰减特征.     

粘滞声波方程Q值波形反演方法研究（英文）

当前全波形反演方法研究大多针对弹性介质,忽略了真实介质的吸收衰减作用。现有针对粘弹介质的波形反演方法也主要在Q模型给定的假设前提下聚焦于速度参数反演,其Q模型的获取通常利用层析反演得到,分辨率低,不能精确匹配传播过程中的振幅衰减和相位畸变作用,一定程度上影响反演精度。本文提出了一种波动方程Q值波形反演新方法。从描述衰减机制的标准线性体理论出发,本文首先推导得到明确表征振幅衰减和相位畸变作用的简化粘滞声波方程。相比传统方程,本文中方程形式不涉及记忆变量,计算过程中内存需求少,且衰减补偿过程更易于实现。本文进一步得到该方程对应的伴随方程形式和目标函数关于模型参数的梯度表达式,并针对性地给出了克服伴随方程传播不稳定的规则化方案。在速度参数已知的条件下,利用L-BFGS方法实现了Q值波形反演。为缓解波形反演对初始模型的依赖性,一定程度上避免"周波跳跃"问题,本文采用多尺度分析策略进行复杂模型Q值波形反演。此外本文还进一步讨论了目标函数的抗噪性及速度和品质因子双参数波形反演问题,并结合模型试算给出结论与认识。     

黏声VTI介质逆时偏移成像稳定性研究（英文）

实际地层广泛存在各向异性和黏滞性,使得地震波波形发生改变,振幅能量降低,降低了成像的分辨率。为了进行深部储层高精度成像,本文基于GSLS模型黏声各向同性介质理论,将其扩展到各向异性介质中,给出了黏声垂直横向各向同性(VTI)介质声波拟微分方程组,采用伪谱法进行数值模拟。引入规则化算子消除高频不稳定问题,构建稳定的逆时传播算子,实现黏声VTI介质逆时偏移。该方法在成像过程中,考虑了各向异性和黏滞性的影响,具有更高的分辨率和振幅保真度,模型试算验证了方法的正确性。     

基于Low rank近似的黏弹性介质衰减补偿微地震逆时定位与裂缝成像

真实地下介质具有黏弹性,地震波在传播过程中会发生耗散与频散.忽视黏弹性介质的吸收衰减效应,逆时延拓过程中地震波将会出现振幅减弱、相位失真等现象,无法准确定位震源真实位置,因此需要对黏弹性介质中传播的波场进行衰减补偿,并通过采用合适的成像算子对微地震震源进行定位与裂缝成像.本文基于耗散与频散解耦的分数阶黏弹性波动方程模拟波场,采用low rank分解近似混合域算子,分离衰减相关项并反转耗散项符号,并在补偿的衰减项波场的波数域中进行低通滤波,压制噪声的影响;使用优化后的成像算子进行微地震震源定位,并通过分离散射波场,对散射波进行逆时反传寻找裂缝.数值实验证明,本文方法通过low rank近似有效提高了计算效率,衰减补偿算子在滤波器约束下能够稳定地补偿反向延拓的波场,优化后的成像算子能够在压制随机噪声的同时进一步提高计算效率和定位分辨率.     

基于Born敏感核函数的速度、密度双参数全波形反演

速度、密度之间的相互耦合使得密度在多参数全波形反演中较难获得.本文将截断高斯-牛顿法用于声介质速度、密度双参数全波形反演,通过考虑近似Hessian矩阵中反映速度、密度相互作用的非主对角块元素,有效解决了多参数全波形反演中速度、密度之间的耦合问题,在不采用反演策略的情况下,仍能够获得精度较高的速度、密度反演结果.常规的截断牛顿类全波形反演通常利用一阶伴随状态法求取目标函数对模型参数的梯度,利用二阶伴随状态法或有限差分法求解Hessian-向量乘,在每一步内循环迭代过程中需要额外求解两次正演问题,计算量较大.本文基于Born近似,将梯度计算中的核函数-向量乘表示为具有明确物理意义的向量-标量乘的累加运算,同时将Hessian-向量乘转化为两次核函数-向量乘,无需额外求解正演问题,有效降低了计算量.数值实验证明了本文提出的方法的有效性.     

地震反射波反演二阶优化方法及其应用

常规地震数据大都缺乏低频成分与长炮检距信号,经典的全波形反演方法不易获取中、深层弹性参数模型的长波长分量,波动方程反射波形反演作为替代方法近来受到极大关注.然而,现有的反射波形反演方法几乎都采用梯度类的一阶优化算法,收敛性和精度都有待提高.本文在二阶优化理论框架下,推导弹性参数背景与扰动模型的反射波敏感核、泛函梯度以及海森算子,揭示海森矩阵对泛函梯度的去模糊化作用和改善反演的工作机制.推覆体模型合成数据实验表明,相比于常用的共轭梯度法,利用近似海森矩阵的高斯-牛顿法明显提升了反射波形反演的收敛性与宽谱建模能力.在东海实例中,本文方法超越常用的反射走时层析技术,通过改善中、深层偏移速度建模,支撑逆时偏移高分辨率刻画长江坳陷内部复杂的断裂系统,改善了深部基底的成像质量.     

求解双相和黏弹性介质波传播方程的间断有限元方法及其波场模拟

间断有限元（Discontinuous Galerkin：DG）方法具有低数值频散、网格剖分灵活、能模拟地震波在复杂介质中传播等优点.因此,本文将一种新的DG方法推广到双相和黏弹性等复杂介质的地震波场模拟,发展了求解Biot弹性波方程和D'Alembert介质波动方程的DG方法.首先通过引入辅助变量将Biot双相介质弹性波方程和D'Alembert介质波动方程转化为关于时间-空间的一阶偏微分方程组,然后对该方程组进行DG空间离散,得到半离散化的常微分方程组.最后,对此常微分方程组,应用加权的Runge-Kutta格式进行时间推进计算.数值结果表明,DG方法可以有效地求解Biot双相介质弹性波方程和D'Alembert介质波动方程,并能很好地压制因离散求解波动方程而产生的数值频散,获得清晰的各种地震波震相.     

基于一阶速度-应力方程的VTI介质最小二乘逆时偏移

地下地层普遍存在各向异性,忽略介质各向异性会导致速度估计不准确,成像精度下降.基于二阶声波方程的最小二乘逆时偏移忽略了介质各向异性及密度变化的影响,致使模拟地震数据与实际观测数据不匹配,影响收敛速度和反演成像质量.VTI介质一阶速度-应力方程能较好适应各向异性变密度情况,为此,本文首先从VTI介质一阶速度-应力方程出发,进行波动方程线性化;其次推导了相应的扰动方程和伴随方程,并通过伴随状态法得到梯度更新公式;最终形成基于一阶方程的LSRTM算法理论及实现流程.在实现算法的基础上,通过数值试算及成像结果对比,验证了本文算法在处理变密度和VTI介质时的有效性和优越性.偏移速度以及各向异性Thomsen参数误差的敏感性测试及误差收敛曲线对比结果进一步表明:速度及Thomsen参数对成像结果存在明显影响,其中速度敏感性最强,参数epsilon次之,参数delta的敏感性最弱.