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.     

地震逆散射偏移与反演综述

随着油气勘探领域逐渐向深层、复杂型、隐蔽性油气藏转移,油气资源的勘探难度越来越大,传统反射地震勘探技术难以满足日益增长的油气勘探需求,亟需发展适合复杂地质构造的地震波偏移反演新技术.针对地球深部非均匀结构体引起的地震散射波,发展地震逆散射偏移反演理论和技术将有可能解决复杂构造成像反演的技术难题.本文回顾地震波逆散射偏移反演理论的发展历史和基本原理,以逆广义Radon变换求解线性化逆散射问题为基础,介绍逆散射理论在介质结构成像、物性参数反演、多次波衰减等方面的技术延伸,同时将其应用到合成数据和实际数据资料,探讨地震勘探逆散射方法的技术优势和应用潜力.     

时间二阶积分波场的全波形反演

通过对波场的时间二阶积分运算以增强地震数据中的低频成分,提出了一种可有效减小对初始速度模型依赖性的地震数据全波形反演方法—时间二阶积分波场的全波形反演方法.根据散射理论中的散射波场传播方程,推导出时间二阶积分散射波场的传播方程,再利用一阶Born近似对时间二阶积分散射波场传播方程进行线性化.在时间二阶积分散射波场传播方程的基础上,利用散射波场反演地下散射源分布,再利用波场模拟的方法构建地下入射波场,然后根据时间二阶积分散射波场线性传播方程中散射波场与入射波场、速度扰动间的线性关系,应用类似偏移成像的公式得到速度扰动的估计,以此建立时间二阶积分波场的全波形迭代反演方法.最后把时间二阶积分波场的全波形反演结果作为常规全波形反演的初始模型可有效地减小地震波场全波形反演对初始模型的依赖性.应用于Marmousi模型的全频带合成数据和缺失4Hz以下频谱成分的缺低频合成数据验证所提出的全波形反演方法的正确性和有效性,数值试验显示缺失4Hz以下频谱成分数据的反演结果与全频带数据的反演结果没有明显差异.     

部分叠加资料纵横波速度测井约束反演

本文提出一种角度部分叠加资料同时反演纵波和横波速度的方法,以角度部分叠加资料为基础,利用地震波振幅随入射角变化与弹性参数间的数学关系,基于非线性最优化理论,通过将最小平方问题转化为大型带状矩阵的求解问题,采用逐道外推技术依次求得该角度剖面的每个点纵波和横波速度值,利用地震波速度在各向异性介质中与入射角的关系,进一步得到地震波零入射角纵、横波速度,从而可以求得纵横波速度比及泊松比,为地震资料的岩性及含油气性解释提供了丰富的参数信息,为保证反演的稳定性,降低多解性,采用测井、叠后构造层位解释结果的共同约束,并做好叠前去噪以及振幅保持处理.     

各向异性动力学方程反演新算法

基于各向异性介质中的动力学波动方程组，并利用多波多分量观测数据，发展了一种适用于直接反演介质弹性参数和密度或地震波速度的动力学反演新算法．由于这种方法能充分地利用全波场信息，因此反演结果十分可靠．为了证实这种方法的有效性和适用范围，基于拟SH波方程，并选取了不同的初始模型，对地震波速度进行了反演．结果表明:即使初始模型参数的扰动量达到12.3％时，仍能获得相当好的结果．此外，由于方法构造的特殊性，使得这种方法的向量化和并行化计算非常容易实现．      

地震波散射:理论与应用

传统的球面对称(或层状构造)地球模型正经历着一场革命。地球被揭示从地壳、地幔到地核到处都呈现多尺度的横向非均匀性。这些具有不同尺度的非均匀体对地震波具有不同的效应。速度和密度的非均匀体能改变波形,引起走时和振幅的起伏以及产生直达波的视衰减。地球岩石层的非均匀体还能产生P尾波、S尾波和Lg尾波等。核-幔边界附近的非均匀体能产生对PKP波的散射而成为PKIKP的前驱波,PKKP波的散射波可成为主震相自己的前驱波。近源和近台站的复杂构造可通过共振、散射来改变地震波形。粗糙地形或粗糙界面能造成体波和面波的耦合。地壳内规则排列的裂隙可产生有效各向异性而使S波分裂。由三维非均匀体所引起的地震波的变化,在广义上被称为地震波散射。近十多年来,由于高质量的高频数字地震资料的逐渐增多,对地震波散射的研究在急速发展并引起了越来越多的地震学家、工程学家和勘探地球物理学家的兴趣。本文综述了地震波散射的基本理论和在这一领域各方面的最新进展。其内容大致为:一、地球横向非均匀性的谱及各种散射态式二、地震波散射的研究方法1.理论研究(1)不连续非均匀介质的边界匹配方法(2)弱散射的微扰法(3)高频近似法(4)随机方法和非均匀体的统计特性2.数值模拟和物理模型试验3.野外观测三、弹性波散射的基本特征和标量波近似1.弹性波瑞雷散射2.弹性波瑞雷-甘斯散射3.随机介质的弹性波散射四.地震波散射的表现和应用1.透射起伏2.尾波产生及包络消减3.散射衰减4.核-幔边界附近的散射5.地表地形、近地表结构和深部构造引起的散射6.裂缝散射和有效各向异性7.散射和非线性。     

地震环境噪声成像中的地形影响校正

以传统地震环境噪声面波成像方法研究地壳速度结构时,在一些极端的地形条件下,结果与真实结构会存在较大偏差.我们以地震波场三维正演模拟为基础,提出了一种地形校正方法.我们保留了传统噪声面波成像简单的两步反演法,在面波层析成像和一维速度结构反演的基础上,通过地震波场三维模拟近似估计地形和散射波场的影响,并据此校正瑞利波频散曲线,最终反演得到校正地形影响的S波速度结构.理论测试与在实际观测数据上的应用都证明了校正方法的有效性,同时也显示了地形校正的必要性.     

鄂尔多斯地区上地幔岩石圈三维速度结构面波反演研究

双平面波拟合法是一种新的面波成像方法,反演中考虑地震波场中的非平面波成分,提高反演的分辨率.本文利用双平面波拟合法,反演获得鄂尔多斯地区上地幔岩石圈的速度结构.所用资料为国家数字地震台网69个宽频带地震仪和北京大学34个流动数字地震台观测到的地震波面波资料.首先从面波记录中提取了研究区域20~125 s瑞利波相速度频散曲线,进而得到各个周期瑞利波相速度异常分布图.结果显示,短周期瑞利波相速度异常与地表的构造特征吻合较好,中长周期的瑞利波相速度可以反映出上地幔岩石圈的速度异常分布以及构造特征.由研究区20~125 s的瑞利波相速度分布图可以反演得到地表到地下200 km范围内的三维剪切波速度结构.结果显示,鄂尔多斯块体内部稳定均一,活化或改造的痕迹不明显;鄂尔多斯块体西南缘受到青藏高原的强烈作用,有大量地幔物质流动的痕迹存在;中央转换带下超过200 km深度存在地幔物质上涌,可能与太平洋板块的俯冲和青藏高原板块的挤压有关.     

近地表低速带参数反演

阐明利用瑞雷面波反地表速度和厚度的可行性，并利用地震记录中的瑞雷面波数据，反演近地表低速带的厚度和速度，文中给出了实例试算，结果表明，面波资料的近地表参数反演将有利于勘探目标区的物理参数建模。     

叠前地震资料AVA变参数反演方法

线性AVA反演将纵横波速度比作为常数,从而把非线性AVA反演问题线性化,以得到稳定的反演结果.为突破这一假设条件对AVA反演的限制,本文把纵横波速度比作为未知量,通过变换反演参数,将非线性AVA反演问题线性化,再利用广义线性反演方法求解,得到合理稳定的储层参数.利用实际工区井数据考察了方法的可行性和抗噪性.最后,将该方法应用到实际地震数据,得到了合理的反演结果,说明本反演方法的可靠性与适用性.     

基于多射线联合反演的速度无关叠前地震数据Q值估计

描述地震波衰减特征的品质因子Q对地震数据处理和油藏描述非常重要,在地震勘探领域,Q值一般通过垂直地震剖面(VSP)数据或地面地震数据得到.由于叠前地面地震数据具有复杂的射线路径且存在噪声、调谐干涉效应等影响,从叠前地震数据中准确估计Q值相对困难.本文以地震波射线传播为基础,根据同相轴局部斜率和射线参数的映射关系,将多射线波形频谱同时带入谱比法联合反演估计Q值,提出了基于多射线联合反演的速度无关叠前Q值估计方法.该方法通过局部斜率属性避开了速度对Q值估计的影响,局部斜率携带地震波传播的速度信息,具有相同局部斜率的地震反射波具有相同的传播射线参数.同相轴局部斜率是地震数据域的属性,而速度是模型域的参数,在估计Q值中采用数据域的属性参数可以直接应用于数据的联合反演,而不需要通过速度对其做进一步的转化,从而提高了Q值估计的精度.同时,本方法采用预测映射(predictive mapping)技术将非零炮检距反射信息映射到零炮检距处,从而获得零偏移距走时对应的Q值.模拟和实际算例验证了本文方法的有效性.     

高斯波包反射走时速度反演方法

扰动高斯波包理论指出,在Gabor域描述模型的扰动成分,且入射波场为短时宽带信号时,扰动波场可在时间域通过高斯波包算子描述.在此基础上通过拟合反射波的走时,提出一种速度反演方法.反射波走时残差利用地震道局部波形的互相关函数表示,以走时残差的二范数作为目标函数,优化目标函数实现对速度场的反演.基于一阶Born近似,利用扰动高斯波包理论推导出目标函数对速度场的梯度是本文理论部分的核心内容.梯度包括两部分:正传的背景波场与反传的扰动高斯波包之间的互相关,反传的背景波场和正传的扰动高斯波包之间的互相关.梯度表达式中背景波场和扰动波场均利用高斯波包算子模拟.计算梯度的具体算法中,如何模拟扰动波场,以及如何计算反射波的走时残差是两个要点,文中对此做了详细的讨论.数值实验进一步阐述了反演的实现策略,实验结果表明高斯波包反射走时速度反演方法和实现策略有效可行,并得到了理想的反演结果.     

再论地震数据偏移成像

利用地震波正向传播方程对属于波形线性反演问题近似求解方法的地震数据偏移成像进行重新推导,得到了适合散射地震数据的散射偏移成像方法和适合反射地震数据的反射偏移成像方法.以地震波传播的散射理论为出发点,首先根据描述一次散射波正向传播的线性方程研究建立散射地震数据的偏移成像方法理论;利用高频近似对产生散射波场的地下速度扰动函数的空间变化进行近似,推导出地下反射率函数,再由散射波传播方程推导出基于反射率函数的反射波传播方程,然后根据描述一次反射波正向传播的线性方程研究建立反射地震数据的偏移成像方法理论.本文指出和修正了Claerbout偏移成像方法中的不足,提出的地震数据偏移成像方法是对当前偏移成像方法理论的完善,使反射地震数据偏移成像具有了更坚实的数学物理理论基础,得到的偏移成像结果相位正确、位置准确、分辨率提高.     

一种同时反演纵波速度和泊松比的方法

本文提出一种角度部分叠加资料同时反演纵波速度和泊松比的方法.以角度部分叠加资料为基础,利用地震波振幅随入射角变化与弹性参数间的数学关系,基于非线性最优化理论,通过将最小平方问题转化为大型带状矩阵的求解问题,采用测井约束逐道外推技术依次求得该角度剖面每个点的纵波和泊松比值.通过由每个角度叠加剖面反演得到的相应角度范围的纵波速度和泊松比剖面的对比分析,进一步得到地震波垂直入射时的纵波速度和泊松比,为地震资料的岩性及含气性解释提供丰富的参数信息.     

高分辨率非线性三维整体反演研究(英文)

高分辨率非线性三维整体反演方法是基于非线性理论,在层位控制下,将工区多井(或全部井)的测井数据与井旁地震道数据输入具有多输入多输出的网络,同时进行整体训练,可获得整个工区的自适应权函数,并建立综合非线性映射关系,并根据储层在纵横方向上的地质变化特征更新这种非线性映射关系,这样,就能对反演过程及其反演结果起到约束和控制的作用,从而获得稳定且分辨率高的地震反演剖面(速度反演剖面/波阻抗反演剖面/密度反演剖面),实现整体反演,该方法通过模型试算和实际资料处理,获得较好的地质效果,证明该方法精度高、实用性强,可用于储层的定量分析。     

Seismic inversion with generalized Radon transform based on local second-order approximation of scattered field in acoustic media

Sound velocity inversion problem based on scattering theory is formulated in terms of a nonlinear integral equation associated with scattered field. Because of its nonlinearity, in practice, linearization algorisms (Born/single scattering approximation) are widely used to obtain an approximate inversion solution. However, the linearized strategy is not congruent with seismic wave propagation mechanics in strong perturbation (heterogeneous) medium. In order to partially dispense with the weak perturbation assumption of the Born approximation, we present a new approach from the following two steps: firstly, to handle the forward scattering by taking into account the second-order Born approximation, which is related to generalized Radon transform (GRT) about quadratic scattering potential; then to derive a nonlinear quadratic inversion formula by resorting to inverse GRT. In our formulation, there is a significant quadratic term regarding scattering potential, and it can provide an amplitude correction for inversion results beyond standard linear inversion. The numerical experiments demonstrate that the linear single scattering inversion is only good in amplitude for relative velocity perturbation ( \( \delta_{c}/c_{0} \) ) of background media up to 10 %, and its inversion errors are unacceptable for the perturbation beyond 10 %. In contrast, the quadratic inversion can give more accurate amplitude-preserved recovery for the perturbation up to 40 %. Our inversion scheme is able to manage double scattering effects by estimating a transmission factor from an integral over a small area, and therefore, only a small portion of computational time is added to the original linear migration/inversion process.     

基于改进反射系数近似方程的纵横波阻抗同步反演

基于地震波反射系数近似公式的叠前反演是油气勘探的重要工具.本文在已有研究的基础上,推导了一个改进的射线参数域地震纵波反射系数近似方程.该方程建立了地震纵波反射系数与纵波阻抗和横波阻抗的非线性关系,在中、小角度的范围内较现有的反射系数线性近似公式精度更高.另外,由于该方程仅包含纵波和横波阻抗反射系数项,因此基于新方程的反演能够有效地降低同步反演纵波速度、横波速度、密度三个参数的不适定性.在此基础上,结合广义线性反演法(GLI)理论和贝叶斯理论,相应地发展了一种叠前地震同步反演方法.模型测试和实际资料的应用表明,基于新方程的反演方法能够利用有限角度(偏移距)的数据稳定地反演纵波和横波阻抗,由于在反演过程中,不需要假设纵横波速度为常数,因此该方法还能有效地提高反演结果的精度.     

Applications of Directional Wavefield Decomposition, Phase Space, and Path Integral Methods to Seismic Wave Propagation and Inversion

— Recently, de Hoop and coworkers developed an asymptotic, seismic inversion formula for application in complex environments supporting multi-pathed and multi-mode wave propagation (de Hoop et al., 1999; de Hoop and Brandsberg-Dahl, 2000; Stolk and de Hoop, 2000). This inversion is based on the Born/Kirchhoff approximation, and employs the global, uniform asymptotic extension of the geometrical method of “tracing rays” to account for caustic phenomena. While this approach has successfully inverted the multicomponent, ocean-bottom data from the Valhall field in Norway, accounting for severe focusing effects (de Hoop and Brandsberg-Dahl, 2000), it is not able to account properly for wave phenomena neglected in the “high-frequency” limit (i.e., diffraction effects) and strong scattering effects. To proceed further and incorporate wave effects in a nonlinear inversion scheme, the theory of directional wavefield decomposition and the construction of the generalized Bremmer coupling series are combined with the application of modern phase space and path (functional) integral methods to, ultimately, suggest an inversion algorithm which can be interpreted as a method of “tracing waves.” This paper is intended to provide the seismic community with an introduction to these approaches to direct and inverse wave propagation and scattering, intertwining some of the most recent new results with the basic outline of the theory, and culminating in an outline of the extended, asymptotic, seismic inversion algorithm. Modeling at the level of the fixed-frequency (elliptic), scalar Helmholtz equation, exact and uniform asymptotic constructions of the well-known, and fundamentally important, square-root Helmholtz operator (symbol) provide the most important results.     

基于虚拟偏移距方法的各向异性转换波保幅叠前时间偏移

In this paper, we use the method of pseudo-offset migration （POM） to complete converted wave pre-stack time migration with amplitude-preservation in an anisotropic medium. The method maps the original traces into common conversion scatter point （CCSP） gathers directly by POM, which simplifies the conventional processing procedure for converted waves. The POM gather fold and SNR are high, which is favorable for velocity analysis and especially suitable for seismic data with low SNR. We used equivalent anisotropic theory to compute anisotropic parameters. Based on the scattering wave traveltime equation in a VTI medium, the POM pseudo-offset migration in anisotropic media was deduced. By amplitude-preserving POM gather mapping, velocity analysis, stack processing, and so on, the anisotropic migration results were acquired. The forward modeling computation and actual data processing demonstrate the validity of converted wave pre-stack time migration with amplitude-preservation using the anisotropic POM method.