近地表地震层析成像方法综述

近地表地层与人类生产生活密切相关,利用地震层析成像方法准确重建浅部地壳速度结构有助于开展高精度地震勘探、探查浅部矿产资源、规避潜在自然灾害,并利于城市地下空间建设.中国大陆地表条件复杂,尤其中西部盆岭结合带地形起伏剧烈,对浅部地壳精确速度建模构成严重挑战.本文系统论述了地震层析成像领域基于高频近似理论的走时成像方法和有限频层析成像方法,阐明两类方法的基本原理、存在问题和发展方向等.依据正演走时有无显式射线追踪,基于高频近似理论的走时成像方法分为传统走时层析成像方法和无射线路径的走时层析成像方法.基于射线追踪的传统走时层析成像方法,在浅层速度强烈变化时,因存在阴影区或多路径现象引起成像失真,严重影响成像效率;而无射线路径的层析成像方法通过程函方程走时场的正传和逆传直接计算敏感核,并利用伴随状态法获得目标函数的梯度,具有快速、稳健的优点.以上两种基于地震射线高频近似理论的走时成像方法由于未考虑地震波频率的带限性,存在波散射、波前愈合及反演约束差等问题.有限频层析成像方法克服了射线理论"无限高频"假设所带来的弊端,已成为重要的研究方向之一.该类方法主要分为射线有限频层析成像方法和基于波动方程的有限频层析成像方法.射线有限频层析成像方法能够提高成像的分辨率,但在方法本质上仍依赖于射线理论,较难处理较复杂的波现象问题;基于波动方程的有限频层析成像方法能准确处理复杂地质问题,提高成像可靠性并能以图像形式直观展示地球内部地震波的速度结构分布,但是该方法在实际应用中强烈依赖于数据中的低频信息及较精确的初始速度模型,其推广应用仍需进一步探索.     

地震波初至走时的计算方法综述

在地震波场中,初至波到时信息由于初至震相可追踪、易识别性,在地震学领域占有重要的位置,广泛地应用于叠前偏移、叠前速度分析、地震走时层析成像及地震定位等.本文主要介绍了四类具有代表性的计算初至波走时的方法:(1)基于高频近似射线理论方法,如最短路径方法(SPM),及修正后的最短路径方法(MSPM);(2)基于程函方程的数值解方法,如有限差分方法(FD)、快速推进法(FMM)和快速扫描法(FSM);(3)基于惠更斯原理的波前构建法(WFC);(4)基于频率域波动方程数值解法(FWQ).最短路径方法计算精度较高,稳定性较好,但其需要采用更多的网格节点,因此计算效率低;程函方程数值解法无需计算射线路径,具有计算效率高、稳定性较好、易于实现等优势,但其计算精度较低,可以通过引入高阶差分格式得到提高;波前构建法计算精度高,稳定性好,但其需要在射线网格和规则网格之间做网格转换,因此计算效率较低;频率域波动方程方法能适应任意复杂介质,但其计算精度和计算效率较低.     

叠前逆时深度偏移中的激发时间成像条件

与其他偏移方法相比,逆时偏移基于精确的波动方程而不是对其近似,用时间外推来代替深度外推.因此,它具有良好的精度,不受地下构造倾角和介质横向速度变化的限制.激发时间成像条件的求取是叠前逆时偏移的难点之一,本文采用求解程函方程的方法得到地下各点的初至波走时,以此作为叠前逆时偏移的成像条件.基于任意矩形网格和局部平面波前近似的有限差分初至波走时计算方法精度较高并适用于强纵横向变速的复杂介质.试算结果表明,在复杂介质模型中利用叠前逆时深度偏移收到了很好的成像效果.     

利用背景噪声研究壳幔结构发展综述

利用背景噪声研究地下结构即对两个台站长时间的地震噪声记录进行互相关计算提取台站间的格林函数,获取面波频散特征,并进一步层析成像或测量面波走时变化.通过该方法可获得壳幔速度结构和对地下介质监测.近些年,该方法在理论上和实践上都有长足进展.首先介绍地震背景噪声应用的发展历史,进而重点论述利用背景噪声对壳幔进行群速度和相速度结构成像、三维剪切波速度结构成像、与其他方法联合成像和对地下介质监测的应用.最后分析了目前背景噪声应用面临的问题,并展望了其发展前景.     

地震初至波走时的有限差分计算

本文提出了用有限差分解程函方程求取地震初至波走时的快速、精确方法。算法考虑了首波，散射波开采新的延拓方法。在任意复杂的速度结构中能得到精确的结果。本方法对叠前偏移、层析成像是非常适宜的。     

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.     

3 岩石层结构与过程

岩石层结构与过程为第二专题,共收到论文30篇,其中口头报告13篇,张贴报告14篇,内容主要涉及天然地震观测研究,深地震测深及高能量可控震源等内容. 3.1 天然地震观测研究 该部分内容主要有:用现在广泛使用的常规地震资料处理方法,如体波走时反演、面波频散反演、尾波Q值计算、接收函数等方法研究台阵下方局部区域小尺度地壳结构、介质性质及全球范围内大尺度的壳幔P波速度结构.     

曲线坐标系因式分解程函方程及其走时计算

地震波走时广泛应用于静校正、层析成像、Kirchhoff偏移成像、地震定位等研究.复杂地表条件是影响走时计算精度的重要因素.近年来,发展的曲线坐标系程函方程为精细刻画起伏地表条件下的地震波走时场特征提供了新的思路.然而,基于有限差分程函方程的求解方法不可避免地受到震源奇异性的影响,即震源附近波前的曲率较大,此时使用平面波近似假设的差分格式会导致较大误差.而震源误差会随着波前的传播到达整个计算区域,从而影响整个区域的求解精度.针对该问题,本文借鉴因式分解的思想,推导建立了曲线坐标系因式分解程函方程,并针对性地发展了其数值求解方法,从根源上解决了复杂模型走时计算中的震源奇异性问题.数值实例表明因式分解法能够有效降低震源误差,显著提高起伏地表走时计算的精度和效率,为起伏地表地震波走时计算提供更佳的选择,在复杂模型的地震资料处理中展现出广泛的应用前景.     

地震走时CT波前追踪

把走时CT结果作为地震衍射CT(DCT)的背景场可以改善DCT之成像质量。本文由Radon变换、泛函分析变分原理和微分几何导出程函方程后,采取有限差分法求解,实行波前追踪。通过对反射地震勘探和VSP 结构的源——接收系统编程实际运算,表明该波前追踪程序输入简单,适合于多层介质模型,各网格点的走时能迅速确定。     

由宽角反射地震资料重建壳幔反射结构的相似性剖面

针对人工源宽角地震测深中炮点与接收点稀疏的特点,利用几何散射理论进行壳幔散射体的相似性剖面成像,利用互易性原理计算散射体相似性成像的时间条件,研究基于宽角反射地震资料重建壳幔反射结构的相似性成图方法. 其中,成像点的时间采用快速、高精度的程函方程求解技术. 利用该方法处理东南陆缘区宽角反射剖面实际资料,结果表明,较之壳幔反射结构的CDP成图技术,相似性成图方法具有提高反射同相轴横向连续性的能力.     

核幔边界的速度结构对PKPab波形的影响

用地球的自由振荡研究地球内部结构、速度间断面、密度分布等具有射线理论不可替代的优点。而地球的自由振荡可以用简正振型来表示,用简正振型叠加方法合成的PKP波理论地震图,其PKPab波震相和PKPdf波震相的走时与射线理论计算的理论走时基本一致,并且研究了在地幔底部至核幔边界上方300km处,压缩波的速度梯度的变化对PKPab波振幅的影响,从而证明当波以接近掠射角或者大于掠射角入射时,会有漏能现象的发生,或者可称之为隧道效应。发现用3个不同模型合成的地震图,在震中距相同的情况下,核幔边界上P波速度梯度大的,其PKPab波的振幅较小一些。这也进一步说明核幔边界上方P波速度梯度的变化对漏能现象有一定程度的影响。     

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.      

各向同性介质中射线理论与有限差分地震波场模拟方法比较研究

地震波场数值模拟不仅是研究复杂地区地震资料采集、处理和解释的有效辅助手段,而且是研究地球深部精细构造和地球深部探测的有效工具.射线理论和波动方程理论是地震波场数值模拟的理论基础.射线理论主要刻画地震波在介质中传播的走时场、地震射线等运动学属性;波动方程理论通过求解波动方程来描述地震波在介质中传播的弹性动力学响应(能量衰减、相位特征、偏振属性、以及全波形等).基于波动方程理论的波场数值模拟由于能够引入丰富的波场信息,使得人们对不同介质中地震波的传播过程有了较全面的了解.本文以二维层状均匀介质模型为例,通过射线追踪法和交错网格有限差分法模拟得到的波场快照图、单炮地震记录剖面、合成理论地震图的分析比较,不但对地震波在各向同性层状均匀介质中的传播规律和特点有了深刻的理解和认识,同时又可以相互验证两种不同方法的正确性和有效性.     

贴体网格各向异性对坐标变换法求解起伏地表下地震初至波走时的影响

笛卡尔坐标系中的经典程函方程在静校正、叠前偏移、走时反演、地震定位、层析成像等很多地球物理工作中都有应用,然而用其计算起伏地表的地震波走时却比较困难.本文通过把曲线坐标系中的矩形网格映射到笛卡尔坐标系的贴体网格,推导出曲线坐标中的程函方程,而后,用Lax-Friedrichs快速扫描算法求解曲线坐标系的程函方程.研究表明本文方法能有效处理地表起伏的情况,得到准确稳定的计算结果.由于地表起伏,导致与之拟合的贴体网格在空间上的展布呈各向异性,且这种各向异性的强弱对坐标变换法求解地震初至波的走时具有重要影响.本文研究表明,随着贴体网格的各向异性增强,用坐标变换法求解地表起伏区域的走时计算误差增大,且计算效率降低,这在实际应用具有指导意义.     

基于非均匀化多尺度方法的自组织介质波前愈合效应波场模拟

随机介质表征的地球介质自组织性,体现了地球内部复杂介质的统计性特征,对理解地球内部构造和动力学演化有重要的意义.波前愈合效应是自组织介质散射效应的体现,会导致高频近似射线理论的计算走时和真实波场到时有一定的差异.为了研究射线理论在自组织介质中的适应性范围,本文选取高斯型和指数型自相关函数来描述自组织介质,采用非均匀化多尺度方法进行大尺度地球模型的波场模拟.利用互相关方法求取背景速度场与附加自组织介质速度场之间的波场走时差,并与由射线理论得到的走时差进行比较.结果表明,非均匀化多尺度方法在节省计算时间的同时,又可保持计算精度.介质相关长度越小、波长越长且传播距离越远时,波前愈合效应越强.当相关长度a、波长λ以及传播距离L之间满足a/(λL)1/2≤0.5时,波前愈合效应显著,且随着比值减小两者差异增大,波前愈合效应在增加,在该范围内射线理论计算走时的误差较大.     

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.     

基于分区多步快速行进法下3D起伏层状介质中多震相射线追踪

快速行进法(FMM)是一种求解程函方程数值解计算网格节点走时,然后向后处理进行射线追踪的方法.为了求取任意起伏界面下高精度多震相的地震走时与相应的射线路径,本文采用任意起伏地表条件下的的三维不等距上行差分公式结合分区多步计算技术实现了三维复杂层状起伏介质中多震相(透射、反射、转换波)地震走时的计算,利用上行有限差分公式逐次进行射线路径的追踪,并且通过与较为成熟的不规则最短路径法(ISPM)对比,验证了本算法的计算精度和有效性.数值模拟实例和对比结果表明该算法具有较高的计算精度,数值计算稳健,能灵活处理含任意三维起伏界面模型中多震相地震走时及相应射线路径的追踪问题.     

带正则化校正的TTI介质qP波方程及其逆时偏移方法和应用

各向异性研究对地下介质精确成像有着重要的意义,在当前计算机硬件迅速发展及宽方位地震数据采集日益普遍的情况下,成像必须考虑介质的各向异性.逆时偏移是基于双程波动方程的较为精确的数值解的成像方法,所以相对于其他地震成像方法,它具有很大的优势,譬如不受反射界面的倾角限制、偏移速度结构合适时能够使回转波及多次波正确成像.在各向同性介质中,可使用标量波方程来模拟波场.而在各向异性介质中,P波和SV波是相互耦合的,即不存在单纯的标量波传播,通常利用能代表耦合波场中P波分量运动学特征的拟声波(qP波)进行偏移成像.本文中,我们推导出了TTI介质下qP波控制方程.该方程可采用显式有限差分格式进行求解.通过声学近似,若沿对称轴方向的剪切波速度为零,对于对称轴方向不变且ε≥δ的模型来说,可得到稳定的数值解.但对于TTI介质来说,由于沿对称轴方向各向异性参数是变化的,声学近似会引起波场传播及数值计算的不稳定.因此,我们提出了正则化有限横波的方法,很好地解决了这一问题.最后,给出了Foothill模型的测试结果及某探区实际资料试算结果,展示了采用这个方程进行复杂TTI模型正演和高质量逆时偏移成像结果,证实了该方法的正确性和实际资料应用中的有效性.     

川西龙门山及邻区地壳上地幔各向异性地震P波走时层析成像研究

经典的地震层析成像假定介质为各向同性,通过走时反演确定地球介质的非均匀结构,得到的仅是近似地球模型。如果各向异性较强时,应用基于各向同性假设的层析成像算法,可能导致错误的结果。非均匀与各向异性效应是耦合的,如果仅考虑非均匀效应则各向异性结构可能映射到非均匀结构中造成非均匀速度结构的误差,反之亦然。因此,高分辨率的走时层析成像必须同时考虑非均匀和各向异性两种效应。同时反演非均匀和各向异性结构(即各向异性层析成像),不仅可以获得可靠的各向同性速度结构,同时可以确定各向异性结构。相对于S波偏振分析,体波走时方法基于不同的数据集,能提供独立的地震各向异性观测证据。利用地震走时层析成像方法同时研究介质的非均匀性和各向异性,对于认识地球的结构及动力学过程都具有非常重要的意义。     

基于声波测井资料的波动方程走时层析反演速度建模

地震勘探目标逐渐由浅层(<2000 m)转向中深层(2000～3500 m),高精度速度建模是实现精确地震成像的关键手段之一.目前,初至波或早至波速度层析建模方法已较为成熟,然而对深层速度建模更为重要的反射波层析建模方法依然面临走时拾取困难及计算量大等难题.针对当前中深层走时层析速度建模方法面临的难题,本文提出了一种基于声波测井资料的波动方程全波走时层析速度建模方法及策略.该方法首先通过早至波层析反演获得浅层及大尺度速度信息;其次,通过提取初次成像剖面的构造倾角信息,利用声波测井资料进行稀疏反演,进一步获得更高精度的速度模型;最后,以此为初始模型,进行全波层析反演获得最终偏移速度模型.数值结果表明,本文所提出的速度建模方法及策略不仅可以避免传统反射波层析建模方法因采用Born近似反偏移所带来的大计算量问题,且大幅提高了中深层速度建模的精度,进而能有效地提高中深层复杂构造区域的地震成像质量.