路基下伏地质缺陷弹性波数值模拟

针对我国西部黄土地区特殊的地形地貌、近地表条件和地下浅层目标体,开展了路基下伏地质缺陷地震探测技术的应用研究。为检验不同地震方法的探测能力,设计了一个综合地质地球物理模型,包含凹陷、断层、地裂缝、地下低速体、软弱夹层及滑坡等典型地质缺陷,利用有限差分波场模拟,计算出多分量反射地震记录和面波地震记录,分别进行了反射波成像和高阶面波反演横波速度成像。数值模拟结果表明,反射波成像和高阶面波反演横波速度成像技术对真实模型中的凹陷、断层、浅层低速体、软弱夹层及滑坡等主要地质缺陷均能清晰成像,验证了地震方法探测路基下伏地质缺陷的可行性。数值计算结果表明,不同的地球物理探测方法对地质缺陷的探测效果和适用范围不同。     

各向异性碳酸盐岩储层精细横波速度估算方法

横波速度测井曲线是叠前地震反演必不可少的资料,在储层预测中起着非常重要的作用,但在研究中比较缺乏.考虑到地下储层的复杂多样性,为了准确求取地下储层的横波速度曲线,通过对碳酸盐岩储层物性的分析及其裂缝对储层的各向异性分析,根据其特征,首次建立了各向异性碳酸盐岩储层的岩石物理理论模型,并依据此模型对各向异性碳酸盐岩储层的横波速度进行了估算.在此基础上,引入反演的思想,利用测井约束反演及叠前地震道集的弹性波形反演等方法,对基于岩石物理理论模型的初步估算横波速度进行了修正,确保了估算结果的准确性,得到了与地下储层更加吻合的精细横波速度;通过实际资料试算,对估算横波与实测横波进行了对比分析.结果表明,该估算方法可成功模拟各向异性碳酸盐岩储层的横波速度,并在实际工区得到很好的应用.     

二维瑞雷波多参数全波形反演方法探测浅地表空洞应用研究

浅地表低速异常体(如空洞)的精确探测一直是地球物理领域具有重要价值与挑战性的研究课题,对城市灾害评估与复杂条件下煤田地震勘探的浅地表精细建模具有重要意义。面波全波形反演适合浅地表高精度建模,然而在实际应用中仍存在诸多亟待解决的难题。针对面波全波形反演方法中多参数串扰、实际数据预处理、震源子波估计等关键问题,开发了一套完整的瑞雷波多参数全波形反演方法流程,以实现对浅地表空洞的精确探测。该方法中模型的横波速度、纵波速度和密度随反演进程均被同步更新,减弱后两个参数偏离真实值对横波速度反演精度的消极影响。采用伴随状态法构建的拟海森算子对梯度进行预处理以压制地表伪影、增强波场照明,提高对小尺度异常的表征能力。通过褶积因子消除波场正演与实际数据采集的维数差,实现3D波场到2D波场的转换。采用校正滤波方法估计震源子波,并在迭代进程中进行动态估计,以减弱特定参数模型不准确的影响。同时,该方法采用多尺度反演策略,减轻由低速异常引起的目标函数非凸性,提高反演稳定性。合成数据和实际案例测试结果表明,瑞雷波多参数全波形反演方法得到的横波、纵波速度模型、密度模型具有基本一致性,其中横波速度模型准确度最高。实测数...     

基于贝叶斯理论面波频散曲线随机反演

面波频散曲线反演是获得地下横波速度结构的重要地球物理方法。常规基于迭代最小二乘等线性反演方法依赖于初始模型,且存在多极值、容易陷入局部最小、反演精度低等问题。基于贝叶斯理论的随机反演方法是一种可以融合先验信息的非线性反演方法,该方法无需人为给定初始模型,仅利用先验信息对模型进行随机采样,根据概率分布筛选接受合适的后验概率密度估计结果,可达到对细节信息的准确估计。本文针对瑞利面波频散曲线,提出了基于GPR数据先验资料约束的贝叶斯马尔科夫蒙特卡洛(MCMC)随机反演方法,通过随机改变模型参数并计算其频散曲线与实际频散曲线的似然函数来选择是否接受新的模型参数,不断重复此过程,最终得到与实际频散曲线拟合效果最佳的最优解以及横波速度解的后验概率密度分布。通过理论模型以及实际数据反演测试,验证了该方法与常规无约束的随机反演相比,可以有效地提高反演速度和反演精度。     

利用常规测井资料基于岩石物理和多矿物分析反演横波速度

测井横波速度是测井地震联合反演的重要标定参数.为克服大量老井缺少横波速度资料和现有横波速度估算方法的不足, 基于孔隙介质岩石物理理论, 通过常规测井资料求取多矿物组分, 利用VRH模型求得地层的等效弹性模量; 最后利用纵波速度作为约束条件, 根据Biot-Gassmann方程得到地层横波速度.计算结果与实测结果对比表明, 平均相对误差限在5%左右, 与Xu-White模型相比, 该方法物理意义更为明确, 使用更简便, 计算精度提高一倍左右.      

密集线性台阵地震背景噪声速度成像及其在湖南沃溪金钨锑矿勘探中的应用

多道面波分析技术在近地表勘探领域有着广泛应用,准确的提取频散曲线成为面波勘探成像的关键。文章介绍了一种新的地震背景噪声互相关面波频散成像方法——拓距相移法。该方法在传统相移法的基础上,利用阵内相移对小孔径范围的面波中高频信号进行提取,并利用阵外相移对大孔径范围的面波中低频信号进行提取,然后将两部分频散曲线融合从而得到更宽频带的面波频散曲线用于地下速度结构的反演。该方法在保证对近地表结构进行较高分辨率成像的同时,大大增加对深部结构的有效约束。2019年9月到10月期间,作者在湖南沃溪布设了8条密集测线,进行了1个月的地震背景噪声数据采集,并利用上述拓距相移法提取了0.1~2 s的瑞利面波宽频带相速度频散曲线。通过初步反演其中3条测线的背景噪声数据,获得了该矿区深度2.5 km以浅的地震横波速度结构。经与已知地质资料比对,160测线的地震横波速度反演结果与断层、岩性分界面及矿脉有着较好的对应关系,表明获得的沃溪矿区地震横波速度结构较好地反映了控矿构造、岩性分界以及矿体的分布位置等信息,为该区中—深部找矿提供了重要依据。该研究利用实际数据检验了拓距相移法的有效性,为今后深部找矿提供了一个有效的高精度成像方法。     

岩石圈和上地幔的热—化学结构概率反演——以LitMod1D为例

本文介绍了一种一维联合多种地球物理数据的概率反演方法 Lit Mod1D的基本原理及应用。该联合反演方法结合了地球物理学与岩石学的正演模拟,将岩石学、矿物物理学、地球化学、以及地球物理学等观测数据限定在一个自适应的热—动力学框架下,通过解热传导、热力学、重力势、流变学和地壳均衡等方程,获得岩石圈及上地幔深部(地表到410 km不连续面)的热、组分及地震波速度等结构。Lit Mod1D基于贝叶斯框架进行反演,使用马尔可夫链蒙特卡洛(Markov Chain Monte Carlo,MCMC)随机搜索方法,最终得到的岩石圈及上地幔深部的热—化学结构不仅能够很好的拟合各种地球物理数据,同时,由于不同的地球物理观测数据对于不同深度的组分或/和热结构异常有着不同的敏感度,因此相比于单独反演降低了反演的不确定性。我们选取了华北克拉通的阳原和狼山测点作为介绍该方法的应用实例,其中克拉通东部的阳原测点之下显示了一个热的、薄的岩石圈地幔,而西部的狼山测点则显示了一个冷的、相对较厚的岩石圈地幔,对应了华北克拉通岩石圈地幔减薄的空间变化。反演的Mg#值与相应地区的捕虏体有很好的一致性,两处均不存在亏损岩石圈地幔,说明其岩石圈地幔已被新生饱满地幔置换了。     

地球各向异性介质中地震波动理论、检测与应用研究

地下岩石的各向异性主要表现在地震波速度随传播方向发生变化,不同类型体波间相互耦合,横波发生分裂,波速度频散依赖于传播方向等。薄互层与裂隙定向分布等产生视各向异性,它在石油地震勘探、地震预测和岩石圈物理与动力学研究中有极大潜力和应用前景,并受到广泛重视。为此,文中讨论了地震各向异性研究在解决地球科学问题中的重要性与必要性;系统地介绍了中国在地震各向异性研究领域的各个方面,如波动传播、波场激发、数值模拟、偏移与反演成像,以及应用于油气资源探测、深部地球物理研究和地质灾害监测等方面所取得的新进展。结合笔者参加的第八届地震各向异性国际学术讨论会,及ＳＥＧ,ＩＡＳＰＥＩ,ＩＵＧＧ等有关学术会议情况,综述了国际上在该领域内的主要成果与发展动向,分析了国际上各国地震各向异性研究现状及存在问题,并对我国在该领域研究的进一步开展提供了主攻问题与相应建议。     

综合成岩作用和孔隙形状的岩石物理模型及其应用

横波速度对于地震模拟、AVO分析以及流体识别具有重要意义,实际测井数据中横波速度信息缺乏,因此横波速度预测已经成为岩石物理研究的一个焦点。综合Xu-White模型以及Pride模型,提出了一种新的用于计算干岩石模量的岩石物理模型。该模型综合考虑了孔隙形状和成岩作用对干岩石体积模量、剪切模量的影响,因此该模型更加合理并具有更高的精度。同时联合Gassmann理论,建立了饱和流体岩石的纵波、横波速度计算模型。将该模型成功地应用于实验室测量数据和实际测井数据的横波速度预测中,预测结果表明,基于本文提出的岩石物理模型的横波速度预测方法是行之有效的。     

含煤地层转换波叠后横波波阻抗反演

叠后地震反演方法适用于纵波和横波地震资料的反演,但对转换波地震资料却不适用。为了实现利用转换波剖面得到横波波阻抗信息,通过建立转换波反射系数和横波反射系数之间的关系,直接从转换波地震数据中获取横波反射系数,把转换波叠后波阻抗反演问题转化为横波波阻抗反演问题。基于测井约束反演原理,利用横波反射系数和转换波解释层位建立初始横波波阻抗模型,优选反演处理参数,实现转换波叠后横波波阻抗反演。含煤地层转换波横波波阻抗反演结果,为进一步研究岩性参数比属性奠定了基础。和横波勘探相比,转换波勘探施工方便,工作成本相对低廉,因此利用转换波叠后地震反演获得横波波阻抗,是一种经济的办法。但由于在计算横波反射系数时采用了近似公式,所以反演结果精度会受到一定影响。     

VSP高斯射线束法叠加成像

叠加是地震数据处理的核心环节,可以有效地压制噪声提高信噪比。在VSP地震勘探中,常规的叠加方法在复杂构造中成像精度受到极大的限制。文中采用高斯射线束方法对复杂构造进行正演模拟,将得到的波场特征与实际资料波场特征进行对比,调整参数获得合适的速度场;在叠加过程中采用逆高斯的思想,对实际地震资料共炮集数据进行反射波场归位,得到共反射点道集数据,选择合适的面元尺寸进行叠加获得复杂构造的叠加波场特征。通过大量模型测试,VSP高斯束叠加方法可以有效地反演地下结构特征。应用该方法对M地区进行成像研究,结果表明该方法能够准确反演地下结构特征,为数据处理与解释提供依据。     

大地电磁与地震反射波走时数据二维联合反演

由于地球物理反演存在固有的多解性问题,如何减小多解性,提高地球物理方法反演结果的可靠性和准确性是当今地球物理领域研究的热点。为了减小大地电磁与地震反射波走时资料反演的多解性,在Gallardo和Meju研究的交叉梯度理论的基础上,实现大地电磁与地震反射波走时数据的二维联合反演算法;设计理论地电模型和速度模型进行合成数据的单独反演和联合反演试算,并验证大地电磁和地震反射波走时数据二维联合反演算法的正确性和有效性。反演结果表明,利用交叉梯度方法耦合大地电磁电阻率参数和地震波速度参数能使联合反演过程中的这两个模型在更新的时候相互约束,联合反演结果比单一反演结果更接近真实模型,从而使反演结果更可靠,减少了反演解的多解性。     

金川矿区及周边地球物理特征和背景噪声成像的应用

为探明甘肃金川矿区地下深部矿产,利用矿区及周边共65个固定台站的连续地震背景噪声数据的Z分量,基于射线追踪的面波频散直接反演方法获得了金川矿区及周边地下0.9～5.4 km的三维S波速度结构。结合金川矿区及周边地球物理特征(重力及航磁异常)等,对反演成果图分析表明:金川矿区在地下浅部1.8 km以浅,表现为高速特征;而在地下深部2.7～5.4 km处表现为低速特征;在4.5～5.4 km深度处,F1断裂两侧存在明显速度分异,潮水盆地表现低速异常,龙首山隆起带为高速异常,速度异常的产生与F1断裂密切相关。深部低速体的形成与幔源岩浆上涌密切相关。     

基于遗传算法的地震面波和大地电磁数据一维联合反演算法研究

利用快速标量传递算法进行了一维层状模型的地震面波频散曲线正演计算,得到了基阶频散曲线;利用传统方法对一维层状模型进行了大地电磁正演计算,得到大地电磁的视电阻率曲线数据和相位数据。利用遗传算法对合成数据分别进行了单独反演和联合反演,得到拟合差分布图来分析两种数据的兼容性并研究联合反演的可行性。通过对比单独反演和联合反演的结果,可以看出地震面波频散曲线和大地电磁数据的联合反演结果较之单方法的反演结果要更加精确,收敛速度更快,两种数据的耦合情况较好,同时联合反演能够有效地限制多解性。     

纵横波弹性阻抗联合反演方法

在弹性阻抗反演方法的基础上,充分利用纵波和转换波地震信息,开展了纵横波弹性阻抗联合反演方法研究。首先对转换波反射系数近似精度进行对比分析,选取了转换波弹性阻抗近似公式,并对选取的转换波弹性阻抗公式进行标准化处理;其次详细研究了该反演算法的基本原理,并提出了具体实现流程;最后分别利用二维模型和实际工区的井数据制作叠前角度道集,添加随机噪声,对该反演方法进行模型试算。结果表明,纵横波弹性阻抗联合反演所得纵波速度、横波速度及密度估测值与真实值之间吻合较好;而且与单纯纵波弹性阻抗反演结果相比,纵横波弹性阻抗联合反演所得密度估测值更加稳定,从而为准确储层识别和流体检测提供了可靠的依据。     

1-Norm/2-Norm约束及小波多尺度2D体波走时成像

在对浅地表复杂地下介质层析成像时,由于观测系统局限性及方法本身对特定岩石地球物理属性的不敏感性等因素,造成地球物理反演存在多解性。在地震走时成像中,地震射线数量在低速区域分布较少形成阴影区,造成其对低速区域成像分辨率较低。同时因为观测数据包含干扰信息以及不同反演方法的局限性等因素造成反演结果包含次生假异常。这里主要研究了空间域的L1-norm、L2-norm约束反演及小波域小波系数稀疏约束反演,对比不同反演方式及约束条件对地质模型的分辨能力。通过测试孤立异常模型、层状地层模型、倾斜地层模型,得出三种不同反演方式分别具有对不同特定模型的分辨特性。在实际资料成像中,可以通过使用多种反演方式,对比反演结果合理性以期达到更准确的地质构造解释。     

一种基于地质模型的电性与速度界面不一致的联合反演方法

当电性与速度界面不一致进行联合反演时,存在参与联合反演的数据不同源的问题,如果做界面一致的假设,会降低反演的可靠性,建立电性与速度统一的反演模型是解决问题的关键.文章分析了地球物理勘探各类目标之间的相互关系,建立以地质模型作为速度和电性联合反演的统一模型,根据地质模型与物性模型、以及地球物理场分布特征的关系,模拟实际地质、地球物理状况,采用基于模式识别的联合反演算法,以直流电测深与地震数据为例进行了模拟实验,实验结果表明:以地质模型作为速度与电性不一致的联合反演统一模型是可行的.     

中国西部大型盆地的深部结构及对盆地形成和演化的意义

地震层析成像是研究地球深部结构和动力过程的重要手段。文章简单介绍了岩石圈地震层析成像的几种基本方法。相对于人工震源地震勘探,基于天然震源的地震层析成像是提供盆地基底和周边深部背景的有效和极其经济的手段。笔者最近得到了中国大陆岩石圈高分辨率表面波层析成像的三维S波速度模型,该模型结合了地震和噪声互相关的数据,大大提高了射线覆盖,结果显示了中国西部与青藏高原接壤的三大盆地(塔里木、柴达木和四川盆地)共同特征:(1)盆地上地壳速度很低,反映了盆地沉积层很厚;(2)相对于周边山系,盆地中、下地壳的S波速度较快,上地幔顶部尤其明显;(3)盆地的地壳厚度比相邻的山脉区薄,同时莫霍深度在盆山结合带变化大。盆地内地壳和岩石圈地幔存在明显的横向结构,尤其是塔里木盆地和四川盆地。塔里木盆基底东西向中央古缝合带在地壳和岩石圈地幔的速度、莫霍面深度图中有清楚显示。笔者推测区域构造挤压的影响很可能涉及盆地的整个岩石圈,进而提出了一个简单的盆地形成的机械模型,即挤压隆升沉降模型,认为在挤压环境下,较弱的周边山系的岩石圈增厚和隆升,高强度的盆地块体在重力均衡下整体沉降,形成陆内叠合盆地。挤压应力可能导致巨大的塔里木和四川盆地产生岩石圈范围的褶皱变形。在西部盆地漫长的地质历史中,新生代的印藏碰撞和新元古代以来的多次构造运动产生的岩石圈挤压对西部盆地的形成和演化可能起了决定性的作用。     

华北地区岩石圈三维密度分布

利用华北地区的2°×2°网格S波速度三维层析成像结果和15°×15°的网格平均布格重力异常,采用约束最小二乘方法反演,得到了华北地区岩石圈内6个层面上的密度分布结果.反演结果表明:华北地区岩石圈密度极不均匀,反映了区内强烈的构造活动特征;层内密度分布与大地构造有明显的相关性,不同的构造单元存在着密度差异,断裂带表现为密度异常梯级带;壳内存在着低密度层,华北地区地震的震源深度主要发生在这一深度上,可能与之相关     

球坐标系密度界面反演方法及在华南大陆的应用

密度界面反演方法在油气勘探、推断区域构造、获取地壳结晶基底面、莫霍面起伏形态等方面具有重要意义。现有的密度界面反演方法大多基于笛卡尔坐标系统,当涉及到大区域乃至全球尺度的密度界面反演时,地球曲率的影响将不可忽视,需考虑基于球坐标系Tesseroid模型的密度界面反演方法。然而,受计算精度和效率制约,已有的基于Tesseroid模型的密度界面反演方法并不能很好地适用于地表重力观测数据的反演计算。笔者基于前人研究,给出了一种适用于地表观测数据的球坐标系密度界面反演方法。该方法首先将常规的球坐标系高斯—勒让德重力积分公式进行简化,提高了重力正演计算效率。随后,引入并改进了前人的自适应剖分方案,提高了重力正演计算精度。在此基础上,采用Cordell迭代优化算法,得到了适用于地表观测数据的球坐标系密度界面反演方法。通过模型数据试验,对本文球坐标系密度界面反演方法进行了验证。结果表明,笔者对高斯—勒让德积分公式加以改进和引入改进的自适应剖分方案后,很好地克服了计算精度和效率对地表观测重力计算的掣肘,并且,基于球坐标系的密度界面反演结果优于基于笛卡尔坐标系的密度界面反演结果。在华南大陆实际数据试验中,利用文中方法得到的华南大陆的莫霍面深度与前人得到的莫霍面深度具有较高的吻合度,莫霍面自西向东逐渐抬升,西部抬升剧烈,东部抬升平缓,沿武陵山—贵桂交界一带呈现明显的NNE向莫霍面梯级带,验证了文中方法的科学有效性。