三维逆时偏移GPU/CPU机群实现方案研究

叠前逆时偏移是当前最为准确的地震成像方法,由于计算量大、存储量大等原因需要合适的实现策略和高效的计算平台.本文以高阶有限差分逆时偏移为基础,重点讨论了在GPU上实现需要解决的显存不足问题和人工边界问题.利用区域分解技术可以在当前GPU上高效地实现任意生产规模的三维逆时偏移成像,不会受到GPU显存规模的制约.常规最佳匹配层边界条件边界区域控制方程与内部区域差异较大,不适于GPU高速运算.本文在GPU上实现近似最佳匹配层(NPML)边界条件,使得高阶有限差分计算不需要分支判断,边界区域辅助波场的存储量也较低,保证了在GPU上进行波场传播的高效性.三维理论数据和实际资料成像结果表明了本文方法的正确性.     

位场向下延拓的波数域广义逆算法

位场向下延拓是位场数据处理和反演中的重要运算，但是它的不稳定性影响了它在许多处理和反演方法技术中的应用.本文通过把位场向下延拓视为向上延拓的反问题，得到向下延拓的褶积型线性积分方程，再利用Fourier变换矩阵的正交对称特性，并结合矩阵的奇异值分解和广义逆原理，提出了一种稳定的不需要进行求逆运算的位场向下延拓广义逆方法——波数域广义逆算法，解决了位场大深度向下延拓的不稳定性问题.把这种方法用于三维理论模型数据和实际磁场数据的向下延拓获得了理想的结果.     

基于稀疏约束的地震数据高效采集方法理论研究

随着地震勘探目标复杂化和精细化程度的提高以及"两宽一高"等采集技术的广泛应用,当前地震数据采集的时间越来越长、成本越来越高.针对此问题,本文基于压缩感知理论开展了地震数据高效采集方法的改进和探索研究.根据波动方程解的一般表示式,从波场传播的角度给出了地震数据具有稀疏性的数学物理依据及寻找适应地震数据稀疏变换的一般方案;在稀疏性先验信息的指导下,发展了具有"蓝色噪声"频谱特征的改进的分段采样方法,并基于最优化理论提出了地震数据重建方法.地震数据的稀疏性理论、稀疏约束下的高效采集方法以及地震数据的重建方法构成了相对完善的地震数据高效采集理论.把该理论用于指导地震数据采集,即利用稀疏约束的随机采样方法改变常规规则密集测网中炮点和检波点(或二者之一)的分布,设计了三种随机且均匀的高效采集测网,提出了利用相应测网获取的地震数据重建为常规规则密集测网地震数据的针对性方案,并使用重建精度、高效采集数据的直接成像和重建后再成像的结果对比证明了上述重建方案的有效性.基于Marmousi模型的高效采集试验检验了本文构建的基于稀疏约束的地震数据高效采集方法理论框架在提高当前地震数据采集效率、降低勘探成本上的优势以及方法的有效性和可行性.     

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.     

位场数据曲化平的迭代法

位场数据曲化平是位场数据处理解释中的重要运算,但是它的计算量和计算的复杂性影响了它在许多处理和解释方法技术中的应用.本文提出一种位场数据曲化平的迭代方法,即通过把位场数据曲化平视为平面位场数据向上延拓的反问题,得到曲化平的线性积分方程,再把曲面上位场数据视为曲面平均高程面上的位场数据,利用向下延拓的波数域广义逆算法把平均高程面上的位场数据向下延拓到设定平面上,再根据曲面和其平均高程面的相对起伏对设定平面上的向下延拓数据进行起伏校正,最后再把所得平面上的位场数据向上延拓得到曲面上的位场数据,并进行迭代.把这种方法用于三维理论模型数据和实际磁场数据的曲化平处理均获得了理想的结果.     

基于稀疏约束和多源激发的地震数据高效采集方法

地震勘探目标日趋复杂化和精细化,"两宽一高"等采集技术获得了广泛应用,从而导致当前地震数据采集周期越来越长、成本越来越高,如何解决日益增长的勘探成本问题成为当前地震采集领域的研究热点之一.针对上述问题,本文首先开展了基于稀疏性的地震数据高效采集方法理论研究,对地震数据稀疏性基本理论、稀疏约束下随机采样及其数据重建方法进行了深入探讨,提出使用改进的分段随机采样方法灵活地进行实际地震采集测网设计;详细阐述了多源地震激发方法,对多源地震数据分离方法开展了深入研究,提出了基于小窗口中值滤波与稀疏约束联合随机去噪的多源数据分离方法,并在数据分离处理中取得了较好的效果;将上述两种地震数据采集方案有机结合,提出了1)规则多源、随机检波点(DmsRg)、2)随机多源、规则检波点(RmsDg)和3)随机多源、随机检波点(RmsRg)等三种高效采集方案及相应的数据重建方案,满足了后续常规化数据处理的要求,并讨论了多源激发对数据成像的影响.基于Marmousi模型数据的数值试验表明,本文构建的基于稀疏约束和多源激发的高效采集方法理论对于提高地震数据采集效率、降低勘探成本具有重要的应用价值,建立的数据重建方法流程可以取得和常规数据接近的成像结果.本文方法虽然在数值试验中取得了较为理想的效果,但还需要得到野外实际数据采集的进一步检验.     

广义地震数据合成及其偏移成像

根据地震波场的线性叠加原理，提出了对地震共炮道集及其震源进行线性叠加的一般方案——广义地震数据合成的方法.利用这个方法，可以根据不同的地质情况和要求得到各种不同的人工合成地震数据道集和震源，如平面波数据道集和震源、局部平面波（束）数据道集和震源以及面向目标的人工合成地震数据道集和震源.对于人工合成地震数据道集的偏移成像可应用单平方根方程实现.不同的合成地震数据道集具有不同偏移成像特性：平面波数据道集具有很高的计算效率，局部平面波数据道集具有很好的方向性，面向目标的合成地震数据道集具有很好的面向目标特性.     

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.     

稳定的频率域变深度视密度反演方法

视密度反演的频率域方法具有速度快的特点,但由于其关键运算向下延拓算子的不稳定,造成该方法精度不能达到实际应用的要求.本文利用徐世浙开发的迭代向下延拓方法代替该算子,使其精度和稳定性都得到很大的提高.同时,本文还引入一个起伏因子,使频率域视密度反演方法的适用性得到很大的提高.并在新疆某地区的实际应用中取得了较好的效果.     

利用偏移进行视反射率估计的初步研究

视反射率估计是地震数据处理解释中的一项重要内容,通常采用反演的方法得到.本文以地震偏移和地震线性反演理论相结合为基础,并利用保幅单程波传播算子和保幅波动方程叠前偏移算法以及成像空间中的角度域波动方程偏移成像和照明补偿等方法技术,提出了一种利用单程波波动方程偏移进行地下反射面视反射率估计方法,并进行了理论模型的数值试验.这种估计方法得到的视反射率估计是一种近法向入射的小角度反射率.