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.     

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.      

基于网格走时计算的弯曲界面下菲涅尔体研究

为了研究弯曲界面曲率变化对分辨率的影响,首先推导了垂直入射下来自弯曲界面的反射波和透射波界面菲涅尔带近似的解析公式,证明了公式中曲率为零恰好对应已经被推导的平界面菲涅尔带的解析公式,然后给出了利用网格走时计算方法计算弯曲界面下反射波和透射波菲涅尔体的数值实现策略,这一实现策略同时保证了网格走时计算的精度和菲涅尔体计算的精度,最后对比了不同弯曲界面（不同曲率）下的菲涅尔体相对于平界面（曲率为零）下菲涅尔体的变化.研究结果表明,界面下高速时,向斜弯曲造成菲涅尔体在界面附近变宽,使得分辨率降低;背斜弯曲造成菲涅尔体在界面附近变窄,使得分辨率提高.并且向斜弯曲对分辨率的影响程度要明显大于背斜弯曲.而界面下低速时,结论正好相反.

     

二维菲涅耳带共反射面元叠加方法研究

大量研究证明CRS叠加能提高地震勘探的信噪比,但是能否提高分辨率的关键在于如何确定CRS叠加孔径.本文详细探讨了地震波反射过程中菲涅耳带的特征,认为起伏地形下菲涅耳带可以采用椭圆予以近似,在此基础上提出了一种通过菲涅耳带来确定CRS叠加孔径的方法,并应用于泌阳凹陷陡坡带的地震剖面.结果表明,由于菲涅耳带确定的叠加范围使地震信号的能量达到最佳,相对于CMP叠加,菲涅耳带CRS叠加同时提高了地震资料的信噪比和分辨率,特别显示了中深部较弱的地震信息,而常规的CRS叠加则只在于提高资料的信噪比和改善浅部的地震信息.     

地震层析成像反演中解的定量评价及其作用

对地震层析成像非线性问题线性化处理之后,各种反演算法归纳成为对不适定方程的求解。地震层析成像反演算法的解的物理意义是给出地质结构,因此对于解的可信度产生怀疑。本研究根据解估计的分辨率矩阵的原理,提出ＬＳＱＲ（Ｌｅａｓｔ Ｓｑｕａｒｅ ＱＲ）算法解协方差矩阵的评价算法,用相关分析可以为那些求解过程中得不到分辨率矩阵的反演方法提供解的定量评价。并用本文提出的解的定量评价方法试评了一个实际地壳模型的地震     

地震层析成像研究方法综述

国际上对地震层析成像的研究始于上世纪70年代末,经过30多年的发展,地震层析成像方法逐渐成熟,并越来越广泛地被运用到地球物理各个领域中.以地震层析成像方法的发展作为主线,主要介绍了地震层析成像方法和所用地震数据的发展.     

井间地震资料测井约束层析成像

利用井间地震资料进行层析成像,由于受观测角的限制,其成像过程具有很强的不稳定性。为了提高成像过程的稳定性,本文将测井资料引入到反演过程中,利用测井资料约束井间地震反演成像过程。采用假设模型进行数值模拟和反演实验,并与无约束反演方法进行对比实验,多种反演结果对比表明,测井约束反演方法改善了层析成像过程的稳定性,提高了成像结果的精度。     

地震层析成像—地幔对流新模型的研究

利用地震层析成像数据计算地幔对流模型的方法。假设地幔地震层析成像数据对应的地幔横向不均匀结构是地幔热对流的结果，将地震层析成像数据转化为地幔温度不均匀分布。该方法考虑热流体动力学的3个基本方程，以及热输运方程中的非线性项，直接将上述地震层析成像转化的地幔温度不均匀分布作为内部荷载直接引入基本方程，进而反演计算地幔对流的基本格局。理论结果表明，对流格局不仅依赖地震层析成像数据，而且在很大程度上受地幔动力学框架和热动力参数（如Rayleigh数）以及边界条件和系统响应函数的影响。     

地震层析成像反演中解的定量评价及其应用

对地震层析成像非线性问题线性化处理之后,各种反演算法归纳成为对不适定方 程的求解．地震层析成像反演算法的解的物理意义是给出地质结构,因此对于解的可靠性及 分辨率研究非常重要．然而许多反演算法不能给出解的评价方法,因而对解的可信度产生怀 疑．本研究根据解估计的分辨率矩阵的原理,提出ＬＳＱＲ（Ｌｅａｓｔ Ｓｑｕａｒｅ ＱＲ）算法解协方差矩 阵的评价算法,用相关分析可以为那些在求解过程中得不到分辨率矩阵的反演方法提供解的 定量评价．并用本文提出的解的定量评价方法试评了一个实际地壳模型的地震层析成像的 速度重建结果．     

地震层析成像反演中解的定量评价及其应用

对地震层析成像非线性问题线性化处理之后,各种反演算法归纳成为对不适定方 程的求解．地震层析成像反演算法的解的物理意义是给出地质结构,因此对于解的可靠性及 分辨率研究非常重要．然而许多反演算法不能给出解的评价方法,因而对解的可信度产生怀 疑．本研究根据解估计的分辨率矩阵的原理,提出ＬＳＱＲ（Ｌｅａｓｔ Ｓｑｕａｒｅ ＱＲ）算法解协方差矩 阵的评价算法,用相关分析可以为那些在求解过程中得不到分辨率矩阵的反演方法提供解的 定量评价．并用本文提出的解的定量评价方法试评了一个实际地壳模型的地震层析成像的 速度重建结果．     

Fresnel volumes corresponding to PKP waves in the IASP91 model

Fresnel volumes provide a suitable tool for estimating the resolution limits or accuracy of tomographic methods based only on the arrival times of these seismic waves, which penetrate the deep interior of the Earth. The standard definition of the Fresnel volume was modified to include effects of multipathing, i.e., multivalued travel times. Computations were performed in the IASP91 model for three representative epicentral distances and two prevailing signal periods. Preliminary results have been obtained. They place a rather strong restriction on the resolution limits of tomographic methods, depending on the prevailing period, due to the relatively large fatness of PKP Fresnel volumes.     

马尼拉俯冲带的地震层析成像研究

基于国际地震中心的P波走时数据和层析成像反演方法,获得了具有较高分辨率的马尼拉俯冲带的深部速度模型.结果表明,（1）高速的南海俯冲板片沿马尼拉俯冲带的俯冲形态随纬度发生变化,在14°N和16°N之间,板片俯冲角度较大,俯冲深度可达400~500 km,在17°N附近,俯冲板片角度和深度较南部变小,而在18°N附近,俯冲板片以近垂直角度俯冲到地幔转换带;（2）17°N和18°N之间俯冲角度的变化意味着南海板片发生了撕裂;（3）在14°N附近,南海板片由300 km以上的近垂直俯冲转为200~300 km深度的近水平展布,与震源分布存在较大的差异,表明南海板片发生了撕裂,并且导致410 km间断面抬升.根据成像结果计算的不同位置南海板片的俯冲长度和时间表明,南海板片俯冲之前的面积为现今面积的两倍,14°N最先开始发生俯冲,并由南向北扩展.     

Applications of hybrid genetic algorithms in seismic tomography

Almost all earth sciences inverse problems are nonlinear and involve a large number of unknown parameters, making the application of analytical inversion methods quite restrictive. In practice, most analytical methods are local in nature and rely on a linearized form of the problem equations, adopting an iterative procedure which typically employs partial derivatives in order to optimize the starting (initial) model by minimizing a misfit (penalty) function. Unfortunately, especially for highly non-linear cases, the final model strongly depends on the initial model, hence it is prone to solution-entrapment in local minima of the misfit function, while the derivative calculation is often computationally inefficient and creates instabilities when numerical approximations are used. An alternative is to employ global techniques which do not rely on partial derivatives, are independent of the misfit form and are computationally robust. Such methods employ pseudo-randomly generated models (sampling an appropriately selected section of the model space) which are assessed in terms of their data-fit. A typical example is the class of methods known as genetic algorithms (GA), which achieves the aforementioned approximation through model representation and manipulations, and has attracted the attention of the earth sciences community during the last decade, with several applications already presented for several geophysical problems.In this paper, we examine the efficiency of the combination of the typical regularized least-squares and genetic methods for a typical seismic tomography problem. The proposed approach combines a local (LOM) and a global (GOM) optimization method, in an attempt to overcome the limitations of each individual approach, such as local minima and slow convergence, respectively. The potential of both optimization methods is tested and compared, both independently and jointly, using the several test models and synthetic refraction travel-time date sets that employ the same experimental geometry, wavelength and geometrical characteristics of the model anomalies. Moreover, real data from a crosswell tomographic project for the subsurface mapping of an ancient wall foundation are used for testing the efficiency of the proposed algorithm. The results show that the combined use of both methods can exploit the benefits of each approach, leading to improved final models and producing realistic velocity models, without significantly increasing the required computation time.     

海洋短排列高分辨率多道地震高精度成像关键技术

基于高频震源的海洋短排列、高分辨率多道地震探测方法,具有主频高、频带宽的特点,是海底浅层地质研究,特别是海洋天然气水合物调查等方面的重要手段.针对这种地震探测方法不能有效控制电缆沉放深度、虚反射干扰严重且规律性差以及速度分析精度低带来的成像效果差等问题,研究了基于虚反射走时识别与模拟计算的电缆沉放深度计算方法,获得了检波点的准确沉放深度,为虚反射的有效压制提供了保障;采用基于相似性原理的排列长度放大技术,有效地解决了排列长度较短引起的速度谱能量团不聚焦的问题,提高了速度分析灵敏度,确保了地震资料成像处理精度.实际资料的最终成像处理结果表明,地震波组的信噪比和分辨率高,速度结构合理,BSR特征清晰,为海洋天然气水合物的识别和研究提供了高品质资料.

     

Crustal seismic tomography in the Calabrian Arc region, south Italy

27,646 P- and 15,025 S-wave readings obtained from 2238 earthquakes and 84 artificial sources were used to perform tomographic inversion of P velocity and V_P/V_S ratio in the crust of Calabrian Arc by Thurber’s inversion algorithm. For this investigation a seismic database with more than twelve-thousand events was built, including all local earthquake data recorded between 1978 and 2001 at all stations of the national and local networks in south Italy. Spread Function computations and checkerboard and restore tests proved higher accuracy of velocity estimates in the upper 40 km beneath Calabrian Arc compared to previous investigations in the same area. The obtained three-dimensional velocity model furnished remarkable improvement of hypocenter locations of the global earthquake dataset (RMS reduction of 38% respect to 1D locations) and greater accuracy in the definition of microplates and tectonic units in the study region. Velocity domains evidenced by our tomography correspond to tectonic units locally identified with geological methods by previous investigators and allow us to better detail their shape and geometry at depth. In particular, at a depth of about 20 km beneath Calabria we detected the deep contact between the overthrusting Tyrrhenian crust and the subducting Ionian slab, improving the accuracy of the current subduction model of the Calabrian Arc region.     

稀疏井网地震分辨率以下复合砂体构型地震检测方法及应用

地震沉积学应用于油藏开发地质研究是其在新领域的发展,是以解释井间单成因砂体特征为目的,面向油藏开发的小尺度研究.以往的地震沉积学解释方法,注重于对沉积构型单元的沉积相进行刻画,少有直接对地震垂向分辨率（λ/4）以下的不连续性（构型边界）进行预测.因此,采用地震正演模拟方法讨论了沉积构型单元的地震可识别尺度,通过地质模式约束来降低解释多解性,利用神经网络方法进行了构型单元的地震构型相预测,并利用地震属性进行了次级构型单元的边界预测.研究表明：相比于传统相干体方法,利用地震沉积学方法预测地震垂向分辨率以下沉积单元内部构型的边界具有更高的准确度,结合地震构型相预测结果可实现薄层沉积单元的内部结构识别.

     

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.     

用多通道AD分级采集扩展地震数据采集器的动态范围

地震数据采集是地震信号数字化必不可少的环节,动态范围是其一个重要的性能指标.实际地震信号的动态范围在160 dB以上,而目前普遍使用的24位地震数据采集器动态范围相对较小且在50 Hz采样率时最大只达到135 dB,致使24位地震数据采集器在实际使用中对小信号分辨率不够,不能有效提取地震信息;在大地震时又容易使数据采集器出现饱和限幅失真的现象而失去地震监测记录功能.本文针对在地震监测和地震研究中需要具有高分辨率和高动态范围的地震数据采集器这个亟待解决的问题,提出一种采用多通道AD转换器并行分级采集的方法,讨论了通道间失配及其标定.对研制实验样机的测试表明,其动态范围在50 Hz采样时可以达到157 dB以上,线性度优于0.005%.