基于高斯束与高斯波包的Gabor框架散射波模拟方法

在给出真实模型和相应光滑背景模型的情况下,如何计算扰动模型(散射体)产生的散射波场是一个有实际意义的正演问题.在Gabor变换域描述散射体,且入射波场为短时宽带信号时,散射波场可以在频率域用高斯束或时间域用高斯波包描述.相对于波动方程方法,高斯束和高斯波包的计算效率更高;背景模型光滑时,高斯束和高斯波包方法的精度也接近波动方程方法.文中导出了声波假设下应用高斯束和高斯波包计算散射波的方法.测试分析了高斯波包的计算精度.给出了一般散射体的散射波模拟策略.同时针对一个理论模型完成了本文方法计算散射波的实验,实验结果表明高斯波包散射波计算方法是有效可行的.     

特征高斯波包叠前深度偏移方法

高斯波包（Gaussian packet）传播算子可在局部时空域高效地计算局部波包的传播.高斯波包叠前深度偏移的基础是在Gabor变换域描述观测数据,再利用高斯波包传播算子计算炮点波场和检波点波场,两者相关即可得到偏移结果.利用炮道集的局部τ-p特征在Gabor变换域表达观测数据,可以仅关注部分高斯波包框架函数上的数据投影,这样既实现了波场的压缩存储,同时可利用高斯波包传播算子反传框架函数以实现整个炮道集的快速反传.这些综合了观测数据局部τ-p特征的高斯波包函数称为特征高斯波包（characteristic Gaussian packet,CGP）,相应的波场反传称为特征高斯波包反传.理论及数值分析证明了上述特征高斯波包反传方法是有效且快速的.炮点正传波场也利用高斯波包传播算子模拟.利用互相关成像条件可实现特征高斯波包叠前深度偏移（characteristic Gaussian packet pre-stack depth migration,CGPM）.由于高斯波包传播算子描述了局部方向及局部空间的波场,所以CGPM可以自然地提取角度域成像道集（ADCIG）,并易于实现面向目标叠前深度偏移,从而作为偏移引擎为偏移速度分析（MVA）服务.数值实验证明了CGPM和面向目标CGPM的有效性和实用性.     

像域分解特征高斯波包地震数据模拟

分波型或时空局部特征波场的层析成像与叠前深度偏移成像组合是全波形反演成像方法(FWI)实用化的途径之一.其中如何高效稳健地获得具有时空局部特征的地震数据目前仍然是一个挑战.在前人提出的基于高斯束和高斯波包的Gabor框架散射波模拟的基础上, 本文提出了一种基于像域分解的特征高斯波包地震数据模拟方法.新方法利用具有空间局部特征的Gabor函数在成像剖面上实现数据的分解, 不仅可以利用成像剖面地质意义更加直观的特点来拾取特征反射界面, 还能有效地克服传统方法在数据域分解效率和精度不高等问题, 保证了分解后的反射数据具有更加明确的地质意义.此外, 不同于波动方程有限差分模拟, 基于时空局部特征的高斯波包模拟的一次反射波数据包含更多的数据属性, 比如反射波的到达时、空间位置和波场的传播方向, 这在层析反演中用于数据测量和偏移成像等处理时更具优势.数值实验测试表明了本文提出的分解方法的有效性.

     

Gabor框架下的各向异性介质扰动高斯波包模拟与成像方法

地球介质广泛存在波动各向异性, 为研究地球内部结构、组分提供了新的信息.现今, 考虑介质的各向异性在地震波传播、成像以及反演中的作用越来越重要.高斯波包/束类正反演方法因其具有高效、简便等特点, 近年来在地震背景速度建模和成像方面取得了较大进展.因此, 在拟声学近似下, 本文发展了基于Gabor框架的各向异性介质扰动高斯波包模拟与成像方法.与传统的网格化参数扰动方式不同, 本文用空间分布的局部化Gabor基函数特征表达地下介质的参数扰动, 建立了模型域Gabor函数与数据域高斯波包的映射关系.该方法继承了各向同性高斯波包的优势和特点, 例如(1) 基于Gabor框架的扰动高斯波包模拟具有计算效率高、内存占用量小的特点; (2) 可以处理多波至, 能应用于复杂构造(盐丘、气云边界)和中深层构造的成像; (3) 利用Gabor函数可以稀疏表达地下的构造, 适合目标导向的灵活成像; 而且, (4)相较于各向同性高斯波包成像方法, 考虑介质的各向异性后, 本文的模拟结果更加准确, 成像剖面同向轴能量更加聚焦.通过数值实验对本文方法进行测试, 实验结果证实了该方法的有效性、高效性和灵活性.

     

基于delta波包叠加的时间域深度偏移

delta波包可由高斯波束经傅里叶逆变换得到,是高斯波束在时空域的表达.它最早出现在合成理论地震图的研究中,本文将其应用于偏移领域.通过delta波包叠加表达时间域格林函数,可将高斯波束偏移由频率域转换到时间域,再结合Rayleigh积分和激励时间成像条件,本文给出了基于delta波包叠加的深度偏移算法.该偏移算法可在时间域直接计算,但因包含褶积运算,成像时将耗费大量的计算时间.针对这一问题,本文提出了将褶积简化为乘积的近似公式.近似后的偏移算法,不仅保留了高斯波束偏移的优点,而且计算效率得到显著提升.文中通过两个数值算例验证了上述结论.     

面炮叠前深度偏移与控制照明技术

基于波场延拓的叠前深度偏移是实现复杂构造地质体成像的最可靠方法,但存在着计算量大、对观测系统适应性差等缺点。面炮偏移是波动方程实现精确叠前成像的另一类方法,具有较高的计算效率,不存在偏移孔径问题,而且可以通过控制照明方法,解决平面波在目标区域的能量补偿问题。本文采用面炮成像技术进行叠前深度偏移成像,通过对面炮震源下行波场的质量控制以及射线参数的个数和范围的选取,以达到最佳的成像效果。采用不同深度点上的控制照明技术,较大地提高了目标地层的成像精度。数据实验表明面炮成像技术是一种快速有效的方法,其成像精度与单平方根算子的共炮点道集偏移和双平方根算子的共中心点道集偏移相当,但在计算速度上要快得多,而且易于并行计算。     

小波束叠前深度偏移和照明:基于Marmousi模型的测试

小波束源有很强的局部性和方向性,它可以很容易的实现局部照明和偏移,除此之外,它的偏移效果也要好于常规的偏移方法。本文介绍了基于框架理论的小波束叠前深度偏移的基本原理。我们解释了基于Gaussian函数的G-D框架。小波束分解提供了局部空间和方向上的信息。我们在小波域中,分别应用矩形窗和Gaussian窗合成了小波束源和小波束记录,并基于傅立叶有限差分算子,对marmousi模型进行了叠前深度偏移试算。通过对单个,以及多个小波束源偏移结果对比分析,验证了Gaussian小波束叠前深度偏移方法的有效性。     

Beamlet prestack depth migration and illumination： A test based on the Marmousi model

Beamlet sources have strong local and directional character and can easily accomplish local illumination and migration. Besides, they provide better migration results than conventional migration methods. We introduce the basic principles of beamlet prestack depth migration that includes a windowed Fourier transform and frame theory. We explain the Gabor-Daubechies （G-D） frame based on a Gaussian function. Beamlet decomposition provides information on the local space and direction of wavefield. We synthesize the beamlet source and beamlet records in the wavelet domain using both rectangle and Gaussian windows and then extrapolate the synthesized data with a Fourier finite-difference operator. We test the method using the standard Marmousi model. By comparing and analyzing the migration results of single directional beamlet and beamlets with different windows and directions, we demonstrate the validity of the prestack depth migration with Gaussian beamlets method.     

基于有效邻域波场近似的起伏地表保幅高斯束偏移

随着我国陆上地震勘探向复杂地表探区的转移,高精度、适应性强的地震成像方法在地震资料的处理、解释及后续属性分析、储层预测中具有重要意义.本文基于有效邻域波场近似理论发展了一种成像精度更高且适用于复杂起伏地表条件的叠前保幅高斯束偏移方法.在传统水平地表高斯束偏移的基础上,本文根据中心射线附近有效邻域内高斯束表征的近似波场,导出了起伏地表条件下具有相对振幅保持的高斯束偏移公式,并给出了一种精度更高的旁轴射线传播角度计算方法.同现有的高斯束偏移方法相比,本文方法不仅考虑了起伏地表对高斯束走时的线性影响,而且首次引入了由地表高程差异和近地表速度变化引起的二次时差校正项和振幅校正项,使得成像结果更加准确可靠.两个典型模型算例验证了本文方法的正确性和有效性.     

双平方根方程三维叠前深度偏移

从双平方根（DSR）形式的波动方程出发,基于沉降观测概念和地震波扰动理论,介绍了深度域的DSR全偏移算子及共成像道集的生成方法. 根据三维地震数据的方位角特征,通过对全偏移算子的稳相近似,依次导出了适应于零方位角道集、Cross line共偏移距道集以及共偏移距矢量道集的偏移算子. 理论分析与合成数据的数值试验表明,DSR全偏移算子、共方位角偏移算子对介质速度变化的适应性很强,而其余两种偏移算子仅适用于缓变速情况.     

基于单程波方程的角度域保幅偏移(英文)

传统叠前深度偏移只能够提供地下的构造信息,但工业界在需要构造信息的同时还要与地下界面反射系数成比例的振幅信息。最近几年,基于单程波方程的保幅叠前深度偏移算法有了一定的发展,但是,基于炮域、单程波的保幅型叠前深度偏移必须应用反褶积型的成像条件,这种成像条件在构造复杂、速度变化剧烈的地区会出现不稳定现象。基于角度域的保幅深度偏移克服了这一不稳定性缺点的同时,还域的保幅深度偏移,模型和实际资料的试算分析验证该思路方法的正确性和有效性。     

Method for correction of the prestack migration amplitude of converted waves

The paper presents a method for correction of amplitude of prestack migration using the reflectivity function. The solution of wave equations for heterogeneous media expressed in the form of Neumann series for converted waves was used to find the reflectivity function. The performance of the proposed method was verified using synthetic models of wavefields. The synthetic models of wavefields were also used to compare amplitude correction levels required by the presented method and the standard amplitude correction methods, i.e., the methods using the spherical divergence and extention factor.     

Prestack reverse-time depth migration of arbitrarily wide-angle wave equations

Based on arbitrarily wide-angle wave equations,a reverse-time propagation scheme is developed by substituting the partial derivatives of depth and time with central differences. The partial derivative of horizontal direction is replaced with high order difference. The imaging condition is computed by solving the eikonal equations. On the basis of above techniques,a prestack reverse-time depth migration algorithm is developed. The processing exam-ples of synthetic data show that the method can remove unwanted internal reflections and decrease the migration noise. The method also has the advantage of fidelity and is applicable of dip angle reflector imaging.     

Seismic interferometry and estimation of the Green's function using Gaussian beams

This study investigates seismic interferometry in which the Green's function is estimated between two receivers by cross-correlation and integration over sources.For smoothly varying source strengths,the dominant contributions of the correlation integral come from the stationary phase directions in the forward and backward directions from the alignment of the two receivers.Gaussian beams can be used to evaluate the correlation integral and concentrate the amplitudes in a vicinity of the stationary phase regions instead of completely relying on phase interference.Several numerical examples are shown to illustrate how this process works.The use of Gaussian beams for the evaluation of the correlation integral results in stable estimates,and also provides physical insight into the estimation of the Green's function based on seismic interferometry.     

单程波角度域内压制多次波偏移假象

多次波偏移中的假象主要来自于不同地震事件之间的互相关,由于这种互相关满足成像条件,很难直接在偏移过程中去除.但是对于准确的速度模型,真实的成像结果在角度域内应该是平直的.根据这个判断准则,可以在角度域内移除多次波偏移中的假象.本文以数据自相关偏移为例,提出了在单程波多次波偏移中移除假象的主要流程：首先在在单程波偏移过程中高效地提取角度域共成像点道集,然后对角度域共成像点道集应用高分辨率的抛物线型Radon变换,用合适的切除函数处理后,反变换回到角度域,最后叠加各个角度成分,得到偏移结果.Marmousi模型的合成数据测试表明,这种方法可以很好地压制多次波偏移过程中产生的假象,有效地提高成像结果的信噪比.     

南海东北部内孤立波包的地震海洋学和遥感研究

在南海东北部东沙环礁附近,内孤立波被大量地观测报道.在该地区内孤立波的传播和演化过程仍然存在许多待解决的问题.利用改进的地震海洋学处理方法对2009年夏的一段海洋勘探地震测线进行了重新处理,获得了50 m水深之下的水层反射图像,发现了包含8个内孤立波的下沉型内孤立波包.遥感仪器中分辨率成像光谱仪（MODIS）图像在该段地震测量的3 h内,捕捉到同一个内孤立波包,经处理分析,获得前5个内孤立波的清晰图像.本文采用了两种方法计算内孤立波相速度,方法一是利用不同的叠前共偏移距道集剖面估算内孤立波的视相速度,并根据MODIS图像上内孤立波的传播方向对其进行校正;方法二是利用地震与MODIS图像联测直接获得传播相速度.将这两种方法得到的相速度分别进行对比,发现它们在数值大体一致.地震海洋学剖面可直接获得内孤立波包中8个内孤立波的特征参数,包括振幅、视半高宽和视波间距.该内孤立波包的最大振幅为117 m,最大视半高宽为1020 m,最大视波间距为4100 m.由于地震采集船和内孤立波之间存在类多普勒效应,且二者前进方向存在夹角,所以利用地震与MODIS图像联测得到的传播相速度,结合MODIS图像所推断的内孤立波传播方向对视半高宽和视波间距进行校正.首波的半高宽与遥感估算的特征半波宽的比值是1.75,接近理论比值的1.763;校正后的真波间距和遥感量测波间距数值基本一致.最后,结合地震观测前后的遥感图像和潮流数据推断这一内孤立波包为Type-b型.结果表明,将地震海洋学和遥感方法结合,可以更好地研究内孤立波的特征.

     

东部沿海地区地电场半日波变化特征研究

选取位于东部沿海的高邮、新沂、陵阳、昌黎4个台站2011年全年12个月的地电场分钟值观测资料,利用小波变换法计算其半日波,与位于内陆的大同、石嘴山、古丰台进行对比,分析沿海地区地电场半日波日变幅的变化规律,研究得到:(1)高邮等4台在2011年部分月份单月发生2次半日波日变幅增大、减少的现象,同一台站不同月份此现象的发生时间几乎一致(阴历日期),不同台站同一月份此现象的发生时间不同,而位于内陆地区的地电场台站未观测到此现象。(2)通过研究台站测区及周围环境与半日波日变幅变化的相关性,初步分析认为位于沿海地区的台站是否容易观测到半日波日变幅周期性变化可能与测区是否紧邻大型水系有关;而位于沿海地区的台站观测到地电场半日波日变幅每月2次增大、减少的发生时间可能与台站的地磁经度有关。(3)探讨了引起东部沿海地区半日波日变幅周期性变化的可能原因。     

重力异常场空间-波数混合域三维数值模拟

重力勘探中复杂条件下的三维正演计算量大存储要求高,使得这种条件下重力勘探高效、精细正反演变得困难.针对这一问题,提出一种空间-波数混合域数值模拟方法,该方法将空间域引力位积分进行水平方向二维傅里叶变换,将三维空间域卷积问题转换为多个不同波数之间相互独立的空间垂向一维积分问题,一维积分垂向可离散为多个单元积分之和,每个单元采用二次形函数表征密度变化,可得出单元积分的解析表达式.该方法计算量和存储需求少,算法高度并行;保留垂向为空间域,优势之一在于可根据实际情况合理调整单元疏密程度,准确模拟任意复杂地形和密度异常体的重力异常,兼顾计算精度与计算效率;优势之二在于用形函数拟合求得积分的解析解,计算精度和效率高;充分利用一维形函数积分的高效和高精度,不同波数之间一维积分高度并行性及快速傅里叶变换的高效性,实现重力异常场三维数值模拟.设计棱柱体模型,通过数值解和解析解对比验证了该方法的正确性、适用性和高效性.针对任意复杂地形条件下的重力场及其张量的模拟问题,提出一种快速算法,对其有效性进行了验证.探究标准FFT法的截断效应对计算精度的影响,对比分析Gauss-FFT法和标准FFT扩边法两种方法的计算精度和效率,总结了二者的选取策略,结果表明选用标准FFT扩边法计算效率更高.实际地形的数值模拟表明本文算法适用于任意复杂地形的高效计算.