一种新的预条件伴随状态法初至波走时层析

伴随状态法初至波走时层析是基于最优化理论的一种层析成像方法,该方法不必进行射线追踪,用两次正演的计算量便可以获得梯度,具有计算效率高、内存占用小等优点.但是其一阶方向在初始模型或观测孔径不理想的情况下往往无法获得正确的反演结果,而二阶方向的实现又比较困难且费时.在伴随状态法的基础上,将走时差替换为定值,再次进行反演,便可以得到类似于射线密度的矩阵,用该矩阵的逆可以方便地进行预条件.基于该方法,本文提出了一种简单易行的预条件伴随状态法初至波走时层析的实现方法.理论模型和实际资料处理结果都表明,该方法既保留了伴随状态法初至波走时层析的优点,又可以克服一阶方向的局限,获得良好的反演效果.

     

改进Moser方法二维初至波走时层析成像正演研究

地震层析成像是剖析地球内部结构与性质的主要手段之一。以二维初至波走时层析成像为研究方向,剖析Moser初至波走时层析成像的基本原理,指出在原始算法中走时计算误差较大和射线路径追踪存在的问题,讨论提出两种改进办法,分别是：（1）使用动态节点提高走时计算的精度;（2）使用多重链表散列改进波前节点的处理效率。通过均匀介质模型验证改进Moser方法在正演中比原始算法在计算精度上的大幅提高,其中五个动态节点模型相对误差可达0.1%,解决了原始方法存在的问题。另外实现了改进的Moser方法在Marmousi2复杂介质模型中的正演计算,从绘制的波前射线图中可以看出与理论预期的结果相符,从而证明了改进Moser方法的准确性。     

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。     

复杂构造区域的初至波走时计算

有限差分法初至波走时计算是一种十分快速、有效及实用的方法,而且不会碰到传统射线法的阴影区、焦散面等问题．文中指出了ＶａｎＴｒｉｅｒ方法存在的问题,并提出了解决的办法．计算结果表明,方法是有效可行的．对速度变化很大的介质模型,仍能得到较精确的解．     

地震体波走时层析成像方法研究综述

地球介质参数是地震深部探测的重要目标,蕴含了丰富的地球结构和演化信息.全波形反演技术由于计算量大的原因,目前阶段在实际壳幔结构成像应用中还存在较大的难度.基于P波和S波到时的体波成像仍然是壳幔精细速度结构成像的重要途径.本文主要介绍了三种具有代表性的地震体波走时层析成像方法,即基于高频近似射线理论的成像方法、基于程函方程数值解的初至波成像方法及有限频成像方法.基于射线理论的成像方法计算量小,计算效率高,长期以来是体波成像的主要方法之一;基于程函方程数值解的成像方法,在初至波走时成像方面有优势,但是要求网格节点较密,计算量大;有限频成像方法基于波动方程理论,比射线理论包含更丰富的介质信息,但是由于计算量大,目前在实现过程中引入简化的假设,成像效果还有较大的提升空间.     

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.     

论地震波初至走时的计算方法

本文主要论述了近来出现的计算地震波初至走时的一些新方法。这些方法可以分为两大类,一类是利用基于解决最短路径问题的方法来求解地震学中任意两点间的射线路径及走时;另一类是直接求解程函方程。这些方法不仅适用于任意几何位置的源点-检波点排列,而且适用于介质速度的任意变化,其计算精度和效率也比通常使用的射线追踪方法如试射法和弯曲法要高。     

复杂构造区域的初至波走时计算

有限差分法初至波走时计算是一种十分快速、有效及实用的方法，而且不会碰到传统射线法的阴影区、焦散面等问题．文中指出了ＶａｎＴｒｉｅｒ方法存在的问题，并提出了解决的办法．计算结果表明，方法是有效可行的．对速度变化很大的介质模型，仍能得到较精确的解．     

数据域初至波走时与成像域反射波走时联合层析速度建模方法

复杂地表探区,尤其是盆山过渡区的油气勘探是我国也是世界上油气勘探的重点区域,但是此类区域油气地震勘探中满足精确地震成像的速度建模一直是个没有很好解决的问题.本文提出了一种综合性的数据域初至波走时与成像域反射波走时联合层析复杂地表浅中深层速度建模方法,并针对联合层析速度反演解的非唯一性问题,深入地分析了层析反演中正则化的本质意义,指出了建立构造特征正则化方法的具体技术路线,提出了联合层析的实现流程及策略.理论和实际数据试验表明,本文提出的数据域初至走时与成像域反射走时联合层析浅中深层速度建模技术避免了常规建模方法中浅层速度模型与中深层速度模型的融合问题,较好地解决了传统成像域反射层析对近地表模型的不可控更新问题,整体提升了深度域浅中深层速度模型的建模精度,进而提高了复杂地表、复杂构造区的地震成像质量.

     

基于改进的散射积分算法的初至波走时层析

初至波走时层析是获取近地表速度结构的一种常用方法.随着采集技术的不断发展,可使用的数据量迅速增多,传统的基于射线追踪和解方程组的地震走时层析成像方法面临着内存占用大、方程求解不稳定等问题.为了解决这些问题,本文基于前人在波形反演研究中提出的一种改进的散射积分算法,提出了一种预条件最速下降法初至波走时层析.该方法无需存储核函数矩阵与Hessian矩阵即可方便地实现目标函数梯度的计算与预条件,且该方法计算效率高、求解稳定、易于并行.数值实验结果表明,该方法可以获得与传统方法精度相当的反演结果,但所占用的内存大幅减小.     

全球非均匀模型中的远震走时层析成像

远震走时层析成像是研究地球内部结构的重要工具. 通常, 远震走时层析成像使用一维地球参考模型计算研究区域外地震射线. 由于地球存在广泛非均匀结构, 传统远震走时层析成像在计算射线时忽略了研究区域外非均匀结构对射线的影响, 最终导致对研究区域内的成像结果产生影响. 为了减小模型外地球非均匀结构对远震走时层析成像的影响, 本文利用迎风差分格式数值求解程函方程, 得到全球非均匀模型中的远震射线, 以此为基础发展了基于全球非均匀模型的远震走时成像方法. 为了检验本文成像方法提升成像精度的有效性, 选取青藏高原东北缘为研究对象. 合成测试和实际数据成像结果显示, 在考虑地球非均匀结构以后, 成像结果更精确, 结果展现更多成像细节.

     

一阶Rytov近似有限频走时层析

传统的波动方程走时核函数（或走时Fréchet导数）多基于互相关时差测量方式及地震波场的一阶Born近似导出,其成立条件非常苛刻.然而,地震波走时与大尺度的速度结构具有良好的线性关系,对于小角度的前向散射波场,Rytov近似优于Born近似.因此,本文基于Rytov近似和互相关时差测量方式,导出了基于Rytov近似的有限频走时敏感度核函数的两种等价形式：频率积分和时间积分表达式.在此基础之上,本文提出了一种隐式矩阵向量乘方法,可以直接计算Hessian矩阵或者核函数与向量的乘积,而无需显式计算和存储核函数及Hessian矩阵.基于隐式矩阵向量乘方法,本文利用共轭梯度法求解法方程实现了一种高效的Gauss-Newton反演算法求解走时层析反问题.与传统的敏感度核函数反演方法相比,本文方法在每次迭代过程中,无需显式计算和存储核函数,极大降低了存储需求.与基于Born近似的伴随状态方法走时层析相比,本文方法具有准二阶的收敛速度,且适用范围更广.数值试验证明了本文方法的有效性.

     

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.

     

基于HAFMM的无射线追踪跨孔雷达走时层析成像

本文使用最小二乘线性迭代反演方法对跨孔雷达直达波初至时数据进行反演,每次迭代过程中,用有限差分法求解走时程函方程,并用高精度快速推进方法(HAFMM)进行波前扩展,通过追踪波前避免了进行射线追踪.为了验证该方案,我们对三组合成数据进行了测试,分析了单位矩阵算子、一阶差分算子和拉普拉斯算子等三种不同模型参数加权算子对模型的约束和平滑效果;讨论了FMM和HAFMM对反演精度的影响;测试了LSQR,GMRES和BICGSTAB等三种矩阵反演算法的反演效果.此外,我们还对一组野外实测数据进行了反演,对比了基于本方案以及基于平直射线追踪和弯曲射线追踪的走时层析成像反演效果.对比分析结果表明,使用拉普拉斯算子和HAFMM进行反演能较好地进行目标体重建,而三种矩阵反演方法对反演效果的影响差别不大;并且通过对波前等时线图的分析可以定性地判断异常体的性质和位置;而在对实测数据目标体的重建上,本方案能达到甚至优于弯曲射线算法的重建效果.     

基于FCM聚类约束的直流电阻率法与地震走时成像法二维联合反演

通过引入模糊均值聚类(FCM)模型约束函数对电阻率与速度进行约束,开展二维直流电阻率法与地震初至波走时成像法联合反演研究.在地下浅层结构勘探中,通常低电阻率的地质体具有低速特征,较高电阻率的地质体表现为较高的地震波速度.直流电阻率法因为低电阻率区域吸引电流而对其敏感,地震走时成像法因为射线集中在高波速区而对高速体敏感,因此,两者联合成像能够大幅度提高反演效果.合成数据反演表明,直流电阻率法和地震初至波走时联合反演对于两类地质体的分辨能力均有提升,能够优势互补.尤其是引入FCM模型约束进行联合反演,根据已知物性进行监督学习,进一步提高了反演质量,改善了成像模型的分辨率.

     

南北地震带南段远震P波走时层析成像研究

南北地震带南段位于青藏高原东南缘,是青藏高原与扬子克拉通的过渡地带.本文收集了该区域内90个固定台站和356个流动台站的远震波形数据,采用波形互相关方法拾取了88691个P波走时残差数据,应用FMTT(Fast Marching Teleseismic Tomography)层析成像方法获取了南北地震带南段深部的三维P波速度结构.结果显示了研究区深部的结构具有显著的不均匀性:腾冲火山地区深部400 km以浅的深度内分布着明显的低速异常;四川盆地西南部下方300 km内具有较强的高速异常;在上地幔顶部,沿川滇菱形块体周边的大型断裂带及川滇菱形块体南端分布着显著的低速异常,这些低速异常为青藏高原物质向东南方向挤出提供了必要的通道;保山地块下方存在一东倾的高速异常带,该高速异常带为印度板块岩石圈向东俯冲的体现.     

鄂尔多斯及邻区基于程函方程的面波层析成像

利用鄂尔多斯及邻区的固定台站和流动台站记录到的面波资料,使用基于程函方程的面波层析成像的新方法,得到了鄂尔多斯及邻区12~150 s周期的瑞利波相速度的分布图.短周期的相速度很好的揭示出鄂尔多斯及邻区的山脉隆起和拉张盆地等引起的高低速异常的分布特征.中等周期的相速度显示鄂尔多斯盆地内部为显著的高速异常,而它的四周逐渐地被低速异常所包围.大同火山区的低速异常在垂向上进行不断的延伸和扩展,推测是由于其下方的岩浆上涌引起地壳和上地幔顶部升温造成的.长周期的相速度显示鄂尔多斯盆地下方在岩石圈深度范围内,以北纬38°为界南北部岩石圈的差异比较明显,呈现南部厚北部薄的特点.研究发现研究区从西到东岩石圈逐渐减薄,这可能是由于受到太平洋板块俯冲引起的地幔热物质上涌和运移的影响.