层状弹性介质全波射线追踪技术研究

射线追踪法是一种有效的地震波场数值模拟方法,在层析成像、叠前深度偏移及正演模拟等研究领域均占据重要地位.但相较于波动方程数值模拟方法,射线追踪法在获取较高运算速度的同时损失掉了地震波场的动力学信息,对于整个地震波场的地震波衰减以及转换波等问题都没有进行考虑.为了能够得到较为完整的合成地震记录并对地震资料做出更合理解释,本文在使用射线追踪法进行波场数值模拟的同时考虑了衰减信息,追踪转换波以弥补射线追踪法在动力学上的缺陷.在全波射线追踪过程中,通过追踪同类波和转换波,并计算该段射线的能量衰减,在保证高速计算的同时获得了较为完整的合成地震记录,取得较好的效果.     

复杂介质中地震波前及射线追踪综述

本文较为系统综述了国内外在不均匀介质中各种主要和实用的射线追踪方法,例如:基于射线理论的打靶法、弯曲法(伪弯曲法)、高斯射线束算法等;基于网格单元扩展的有限差分解程函方程法(FD)、最短路径算法(SPM);以及结合射线和网格单元扩展的波前构造法等.同时对目前出现的多次波射线追踪技术、以及多值波前追踪技术(如:相空间算法、水平集算法)也进行了分析讨论.同时对基于网格单元扩展算法的优缺点进行了评述,其基本结论是:基于单元模型的SPM要优于FD算法,而基于网格的SPM算法则次之.就传统的射线追踪算法(如:打靶法和弯曲法)而言,其未来的发展方向是实现完全非线性的相应算法,而基于网格单元的算法则主要是扩展功能(如:后续波、多值波前的追踪).射线追踪方法技术未来需要解决的问题主要有:块状模型中多次波的追踪;多值波前及多值射线追踪;走时与振幅的同时追踪计算;以及其它领域新方法的引入.     

基于射线追踪的微地震多波场正演模拟

对于微地震正演模拟,本文以射线追踪的原理为基础,对两点间的射线追踪问题进行了研究,应用二分算法、改进二分算法和微变网格算法对水平层状匀速模型、弯曲层状匀速模型和复杂地质模型进行射线追踪,使得计算效率和适用范围都得到了很大的改善.文中对每种算法误差范围和计算效率进行了对比验证,对于不同的地质模型,选用合适的算法才能在计算速度和精度上得到双重保证,最后正演模拟了多波三分量记录.在模型建立上引入了超薄层概念,并在前人模拟的直达波、透射波、反射波基础上拟了折射波,使正演模拟的多波场信息更丰富.文中的应用实例及模型结果表明:与二分法相比,改进二分法能够对弯曲界面进行射线追踪,并能保证结果的精度.弯曲层状模型中,改进二分法与微变网格法相比计算速度有显著提高,能够应用到资料的反演中.     

起伏层状介质中曲线网格有限差分法与射线法波场模拟对比研究

针对处理起伏地表(或含地下不规则波阻抗界面)条件下发展起来的地震波场数值模拟算法的模拟结果与解析解(大多数情形下无法得到)无法进行对比,且其有效性和正确性难以验证的情况,本文提出了一种可以相互验证波场数值模拟结果与射线追踪数值模拟结果的正确性和有效性的佐证方法,验证了参考射线追踪法.其中,波场数值模拟中采用曲线网格DRP/opt MacCormack有限差分法,射线追踪模拟则采用分区多步三角网格最短路径算法.通过系统对比上述两种方法得到的波场快照、单炮地震记录,以及合成理论地震图的结果显示,本方法相互作证了两种方法所得结果的正确性和有效性.双层和三层起伏层状模型的对比分析结果表明,这种方法不但可以加深理解地震波在复杂介质中的传播规律,同时射线法的引入为清晰识别和标定地震波场数值模拟中各种不同震相提供了一种便捷的途径.      

结构混凝土三角网声波层析成像检测技术

针对矩形网格模型的声波层析成像检测结构混凝土存在的主要问题:1)矩形网格无法充分模拟结构混凝土的速度间断面、2)射线追踪面临穿到凹多边形检测区域之外或穿越内部预留空洞的风险,本文研究了三角网声波层析成像检测技术.依据Delaunay三角剖分的优化准则,结合波前法对模型进行三角剖分;采用"基于波前最小走时单元的三角网射线追踪全局算法"计算声波初至时、追踪射线路径;应用代数重构技术求解层析成像反演控制方程,得到模型的速度分布.数值模拟及应用实例表明,三角网声波层析成像,模型参数化灵活、速度间断面描述准确,射线追踪可靠性强、精度高,反演成像分辨率高、更接近实际结构形态,适应具有复杂几何边界和内部结构的结构混凝土的质量检测.     

波前构建法研究现状

波前构建法是一种能够快速计算地震波走时、射线路径及振幅的算法,该算法考虑从整个波场发出的射线族的追踪计算,为几何射线理论在勘探地震学中的应用带来了决定性的变化,使得能够同时计算成千上万务射线以及附在上面的走时和振幅成为可能.本文在收集、整理国内外研究现状的基础上,对波前构建法目前的应用介质模型、求解射线追踪方程组的算法...     

基于二维三次卷积插值算法的辛几何射线追踪

射线追踪是地震波走时层析成像的基础,射线空间位置的准确性及射线走时的精度决定了层析成像的可靠性.本文根据哈密尔顿系统可以有效提高程函方程解稳定性的特性,采用辛几何算法（SAM-Symplectic Algorithm Method）及二维三次卷积插值技术进行地震波射线追踪.由于采用了SAM算法,保证了地震波波前精度,提高了射线空间位置的准确性.数值模拟结果表明SAM既能保证哈密尔顿系统的稳定性又具有运算速度快的特点,提高了射线追踪的计算精度.     

改进的非均匀介质射线追踪算法

本文对1985年Langan提出的非均匀介质常速度梯度射线追踪方法进行了改进以提高精确度.常速度梯度射线追踪法利用Taylor展开将复杂的射线方程简化大量提高了运算效率,但也由于网格化造成精度降低的不足.本文对每个网格中的射线追踪结果进行了校正,减小误差的相互累积来提高原方法的精确度.利用理论模型对改进的方法进行了试算,将试算结果与原始的方法进行了对比,改进后算法得到的射线路径与原始方法得到的射线路径有明显的差别,并将原始方法和改进方法得到的结果与理论上的结果进行了对比.同时,将两种方法应用于某一地区的微地震资料中,将两种方法得到的微地震事件走时正演数据与实际的走时数据进行了对比分析.本文从理论模型和实际资料上同时验证了改进的方法提高了射线追踪的精确度.     

2D各向异性TTI介质中地震波场的射线法和波动方程数值模拟对比

尽管射线理论是基于波动方程高频假设下的一种近似理论,两者本应相互佐证共同发展完善,然而实际上确是平行独立的.鉴于此,本文提出了一种可以相互验证波场数值模拟或射线追踪数值模拟方法正确性和有效性的佐证方法.为了实现上述目的,我们首先将用于各向同性介质中多次波预测的分区多步不规则最短路径算法推广至各向异性TTI介质中,使其具备追踪各向异性TTI介质中多次波的能力.然后,通过伪谱法波场数值模拟和分区多步不规则最短路径算法预测得到的波场快照图、单炮地震记录剖面、以及合成理论地震图的分析对比,不但可以相互验证两种算法的正确性和有效性,同时对地震波在各向异性TTI介质中的传播规律和特点有了深刻的理解和认识.结果表明:本文提出的各向异性介质中多次波射线追踪算法是正确有效的.     

各向异性介质弹性多波高斯束正演模拟

射线类正演方法以其高效性和灵活性的特点,被广泛应用于地震勘探中.然而,普通射线类正演方法存在焦散区、阴影区和多值走时等问题,计算精度不够理想.为此,本文在传统的各向同性介质声波高斯束正演的基础上,推导了各向异性介质运动学和动力学射线追踪方程,发展了各向异性介质弹性多波射线追踪算法;并将该算法应用到高斯束正演模拟中,实现了一种各向异性介质弹性多波高斯束正演模拟方法.各向异性VTI介质断块和VTI介质复杂构造模型试算的结果表明:本文研究的方法能够对各向异性介质构造进行正演模拟,在保证计算精度的前提下,具有较高的计算效率,模型试算的结果说明了方法的有效性和正确性.     

一种线性走时插值射线追踪改进算法

针对线性走时插值算法(LTI)不能正确追踪逆向传播射线的问题, 目前已提出多种改进算法, 如扩张收缩LTI算法、 循环计算LTI算法、 动态网络最短路径射线追踪算法等, 但这些算法的计算效率普遍偏低. 在分析各种改进LTI算法的优劣后, 本文提出了改进动态网络最短路径射线追踪算法. 该改进算法依据波的传播规律以及LTI算法的基本方程, 排除动态网络最短路径射线追踪算法中大量冗余节点计算, 并采用传统的二叉树堆排序算法对波前阵列节点进行管理. 数值算例表明, 本文提出的改进算法具有较高的计算效率, 其计算效率是动态网络最短路径射线追踪算法的4.5—30倍, 是原始LTI算法的2—6.5倍; 当动态网络最短路径射线追踪算法采用堆排序算法时, 改进算法的计算效率是其3.5—15倍.      

分区多步最短路径极值法多值多次反射波追踪

基于网格单元扩展的射线追踪算法,如:较为流行的有限差分解程函方程法和最短路径法均是建立在费马(最小走时)原理基础上的射线追踪算法,只能进行单值(最小走时)的多次反射波的追踪.然而当介质速度反差较大或存在复杂反射界面(如:常见的向斜、背斜、透镜体、塌陷构造等)时,将出现波前的自相缠绕(即蝴蝶结现象),相应的地震射线则为多...     

复杂山地随机介质GMM-ULTI法射线追踪

对复杂山地介质的非均质性以及介质中地震波运动学特征进行深入研究,对于提高复杂山地区域地震勘探的效果有着重要的理论意义和实际价值.为了研究复杂山地非均质性和该介质中地震波的一些运动特性,提出了一种复杂山地随机介质的建模方法和一种新的射线追踪算法.与常规算法相比,复杂山地随机介质的生成方法采用更贴近实际介质特点的梯度介质作为背景介质,并在模型生成过程中加入地形修正步骤;新提出的GMM-ULTI射线追踪算法,充分融合群推进法、迎风思想、走时插值法的优势,采用先计算走时后追踪射线路径的两步策略完成射线追踪.算法分析与计算实例表明:复杂山地随机介质的生成方法能灵活、精细且更贴近实际地刻画复杂山地介质的非均质特点;新射线追踪算法兼顾精度和效率、能无条件稳定且灵活地适应复杂山地随机介质的特点;同时基于对几个模型试算结果的分析也得出了复杂山地随机介质中的地震波的一些传播规律.     

基于分区多步快速行进法下3D起伏层状介质中多震相射线追踪

快速行进法(FMM)是一种求解程函方程数值解计算网格节点走时,然后向后处理进行射线追踪的方法.为了求取任意起伏界面下高精度多震相的地震走时与相应的射线路径,本文采用任意起伏地表条件下的的三维不等距上行差分公式结合分区多步计算技术实现了三维复杂层状起伏介质中多震相(透射、反射、转换波)地震走时的计算,利用上行有限差分公式逐次进行射线路径的追踪,并且通过与较为成熟的不规则最短路径法(ISPM)对比,验证了本算法的计算精度和有效性.数值模拟实例和对比结果表明该算法具有较高的计算精度,数值计算稳健,能灵活处理含任意三维起伏界面模型中多震相地震走时及相应射线路径的追踪问题.     

迭代优化的网络最短路径射线追踪方法研究

网络最短路径射线追踪算法,用预先设置的网格节点的连线表示地震波传播路径,当网格节点稀疏时,获得的射线路径呈Z字形,计算的走时比实际走时偏差大.本文在网络最短路径射线追踪算法的基础上,提出了迭代法与网络最短路径相结合的射线追踪算法,运用迭代法优化计算由网络最短路径算法得到的射线路径,并对迭代法进行修正,从而克服了最短路径射线追踪算法的缺陷,大大提高了最小走时和射线路径的计算精度.     

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.     

VTI介质角度域转换波高斯束偏移成像方法研究

转换波偏移可以利用纵横波波场信息,得到高分辨率的成像结果,从而为油藏描述提供高质量的地震资料.目前的研究主要是利用纵波波场信息进行偏移成像,然而,传统的纵波方法在复杂探区成像时具有一定的局限性.为此,本文在各向异性介质声波射线追踪算法的基础上,推导出各向异性介质转换波射线追踪方程,发展了一种转换波射线追踪算法;并将研究的追踪算法应用到偏移成像中,提出了一种各向异性VTI介质角度域转换波高斯束偏移成像方法.通过各向异性VTI介质断块模型和复杂构造模型试算,说明了本文方法的正确性和有效性.模型试算的结果表明,在考虑地下各向异性时,本文研究的方法具有更好的成像效果,提取的角道集结果可以为偏移速度分析提供依据.     

三维结构中两点射线追踪的分步搜索法

在三维射线追踪中,一般都必须同时考虑引起壳幔结构非均匀性的介质及构造因素．本研究用类似于计算机辅助设计中图形产生的方法,生成三维结构模型．在Cerveny等三维复杂结构中全射线追踪算法的基础上,提出一种在三维横向非均匀结构中进行两点射线追踪的分步搜索法,并给出了数值计算实例．      

对旅行时进行抛物型插值的地震射线追踪方法

提出一种对旅行时进行抛物线插值的地震射线追踪方法（简称PTI方法）,它比基于旅行时线性插值方法（简称LTI方法）计算结果更准确.PTI和LTI方法都是基于2D网格单元模型,用于计算地震波的旅行时和射线路径.首先介绍了相关方法的一些基本概念.旅行时和射线路径都是在网格边界上进行计算的,因此,射线路径在同一恒速网格内是直线.其计算过程有两步.第一步,计算旅行时,第二步追踪射线路径.然后给出了LTI算法的基本公式.因为在炮点网格内可能存在折射波,文章也相应导出了其公式.最后详细推导了PTI 方法的公式.通过模型试算对比说明,用PTI方法较LTI算法更精确、更有效,PTI方法是一种很有发展前途的地震射线追踪算法.     

利用重复地震研究滦县地区的地壳介质变化

运用双差定位法,对滦县地区2002年1月至2010年8月ML≥2.0地震进行精定位,利用射线追踪方法,对滦县地区的重复地震进行位置归一处理,计算滦县地区重复地震序列经过射线追踪方法校正后得到的P波走时差变化.研究发现,2010年3月6日滦县ML4.7地震前糙甸地震台、兴隆东地震台、蓟县地震台和遵化地震台记录到P波走时差...