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.      

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.     

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.     

各向同性介质中射线理论与有限差分地震波场模拟方法比较研究

地震波场数值模拟不仅是研究复杂地区地震资料采集、处理和解释的有效辅助手段,而且是研究地球深部精细构造和地球深部探测的有效工具.射线理论和波动方程理论是地震波场数值模拟的理论基础.射线理论主要刻画地震波在介质中传播的走时场、地震射线等运动学属性;波动方程理论通过求解波动方程来描述地震波在介质中传播的弹性动力学响应(能量衰减、相位特征、偏振属性、以及全波形等).基于波动方程理论的波场数值模拟由于能够引入丰富的波场信息,使得人们对不同介质中地震波的传播过程有了较全面的了解.本文以二维层状均匀介质模型为例,通过射线追踪法和交错网格有限差分法模拟得到的波场快照图、单炮地震记录剖面、合成理论地震图的分析比较,不但对地震波在各向同性层状均匀介质中的传播规律和特点有了深刻的理解和认识,同时又可以相互验证两种不同方法的正确性和有效性.     

基于面波走时的三维结构面波直接成像：方法综述与应用

利用面波频散数据进行各向同性和各向异性横波速度结构成像是研究全球和区域构造变形、获取地壳上地幔和近地表精细结构的一种非常有效的方法.传统的基于频散数据的面波成像通常采用两步法,即首先反演二维相速度或群速度分布图,然后再基于格点的纯路径频散反演格点下方的一维横波速度模型,之后再拼合成三维速度模型.在本文中我们较为详细地综述新发展的基于面波频散走时的三维面波直接成像方法体系,即面波一步法成像.该方法体系包括通过所有路径、不同频率的面波频散走时直接反演三维各向同性横波速度结构的方法（DSurfTomo）、直接反演三维方位各向异性横波速度结构的方法（DAzimSurfTomo）,以及直接反演三维径向各向异性横波速度结构的方法（DRadiSurfTomo）.新的面波直接成像方法计算不同周期的面波射线路径,从而更好地考虑复杂结构下面波射线路径弯曲对成像精度的影响.随后我们介绍面波直接成像方法的应用实例,包括地壳上地幔及地壳浅部的多尺度各向同性和各向异性横波速度结构的成像,这些成像研究为认识区域构造演化、孕震构造、断裂带浅部结构、成矿构造、城市地下结构等提供了重要的约束.最后我们讨论面波直接成像方法...     

井间地震数据直达波走时层析成像

本文利用矢量射线追踪正演模拟技术计算地震波直达波传播的路径及走时,进而利用射线走时及路径的内插,发展了弯曲射线迭代反演技术.该方法可用来重建井间地层的速度图像.基于所发展的方法,我们对较为复杂的典型地质模型进行了井间速度重建.结果表明该方法是一项快速、高精度的走时层析成像技术.     

曲线坐标系因式分解程函方程及其走时计算

地震波走时广泛应用于静校正、层析成像、Kirchhoff偏移成像、地震定位等研究.复杂地表条件是影响走时计算精度的重要因素.近年来,发展的曲线坐标系程函方程为精细刻画起伏地表条件下的地震波走时场特征提供了新的思路.然而,基于有限差分程函方程的求解方法不可避免地受到震源奇异性的影响,即震源附近波前的曲率较大,此时使用平面波近似假设的差分格式会导致较大误差.而震源误差会随着波前的传播到达整个计算区域,从而影响整个区域的求解精度.针对该问题,本文借鉴因式分解的思想,推导建立了曲线坐标系因式分解程函方程,并针对性地发展了其数值求解方法,从根源上解决了复杂模型走时计算中的震源奇异性问题.数值实例表明因式分解法能够有效降低震源误差,显著提高起伏地表走时计算的精度和效率,为起伏地表地震波走时计算提供更佳的选择,在复杂模型的地震资料处理中展现出广泛的应用前景.     

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.     

黏弹性VTI介质中敏感度核函数：地震波复走时关于弹性模量及Q值偏导数的计算

实际地层中地震波传播普遍存在速度和衰减各向异性现象,研究黏弹各向异性介质中高频地震波传播理论有助于揭示地震波的传播特征.本文针对黏弹性VTI介质,从Christoffel矩阵的解析特征值出发推导出qP、qSV和qSH波的复相速度和复射线速度的解析表达式,并应用实射线追踪方法确定出均匀复射线速度矢量,由此计算出实射线速度和实射线衰减以及实射线品质因子.基于非均匀复相速度和均匀复射线速度的解析表达式,推导了实射线慢度和实射线衰减关于黏弹性模量(包括弹性模量和Q值)的敏感度核函数,该敏感度核函数反映各个黏弹性模量对地震波复走时的影响程度.不同岩石样本的数值计算结果显示,实走时对弹性模量更为敏感,而射线衰减(虚走时)对弹性模量和Q值的敏感程度相当.本研究可为黏弹性VTI介质中地震射线追踪和复走时层析成像提供理论基础.     

三维地质模型中地震波共轭梯度非线性走时反演

地震体波走时层析成像是探测地球内部速度结构的重要方法之一。基于三维块状建模以及三角形拼接的界面描述方式,结合快速高效的逐段迭代射线追踪方法,获得三维复杂地质模型中的地震射线路径与走时信息,采用共轭梯度非线性反演算法,进行地震波走时反演。实验结果表明共轭梯度反演算法在三维层状模型中具有较高的有效性。     

基于高斯束传播算子的成像域走时层析成像方法

层析反演是速度建模中最重要的方法之一,结合偏移成像在成像域进行走时层析速度反演是当前比较成熟有效且广泛应用的技术.本文从高斯束偏移成像条件出发,在波动方程的一阶Born近似和Rytov近似下,推导了成像域走时扰动与速度扰动的线性关系,建立了成像域走时层析方程及其显式表达的层析核函数.该核函数的本质是有限频层析核函数,利用该核函数替换常规射线层析核函数可以明显提高层析反演精度.该核函数的计算关键是背景波场格林函数的计算,本文利用高斯束传播算子计算格林函数进而得到走时层析核函数,实现方式灵活高效且计算精度较高.基于高斯束传播算子的偏移成像与层析成像相结合进行深度域建模迭代,体现了速度建模与偏移成像一体化的思想.数值计算及实际数据应用证明了基于高斯束传播算子的成像域走时层析方法的有效性.     

有限频与射线层析成像比较研究综述

从正演近似性和反演多解性两方面对有限频与射线理论的争论历史和比较研究进展进行介绍并评述.从早期的衍射层析成像开始,回顾了有限频理论的发展历史.详细介绍了2005至2006年问有限频理论的拥护者与质疑者之间的一场影响深远的争论.这场争论纠正了之前十多年许多地震学家将地震波相关走时与初至走时相混淆的错误认识,使有限频理论得...     

首都圈地壳结构的拟波形层析成像研究

地震层析成像是研究地球内部结构的主要方法.文章利用首都圈区域内3231个地震挑选出来的29839条直达P波走时和29972条直达S波走时数据,首次使用拟波形层析成像方法对首都圈地区地壳的P波和S波速度,以及泊松比进行反演成像,获得了该区域三维高分辨率VP、VS以及泊松比结构.成像结果表明,首都圈地壳结构非均匀性强烈,地...     

地震波走时和射线的有限差分计算

以往都是采用射线追踪的方法计算地震波的走时和射线，但是当速度模型复杂时这种方法存在一些问题。本文提出另一种计算地震波走时和射线的方法。该方法从程函方程出发，利用互换原理和Ｆｅｒｍａｔ原理计算出各种波的到时和射线。解决了射线追踪方法存在的问题。为地震波走时和射线的计算以及地震波走时反演开辟了一条新途径。     

多种面波层析成像方法及其在青藏高原的应用与对比

面波层析成像是一种广泛应用的获取地壳与上地幔地震波速度与各向异性结构的地球物理方法.本论文综述了面波层析成像方法的简要历史,阐述了多种常用的面波层析成像方法（双台法、双平面波法、程函方程法、Helmholtz方程法、背景噪声成像法与直接面波层析成像法）的基本原理及其优缺点.双台法的理论与实际使用简单,但该方法要求震源与两个台站需近似位于同一大圆弧路径,在台站较少且记录时间较短的区域,获取的相速度水平分辨率偏低.双平面波法能一定程度克服地震波多路径传播与散射对频散的影响,但其对面波波形数据要求较为严格,且通常适用于区域地震台网.程函方程法和Helmholtz方程法可直接从地震记录同时获取相速度与方位各向异性,计算方便快速,无需经过正演与反演过程,但这两种方法要求台站分布密度要高,不适用于台站间距大且分布稀疏的区域.与程函方程法相比,Helmholtz方程法不仅考虑了波形的相位,还利用了其振幅,能获取更准确的相速度与方位各向异性信息.背景噪声成像法的优点是无需震源就可获取高分辨率地壳尺度的成像结果,但通常缺乏长周期面波的信息,难以约束岩石圈深部与软流圈结构.直接面波层析成像法能直接从台站间...     

一种改进的地震反射层析成像方法

针对复杂介质的地震反射走时层析成像存在数据拾取困难问题,本文提出了一种新的地震反射层析成像速度模型建立方法,该方法用速度和地震射线走时描述模型,用地震反射波走时、地震波在源点和接收点处的传播方向信息反演模型.为提高反演的稳定性和计算效率,引入了Hamilton函数描述射线,在相空间计算反演所需的射线路径和目标函数对模型参数的导数,对理论模型和实际地震资料进行了试算,试算表明该方法对复杂介质具有较强的适应能力.     

巧家地震和鲁甸地震震源区周边P波速度结构

本文利用2010年1月至2020年6月巧家地震和鲁甸地震震源区周围发生地震事件的走时观测资料,应用双差层析成像方法获得了2014年MS6.5鲁甸地震和2020年5月18日巧家MS5.0地震周边区域中上地壳的P波速度结构.成像结果显示:整个研究区域的速度结构存在很强的非均匀性:在鲁甸地震震源区附近,浅部存在速度高达6.4...     

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.     

地震环境噪声成像中的地形影响校正

以传统地震环境噪声面波成像方法研究地壳速度结构时,在一些极端的地形条件下,结果与真实结构会存在较大偏差.我们以地震波场三维正演模拟为基础,提出了一种地形校正方法.我们保留了传统噪声面波成像简单的两步反演法,在面波层析成像和一维速度结构反演的基础上,通过地震波场三维模拟近似估计地形和散射波场的影响,并据此校正瑞利波频散曲线,最终反演得到校正地形影响的S波速度结构.理论测试与在实际观测数据上的应用都证明了校正方法的有效性,同时也显示了地形校正的必要性.     

三角网最小走时射线追踪层析成像

针对层析成像模型矩形网格剖分存在的一些问题,提出了复杂结构三角网最小走时射线追踪层析成像方法。以Delaunay三角剖分的优化准则,根据模型点、线、面的几何结构关系,进行三角网格剖分;采用三角网波行面扩展法计算声波初至走时,追踪出任意接收点至激发点处的射线路径,射线路径包含了从接收点至源点的坐标、所在三角单元等信息,形成矩阵方程。应用稳定性较好的联合迭代重构技术求解矩阵方程,得到模型的速度分布。数值模拟结果表明,三角网射线层析成像方法分辨率高,成像结果更接近实际结构形态,有效地解决了矩形网剖分对复杂区域网格参数化灵活性差,速度界面描述精度低等问题。