二维无限频率初至走时反演井间地震实际资料

使用Zelt和Barton的方法,通过一个计算效率高的有限差分求解eikonal方程,正演计算走时和射线路径.使用最小二乘QR分解法,求解稀疏线性系统方程组.使用正则化层析反演,结合用户给定的最小的、最平坦和最平滑的扰动限制,每一个加权因子随深度变化.结合数据残差和模型粗糙度的最小化,为数据残差提供一个最平滑的近似模型.该反演方法为非线性反演,需要一个初始模型,在每一次迭代时,需要计算新的射线路径.使用二维初至走时数据,对某油田二维井间地震实际资料进行无限频率初至走时层析反演.将反演所得到的速度与井的测井速度曲线相比较,二者吻合程度较高,表明该反演方法所得速度的分辨率比较高.证实了二维无限频率初至走时层析反演可以为全波形反演提供一个分辨率较高的长波长速度模型,从而为全波形反演井间地震实际资料提供了一个比较可靠的初始速度模型.     

三维电阻率测深数据Zohdy近似反演方法

Zohdy方法近似反演三维电阻率测深数据。正演计算采用有限单元法。反演初始模型由测量视电阻率数据给出。通过比较实测视电阻率值和预测模型计算的视电阻率值对数差来修改模型网格电阻率．为了解决任意电极距测深数据的反演,采用大、小双网格剖分。大网格反映地下电性分布情况。小网格用于实际有限元正演计算．在电阻率调整公式中加入一个迭代系数,能够加快收敛速度．并对加5％随机噪声的模型理论视电阻率测深断面数据进行反演,得到的电阻率分布与模型电阻率基本一致．     

三角网格剖分下速度与反射界面的同时反演

为了解决复杂速度模型中的走时正、反演问题,例如:含不规则起伏地表、不规则地下波阻抗界面、以及不规则速度异常体的复杂地学模型,本文采用三角网格单元模型参数化下的分区多步改进型最短路径算法,实现了多震相地震射线的追踪计算,结合共轭梯度法求解带约束的阻尼最小二乘反演问题,实现了多震相走时联合同时反演成像的方法技术.当界面起伏较大时出现散射,从而造成散射点所在区域射线密度过密,导致该区域内速度和界面的过度更新.为了克服上述问题,我们在同时反演中引入了射线密度的概念,从而有效地解决了上述过度更新问题.数值模拟实验表明:采用三角网格单元进行模型参数化,可保证在复杂模型中的正演计算具有较高的计算精度;同时反演中可以准确地刻画不规则异常体和不规则反射界面.因此,本文提出的走时成像方法技术具有较广的实用价值.     

上地壳纵横波速度结构相关反演成像方法

基于纵横波初至走时数据的层析成像方法越来越广泛地被应用于揭示不同构造域壳幔速度结构特征.我们从同一地质体的纵横波速度属性相关这一基本思想出发,提出一种相关反演成像的方法:纵横波速度反演交替进行,在迭代反演过程中每通过一次反演获得相应的纵波速度(或横波速度)结构后,更新相应的纵横波速度比模型以及相应的横波(或纵波)速度反演的初始模型,然后继续开展后续横波(或纵波)速度反演工作.在反演过程中依据纵横波速度的相关性信息和射线路径长度将走时残差以不同权重分配到射线路径经过的单元,依据网格节点周围平均的慢度扰动更新速度模型.正反演过程分别基于有限差分走时计算方法和反投影成像方法.两种典型模型试验表明,该技术应用于上地壳速度结构反演成像过程,可有效提高反演结果的可靠性,在很大程度上避免了常规单独反演纵波和横波速度过程容易带来的畸变和失真.该方法应用于重建青藏高原西部札达—泉水沟深地震测深(DSS)剖面下方的上地壳速度结构,揭示出与青藏高原西缘板块碰撞相关的上地壳速度结构特征.     

变密度声波方程多参数全波形反演策略

多参数全波形反演中各参数之间的相互耦合增加了反演的非线性程度.通过分析各参数之间的相互影响,提出合理的多参数反演策略是解决该问题的有效途径.本文从变密度声波方程出发,首先研究了密度在速度反演中的重要作用,然后分析了速度对密度反演的影响程度,进而提出了一种有利于速度、密度分步联合反演的策略.第一步,利用给定的初始模型对速度、密度进行同时反演,得到比较可靠的速度反演结果;第二步,利用第一步反演得到的速度和给定的初始密度作为初始模型,继续进行双参数同时反演,这样可以同时得到比较可靠的速度、密度反演结果.为了进一步提高反演精度,将第二步反演得到的速度、密度作为初始模型,再进行下一轮双参数联合反演.二维理论模型实验结果充分说明了本文提出的这种反演策略的有效性.     

基于模型降阶的贝叶斯方法在三维重力反演中的实践

三维重力反演是地质工作者了解地球深部构造,认知地下结构的重要手段.按照反演单元划分,三维重力反演有离散多面体(Discrete)反演和网格节点(Voxels)反演两种方式.离散多面体反演由于易于吸收先验地质信息得到的理论场能够很好地拟合观测场,因此,在实际重力反演中更受欢迎.目前离散多面体重力反演中初始模型的建立方法繁杂不一,实际应用受到很大的限制.本文本着充分挖掘利用先验信息和重力观测数据得到丰富可靠的反演结果这一原则,以离散多面体反演技术为基础,改进建模过程.在初始模型的建立中,吸收贝叶斯算法优势,采用隐马尔科夫链改善朴素贝叶斯方法的分类效果,通过最大似然函数算法求解,再采取模型降阶技术,固定所建模型中几何体的形态或密度,达到在几何体形态(x,y,z)、密度(σ)和重力值(g)五个参数中降低维数目的,从而减小高维不确定性和正演的计算量,由此反演计算的地质体密度和分布范围相对更准确,更利于重现重力模型结构.通过单位球体和任意形态几何体模拟实验,以及安徽省泥河矿区三维重力反演实践,得到非常接近实际的密度或重力值,大幅提高了三维重力反演的精度和效率,说明该方法是有效、实用的.     

傅利叶重建法的数值模拟研究

运用ＣＴ技术中的傅利叶重建法，根据任意所给的两个初始速度模型，用几组平行射线束进行扫描，采集走时数据，并利用走时数据反演速度图象．反演结果与初始模型比较两者基本相符合。由此证明，傅利叶重建法在一定条件下可以用来反演地壳速度结构，并可得到较好的结果．这种方法是ＣＴ技术应用于地学研究的一种新的尝试．     

波动方程初至波多信息联合反演方法

地震初至波中包含着丰富的近地表速度结构信息,如何分阶段、分尺度地利用这些信息进行近地表速度建模是地震勘探中的一个关键问题.在速度反演的不同阶段,综合利用初至波中的不同信息(如走时、包络和波形等)进行联合反演,可以有效地降低反演对初始模型的依赖程度,提高近地表速度模型的反演精度.为此,本文提出了一种统一基于波动方程正演引擎的初至波多信息联合反演方法,该方法同时匹配观测和模拟的初至波走时、包络和波形信息.在不同的反演阶段选择不同的权重因子调节不同信息的权重,这样不仅降低了反演对初始速度模型的依赖,而且自然地实现了多尺度反演.在每轮反演迭代中,一次正演模拟的波场同时应用于初至波走时、包络和波形匹配,无需额外的射线追踪.同时,联合反演方法在一定程度上缓解了串联反演中目标函数漂移问题,提高了近地表速度建模的精度.     

适于复杂地质模型的三维射线跟踪方法

复杂地质体模型的三维射线跟踪方法在数值计算时随波阵面自动生成射线跟踪所需的计算单元,无需对复杂地质体模型预先进行模型离散化.基于计算中自动生成的计算单元,进行射线跟踪计算时就无需求解射线路径与计算单元数值边界的交点,因而具有甚高的计算效率.本文方法不仅可作为地震资料叠前成像的算法基础,而且还为复杂介质中波场高频渐近解的计算提供一种最佳的计算途径.     

基于L1范数的瞬变电磁非线性反演

瞬变电磁反演存在高度的非线性特征,常用的最小二乘等线性反演方法往往对初始模型高度依赖,并且极易陷入局部最优解.本文基于观测数据与模拟数据的L1范数建立目标函数,采用模拟退火非线性全局最优化方法实现瞬变电磁一维反演.初始模型完全随机产生,通过指数函数退温机制模拟系统能量最小实现迭代,通过接收概率函数评价当前模型,实现局部最优解的跳出,最终实现全局最优化求解.通过数值算例发现,无论给定的反演层数等于还是大于设计模型,都可以获得较好的反演效果,因而可以在反演初始就设计较多的层数,实现反演模型的自动拟合;同时,利用含噪声数据反演进一步验证算法的稳定性.最后,对实测数据进行了反演测试,结果与钻孔编录基本一致,表明提出的基于L1范数的模拟退火反演可用于实测数据处理.     

频率多尺度全波形速度反演

以二维声波方程为模型,在时间域深入研究了全波形速度反演.全波形反演要解一个非线性的最小二乘问题,是一个极小化模拟数据与已知数据之间残量的过程.针对全波形反演易陷入局部极值的困难,本文提出了基于不同尺度的频率数据的"逐级反演"策略,即先基于低频尺度的波场信息进行反演,得出一个合理的初始模型,然后再利用其他不同尺度频率的波场进行反演,并且用前一尺度的迭代反演结果作为下一尺度反演的初始模型,这样逐级进行反演.文中详细阐述和推导了理论方法及公式,包括有限差分正演模拟、速度模型修正、梯度计算和算法描述,并以Marmousi复杂构造模型为例,进行了MPI并行全波形反演数值计算,得到了较好的反演结果,验证了方法的有效性和稳健性.     

基于不等式约束的三维电阻率探测混合反演方法

三维电阻率探测的线性反演和非线性反演中均存在着多解性的固有难题.电阻率线性反演方法的效率较高,但反演结果对初始模型的依赖性较强,易陷入局部极小;而非线性反演方法不依赖初始模型,但搜索效率极低,尚未见到关于三维电阻率非线性反演的文献.针对上述问题,融合线性与非线性反演方法的互补优势,提出了最小二乘法(线性方法)与改进遗传算法(非线性方法)相结合的混合反演方法的概念和思想.首先,提出了将介质电阻率变化范围作为不等式约束引入反演方程的思路,以实现压制多解性、提高可靠性的目标.提出了宽松不等式约束和基于钻孔推断的局部严格不等式约束的获取及定义方法.在此基础上,分别提出了基于不等式约束的最小二乘线性反演方法和遗传算法非线性反演方法.其次,对于遗传算法在变异搜索方向控制、初始群体产生等方面进行了改进,优化了其搜索方向和初始群体多样性.然后,提出了混合反演方法及其实现方案,利用改进遗传算法进行第一阶段反演,发挥其对初始模型的依赖程度低的优势,搜索到最优解附近的空间,输出当前最优个体;利用最小二乘法进行第二阶段反演,将遗传算法得到的当前最优个体作为初始模型,在最优解附近空间执行高效率的局部线性搜索,最终实现地电结构的三维成像.最后,开展了合成数据与实际工程算例验证,与传统最小二乘方法进行了对比,发现混合反演方法在压制多解性、摆脱初始模型依赖和提高反演效果方面有较好效果.     

Seismic traveltime inversion of 3D velocity model with triangulated interfaces

Seismic traveltime tomographic inversion has played an important role in detecting the internal structure of the solid earth. We use a set of blocks to approximate geologically complex media that cannot be well described by layered models or cells. The geological body is described as an aggregate of arbitrarily shaped blocks, which are separated by triangulated interfaces. We can describe the media as homogenous or heterogeneous in each block. We define the velocities at the given rectangle grid points for each block, and the heterogeneous velocities in each block can be calculated by a linear interpolation algorithm. The parameters of the velocity grid positions are independent of the model parameterization, which is advantageous in the joint inversion of the velocities and the node depths of an interface. We implement a segmentally iterative ray tracer to calculate traveltimes in the 3D heterogeneous block models. The damped least squares method is employed in seismic traveltime inversion, which includes the partial derivatives of traveltime with respect to the depths of nodes in the triangulated interfaces and velocities defined in rectangular grids. The numerical tests indicate that the node depths of a triangulated interface and homogeneous velocity distributions can be well inverted in a stratified model.     

基于拟态有限体积法的频率域可控源三维正演计算

大规模地球物理电磁数据的定量解释需要发展高效、稳定的三维正反演算法.本文通过求解离散化的三维电场矢量Helmholtz方程,实现了基于有限体积法的频率域可控源电磁(CSEM)三维正演算法.为模拟具有强电性差异的三维电性介质,该算法采用拟态有限体积法(MFV)对Maxwell方程组进行离散化;另外,为获得稳定、高精度的正演数值结果,采用直接矩阵分解技术来求解离散所得到的大型稀疏线性方程组.对于具有多个发射源的CSEM测量来说,一次矩阵分解结果能够用于同频率下所有场源的正演计算.为降低场源奇异性及边界条件对数值精度的影响,采用虚拟场源校正技术,避免了散射场公式中在构建场源项时所需的大量时间.对于具有多个频率的CSEM的模拟计算,采用分频并行策略来加快三维正演计算.最后,通过与一维层状模型及三维模型的数值结果的对比验证了本文所开发的正演算法对频率域CSEM模拟计算的准确性及有效性,表明该正演算法能够有效应用于三维介质的数值计算.另外,对于多频率CSEM的并行测试结果表明基于分频并行策略的并行计算能够显著地降低正演计算时间.     

基于照明补偿的单程波最小二乘偏移

最小二乘偏移是一种基于反射地震数据与地下反射率间线性关系而建立起来的地震数据线性反演方法,相比常规偏移成像具有更好的保幅性能.本文提出了一种基于照明补偿的单程波最小二乘偏移方法,首先利用单程波方程的稳定Born近似广义屏波场传播算子构建反射地震数据与地下反射率间的线性算子,然后再应用线性最优化方法求解最小二乘偏移所对应的线性反问题.在迭代求解最优化问题的过程中,以地震波场的地下照明强度作为迭代反演的预条件算子加快迭代的收敛速度.单程波传播过程中考虑了速度分界面产生的透射效应,并用单极震源代替常规偏移中的偶极震源.把本文提出的方法应用于层状理论模型和Marmosi模型地震数据的数值试验中均取得了理想的结果.     

模拟退火方法在三维速度模型地震波走时反演中的应用

采用块状建模以及三角形拼接的界面描述方式,并通过立方体速度网格线性插值获得块体内部的速度分布。正演过程中采用逐段迭代射线追踪方法计算三维复杂地质模型中的射线走时,并采用模拟退火方法进行了三维模型中的地震波走时反演研究。模型测试结果表明,使用的射线追踪和走时反演算法有效。     

时间二阶积分波场的全波形反演

通过对波场的时间二阶积分运算以增强地震数据中的低频成分,提出了一种可有效减小对初始速度模型依赖性的地震数据全波形反演方法—时间二阶积分波场的全波形反演方法.根据散射理论中的散射波场传播方程,推导出时间二阶积分散射波场的传播方程,再利用一阶Born近似对时间二阶积分散射波场传播方程进行线性化.在时间二阶积分散射波场传播方程的基础上,利用散射波场反演地下散射源分布,再利用波场模拟的方法构建地下入射波场,然后根据时间二阶积分散射波场线性传播方程中散射波场与入射波场、速度扰动间的线性关系,应用类似偏移成像的公式得到速度扰动的估计,以此建立时间二阶积分波场的全波形迭代反演方法.最后把时间二阶积分波场的全波形反演结果作为常规全波形反演的初始模型可有效地减小地震波场全波形反演对初始模型的依赖性.应用于Marmousi模型的全频带合成数据和缺失4Hz以下频谱成分的缺低频合成数据验证所提出的全波形反演方法的正确性和有效性,数值试验显示缺失4Hz以下频谱成分数据的反演结果与全频带数据的反演结果没有明显差异.     

频率域波动方程正演基于多重网格预条件的迭代算法研究

频率域全波形反演是重要的地震成像方法,而频率域波动方程数值模拟是频率域全波形反演的基础.对于大规模的问题,由于受存储和计算量的限制,基于LU分解的直接方法一般不再适用,而是采用迭代方法.基于多重网格预条件的双共轭梯度稳定化方法是一种重要的迭代方法.本文重点讨论了多重网格预条件求解过程中的松弛因子选择方法,研究结果表明,(1)对于一般选取的松弛因子,随模型复杂性的增加,所能计算的重数逐渐下降,方法的实用性也随之下降;(2)对于复杂模型,采用局部模式分析方法选取松弛因子,提高了所能计算的重数,保证了多重网格方法的收敛性和实用性.这些研究成果对基于多重网格预条件的迭代算法的实际应用具有重要意义.     

复杂地形三维直流电阻率有限元数值模拟

系统地论述了用有限单元法研究复杂地形条件下三维直流电阻率的正演计算技术.首先给出了三维构造中点源电场的边值问题以及相应的变分问题;然后利用有限单元法求解变分问题,采用四面体单元对研究区域进行剖分,在单元中进行三线性函数插值,将变分方程化为线性代数方程组;最后,考虑到节约计算时间,利用对称超松弛顸条件共轭梯度迭代算法求解大型线性方程组,得到了各节点的电位值,进而计算出地表的视电阻率.通过理论模型的计算检验了算法的可行性之后,给出了几种常见纯地形异常的数值模拟结果和一个组合模型的计算结果,其研究工作为研究三维直流电阻率反演奠定了基础.