变阻尼约束层析成像及其在VSP资料中的应用(英文)

初至波走时层析成像已经取得了广泛的应用,然而,由于观测系统的限制,射线在模型中分布不均匀,导致层析结果的分辨能力不足。变阻尼约束方法应用不均匀的先验信息来匹配不均匀的数据分布,可以减小速度模型校正量与射线覆盖程度的相关性。本文将变阻尼约束方法应用于初至波旅行时层析成像中,并将平滑约束方法加入正则化方程组中来避免单独使用变阻尼约束带来的不稳定性,利用阿尔法滤波器对反演中间迭代结果进行平滑和去噪,采用LSQR算法求解线性方程组来提高收敛速度和压制误差传递。本文应用上述层析成像算法对VSP观测系统进行速度反演,分别应用于检测板速度模型数据和实际VSP资料速度反演中,结果表咀变阻尼约束层析成像可以改善射线不均匀覆盖带来的影响,从而提高速度反演结果的质量;VSP资料检波点附近的速度反演结果可靠性高。     

电离层层析重构的一种新算法

自适应联合迭代重构算法是电离层层析成像中一种收敛速度较快的反演算法.然而,在电离层电子密度重构过程中,该方法对迭代初值的精度要求较高.针对上述问题,本文提出了一种约束自适应联合迭代重构算法,该方法通过附加合理的平滑约束,减弱了没有观测信息的格网对迭代初值精度的依赖性,有效地提高了反演结果精度.数值模拟实验和实测数据的反演结果证实了该算法的可行性和在重构精度上的优越性.     

反射地震层析成像在海洋天然气水合物储层识别中的应用

海底地层速度结构是识别海洋天然气水合物储层的直接依据,本文应用地震反射走时层析成像建立了海底地层速度模型.采用不规则网格对模型进行离散化,使速度单元与反射界面单元完全耦合;利用基于不规则单元波前扩展和走时插值的射线追踪方法,精确确定反射射线路径和反射波走时;在反演中同时使用先验约束、平滑约束、归一化和正则化技术,提高了层析反演的稳定性和结果的可靠性.对南海北部神狐海域SH2井附近的二维地震测线资料,利用多域人机交互法拾取了反射走时,用反射走时层析成像方法获得了SH2井附近含水合物目标区的速度结构.该反演结果与测井声波速度和钻探结果一致,其中的高速带对应水合物储层,表明反射走时层析成像能够有效地得到海洋天然气水合物储层的速度结构,为海洋天然气水合物储层识别提供依据.     

平行巷道条带异常体在透射槽波层析成像中造成的假象

近年来透射法槽波地震勘探技术在煤矿勘探领域取得广泛应用,该技术依据槽波频散特征,对特定频率下槽波走时进行层析速度反演成像,在煤层厚度探测方面效果明显.由于煤矿巷道施工的特殊性,震源和检波器布置在巷帮煤层中,观测系统多采用两边式或三边式,导致槽波传播角度有限,容易对层析成像造成误差.在层析正演中采用最短路径与射线弯曲法联合,兼顾走时计算的精度和效率,在层析反演中进行正则化约束,利用平滑和阻尼因子提高算法的精度.通过对大量模型进行正反演发现,当煤层中存在垂直巷道异常体或局部异常体时,透射槽波层析反演不存在假象;当存在平行巷道的条带异常体时,层析结果出现交叉状速度异常假象.这是由于透射槽波采集得到的走时不受异常体位置影响,高值区在平面上表现为交叉型,导致层析反演出现假象.实际勘探施工条件允许情况下,可在煤层工作面四周布置震源和检波器消除这类假象.     

菲涅耳体地震层析成像分辨率研究

层析成像分辨率的研究,不仅可以帮助分析层析方法的反演能力,评价层析反演的效果,还可以帮助指导层析参数设置,优化观测系统设计等.本文对比研究了前人提出的两种菲涅耳体层析成像分辨率的计算方法,并针对其存在的问题进行了优化.文中通过对二维理论模型的定量计算,总结了菲涅耳体地震层析成像分辨率的一些规律,并将其与射线层析的分辨率进行了对比.文中最后给出分辨率研究对观测系统与层析成像的指导作用,尤其是对层析中平滑窗设置、变网格层析中模型剖分原则给出了具体的建议.     

基于角道集的各向异性全局走时层析反演方法

当今的油气勘探工作中,叠前深度偏移成像技术由于其高精度的优点在工业中得到了广泛应用.然而,叠前深度偏移成像质量依赖于速度模型的精度,层析速度反演是实际生产中最常用的速度反演方法之一,传统的全局网格层析反演方法属于反射波层析.它虽然可以全局行反演,但浅层速度的准确性远不如初至波层析反演,并且忽略了误差由浅层至深层的积累以及地下介质的各向异性.除此之外,在缺少层位约束的情况下很难还原出速度模型本来的形态.而基于“层剥离”的各向异性层析反演方法虽然可以减小误差的积累,但其反演效率也大大降低.为此,本文提出了一种基于角道集的各向异性全局层位约束的走时层析反演方法,在计算累计误差的同时全局更新速度模型,并将初至波层析反演出的浅层速度模型融合到了初始速度模型中,提高了模型精度以及全局层析的效率.简单模型试算结果证明了方法的正确性,复杂模型试算结果证明了适用性.     

基于MSFM的复杂近地表模型走时计算

地震走时层析成像方法是解决复杂近地表模型速度建模问题的重要技术.该方法是一种迭代反演方法,在反演过程中需要反复计算地震射线走时.故而,高效高精度且能适应复杂模型的走时计算方法是地震走时层析成像实用化的关键技术之一.本文引入医学成像领域研究的MSFM(Multi-stencils Fast Marching Methods)用于地震层析反演中的走时计算.该方法在标准FMM(Fast Marching Methods)基础上利用坐标旋转生成新的FMM计算模板,使计算网格点对角方向邻点参与计算,改善了标准FMM存在对角方向误差大的缺陷.本文分析对比了MSFM和标准FMM的计算精度和计算效率;针对地震层析成像技术解决的起伏地表模型建模问题,研究了起伏地表模型地震走时计算的MSFM实现方法;采用炮点邻近区域局部细分网格技术只需增加很少的计算量即可大幅提高计算精度.理论分析和模型试算表明MSFM算法明显改善了FMM的计算精度,同时保持了FMM算法的高效性.文章通过对崎岖地表模型的正演和层析反演试算,验证了基于MSFM的地震走时计算方法对复杂模型有很强的适应能力.研究表明该方法作为地震走时层析反演中高效高精度的正演算法,有很好的应用价值.     

基于选权拟合法的电离层电子密度层析重构

附加约束的电离层层析算法是解决电离层电子密度反演中不适定问题的主要方法,为避免此类方法中约束权阵的选取不当对电子密度分布重构产生的不良影响,本文将选权拟合法应用到电离层层析成像技术中.该方法特别设计了依据电子密度空间分布特性构造参数权矩阵的方案.新方法有明确的物理意义,挖掘了隐含的信息量,为解决电离层电子密度反演中由于观测数据的不足等因素引起的不适定问题提供了一种新途径,可以得到符合客观实际的结果.数值模拟实验和实测数据的反演结果证实了该算法有效性、可靠性和优越性.     

顾及电离层变化的层析反演新算法

区别于以往GPS电离层层析研究主要关注迭代模型的思路,本文从两方面入手提高GPS电离层层析迭代算法的反演精度:一方面,顾及传统电离层层析迭代模型仅与对电子密度误差起放大作用的GPS射线截距权重相关的不足,提出考虑层析像素格网中的电子密度对GPS TEC的贡献建立新的迭代模型,在不同电子密度像素格网内重新分配GPS TEC 实测值与其反演值之间的差距;另一方面,顾及电离层层析迭代算法中松弛因子对反演结果的影响,提出考虑电子密度变化构造新的松弛因子,抑制传播噪声对电子密度反演精度的影响.实验结果显示,相对于传统代数重构算法(ART),新方法反演的电离层电子密度剖面更接近于电离层测高仪观测的电子密度剖面,提高了电子密度反演精度.     

基于构造约束的波阻抗边界刻画

通过边界保护正则化和约束反演,在反演的目标函数中引入各种先验信息约束,以解决波阻抗反演的病态问题和带限问题.为了克服波阻抗模型边界过于平滑,在反演中引入地层和断层等构造信息约束,并且通过调整地层分界面和断层处的正则参数值来实现构造约束.此外,采用各向异性扩散法进行平滑处理,改善反演结果.通过合成数据测试和实际资料反演,证明了本文提出的方法对刻画模型边界是有效的.     

基于FFT-MA谱模拟的快速随机反演方法研究

虽然基于地质统计学的随机反演方法能够有效融合测井资料中的高频信息,但计算效率低,占用内存大,限制了它在实际资料中的应用.本文在保留传统随机反演方法优点的基础上,创造性地引入傅里叶滑动平均(Fast Fourier Transform-Moving Average, FFT-MA)谱模拟进行频率域的地质统计模拟,并利用逐步变形算法(Gradual Deformation Method,GDM)确保模拟结果与实际地震数据的匹配,构建了基于FFT-MA谱模拟的新的快速随机反演方法.与常规随机反演相比,新方法不仅分辨率高,而且能够使反演解得到快速收敛,有效提高计算效率,减少内存占用.模型试算获得了与理论模型吻合度较好的高分辨率反演结果.实际资料分析也表明新方法所得到的高分辨率反演结果能够对薄互储层进行良好的展示,为薄储层的识别提供高效可靠的技术支持.     

边界积分方程用于电阻率Zohdy反演的初步研究

研究利用边界积分方程进行电阻率Ｚｏｈｄｙ反演的有关技术,结果表明在探测区域划分为数千个单元的情况下,为节省正、反演过程中所需要的计算机内存和 ＣＰＵ时间,可采取以下措施：（１）假定电位分块线性变化,可以使节点数目显著减少,这里每一块都包含若干个单元;（２）利用边界积分方程的特点,可事先计算并存储所有必要的边界积分值,供每一步迭代中调用;（３）利用边界积分方程所特有的数值延拓功能,可以进一步减少节点数目．为了说明这些手段的有效性,先给出了一个数值模拟成像结果,它清楚地表明基于边界积分方程的电阻率 Ｚｏｈｄｙ反演是快速而有效的,然后给出一个实测剖面的成像实例,成像结果经钻孔检验正确．     

边界积分方程用于电阻率Zohdy反演的初步研究

研究利用边界积分方程进行电阻率Ｚｏｈｄｙ反演的有关技术,结果表明在探测区域划分为数千个单元的情况下,为节省正、反演过程中所需要的计算机内存和 ＣＰＵ时间,可采取以下措施：（１）假定电位分块线性变化,可以使节点数目显著减少,这里每一块都包含若干个单元;（２）利用边界积分方程的特点,可事先计算并存储所有必要的边界积分值,供每一步迭代中调用;（３）利用边界积分方程所特有的数值延拓功能,可以进一步减少节点数目．为了说明这些手段的有效性,先给出了一个数值模拟成像结果,它清楚地表明基于边界积分方程的电阻率 Ｚｏｈｄｙ反演是快速而有效的,然后给出一个实测剖面的成像实例,成像结果经钻孔检验正确．     

基于伴随方法的线性台阵背景噪声面波和远震体波联合成像研究

伴随层析成像（Adjoint Tomography）通过求解全波方程来准确模拟地震波在复杂介质中的传播,并利用波形信息来反演地下结构,是新一代的高分辨率成像方法.其中3-D伴随层析成像需要庞大的计算资源,而2-D反演相对更具计算效率.面波和远震体波是研究地壳上地幔速度结构的重要方法,它们对S波速度及Moho面的敏感度不同,通过联合反演,可以得到更为准确的S波速度结构及Moho面.通过两种数据的高度互补性,本文提出基于伴随方法的线性台阵背景噪声面波和远震体波联合成像方法,同时约束台阵下方S波速度结构及Moho面形态.我们将该方法应用到符合华北克拉通岩石圈典型结构特征的理论模型上,测试结果表明联合反演方法优势明显,相比于面波伴随层析成像,能获得更高分辨率的S波速度结构,同时能精准约束Moho面形态.相比于体波伴随层析成像,联合反演能有效压制高频假象,降低波形反演过程中的非线性化程度.本研究有望提供一种更为高效精准的线性台阵成像方法,搭建联合伴随层析成像理论框架,提升岩石圈成像分辨率,并为后续其他类型波形数据的引入提供思路和方法.

     

基于伴随方法的线性台阵背景噪声面波和远震体波联合成像研究

伴随层析成像（Adjoint Tomography）通过求解全波方程来准确模拟地震波在复杂介质中的传播,并利用波形信息来反演地下结构,是新一代的高分辨率成像方法.其中3-D伴随层析成像需要庞大的计算资源,而2-D反演相对更具计算效率.面波和远震体波是研究地壳上地幔速度结构的重要方法,它们对S波速度及Moho面的敏感度不同,通过联合反演,可以得到更为准确的S波速度结构及Moho面.通过两种数据的高度互补性,本文提出基于伴随方法的线性台阵背景噪声面波和远震体波联合成像方法,同时约束台阵下方S波速度结构及Moho面形态.我们将该方法应用到符合华北克拉通岩石圈典型结构特征的理论模型上,测试结果表明联合反演方法优势明显,相比于面波伴随层析成像,能获得更高分辨率的S波速度结构,同时能精准约束Moho面形态.相比于体波伴随层析成像,联合反演能有效压制高频假象,降低波形反演过程中的非线性化程度.本研究有望提供一种更为高效精准的线性台阵成像方法,搭建联合伴随层析成像理论框架,提升岩石圈成像分辨率,并为后续其他类型波形数据的引入提供思路和方法.     

Application of stochastic inversion in auroral tomography

A software package originally developed for satellite radio tomography is briefly introduced and its use in two-dimensional auroral tomography is described. The method is based on stochastic inversion, i.e. finding the most probable values of the unknown volume emission rates once the optical measurements are made using either a scanning photometer or an auroral camera. A set of simulation results is shown for a different number and separations of optical instruments at ground level. It is observed that arcs with a thickness of a few kilometers and separated by a few tens of kilometers are easily reconstructed. The maximum values of the inversion results, however, are often weaker than in the model. The most obvious reason for this is the grid size, which cannot be much smaller than the arc thickness. The grid necessarily generates a spatial averaging effect broadening the arc crosssections and reducing the peak values. Finally, results from TV-camera observations at Tromsø and Esrange are shown. Although these sites are separated by more than 200 km, arcs close to Tromsø have been successfully reconstructed.     

Stochastic inverse method for estimation of geostatistical representation of hydrogeologic stratigraphy using borehole logs and pressure observations

An approach is presented for identifying statistical characteristics of stratigraphies from borehole and hydraulic data. The approach employs a Markov-chain based geostatistical framework in a stochastic inversion. Borehole data provide information on the stratigraphy while pressure and flux data provide information on the hydraulic performance of the medium. The use of Markov-chain geostatistics as opposed to covariance-based geostatistics can provide a more easily interpreted model geologically and geometrically. The approach hinges on the use of mean facies lengths (negative inverse auto-transition rates) and mean transition lengths (inverse cross-transition rates) as adjustable parameters in the stochastic inversion. Along with an unconstrained Markov-chain model, simplifying constraints to the Markov-chain model, including (1) proportionally-random and (2) symmetric spatial correlations, are evaluated in the stochastic inversion. Sensitivity analyses indicate that the simplifying constraints can facilitate the inversion at the cost of spatial correlation model generality. Inverse analyses demonstrate the feasibility of this approach, indicating that despite some low parameter sensitivities, all adjustable parameters do converge for a sufficient number of ensemble realizations towards their “true” values. This paper extends the approach presented in Harp et al. (doi:, 2008) to (1) statistically characterize the hydraulic response of a geostatistical model, thereby incorporating an uncertainty analysis directly in the inverse method, (2) demonstrate that a gradient-based optimization strategy is sufficient, thereby providing relative computational efficiency compared to global optimization strategies, (3) demonstrate that the approach can be extended to a 3-D analysis, and (4) introduce the use of mean facies lengths and mean transition lengths as adjustable parameters in a geostatistical inversion, thereby allowing the approach to be extended to greater than two category Markov-chain models.     

2000年云南姚安地震余震区的速度和衰减结构层析成像分析

文中根据2000年云南姚安6.5级地震后,流动数字化地震监测台网记录到的地震序列走时和波形资料,采用震源位置和速度结构联合反演的方法,反演了震源区的V_P、V_S和Q_S的三维结构。 层析成像结果显示,姚安6.5级地震发生在低V_P、高Q_S扰动异常的边缘,大部分余震均发生在高、低V_P、Q_S过渡区域内。 V_P的低值异常表明姚安震区存在一条NWW向断裂带,且异常深度达到10 km左右。 该文通过研究地震序列的分布特征并结合震源区速度结构和衰减结构的特点,进一步探讨了姚安地震的发震构造。     

地震面波频散的层析成像

本文较详细地介绍了群速度频散测定的多重滤波法,以及ＬＳＱＲ反演方法运用于网格频散反演和地球内部结构反演的地震面波频散的层析成像方法。给出了计算程序框图及数值模拟结果     

On the Performance of Pilot-Point Based Hydraulic Tomography with a Geophysical a Priori Model

We present a novel method to estimate the hydraulic and storage properties of a heterogeneous aquifer system using pilot-point-based hydraulic tomography (HT) inversion in conjunction with a geophysical a priori model. The a priori model involved a soil stratification obtained by combining electrical resistivity tomography inversion and field data from hydrogeological experiments. Pilot-point densities were assigned according to the stratification, which also constrained aquifer parameters during HT inversion. The forward groundwater flow model, HydroGeoSphere, was supplied to the parameter-estimation tool, PEST, to perform HT inversion. The performance of our method was evaluated on a hypothetical, two-dimensional, multi-layered, granitic aquifer system representative of those commonly occurring in the Kandi region in Telangana. Inversion results were compared using two commonly adopted methods of modeling parameter-heterogeneity: (1) using piece-wise zones of property values obtained from geostatistical interpolation of local-scale estimates; and (2) HT inversion starting from a homogeneous parameter field with a uniform distribution of pilot-points. Performances of the inverted models were evaluated by conducting independent pumping tests and statistical analyses (using a Taylor diagram) of the model-to-measurement discrepancies in drawdowns. Our results showed that using the aforementioned geophysical a priori model could improve the parameter-estimation process.