初至波层析成像正演模拟中多发多收模式计算方法研究

初至波层析成像正演模拟中的多发多收模式计算,常规正演模拟方法是将其简单地分解为多个单发多收模式的计算.对于发射点和接收点分别位于模型对边的情况,如井间地震层析成像,常规方法存在较多的无效计算,计算效率偏低.针对这一问题,本文基于互换原理及费马原理,提出了改进计算方法:利用少量发射点至各接收点的最小走时路径确定其他发射点至各接收点最短走时路径所在区域,减少了无效计算,提高了层析成像正演模拟的计算效率.数值算例表明:对于射线追踪算法为最短路径法的情况,改进方法的计算效率是常规正演模拟方法的2倍左右.     

基于图形结构的三维射线追踪方法

在地震层析成像研究中,为了克服最小走时射线路径追踪方法存在的问题,对该方法计算过程中的关键步骤进行了改进．在节点走时的计算中引入Ｂｒｅｓｅｎｈａｍ画线算法;在最小走时节点查寻中,结合使用快速排序算法与插入排序算法,替代以往方法中多采用的堆排序算法;所采用的节点设置方式,可以引入速度界面,还可以实现反射波射线追踪．模型计算证明,改进的最小走时射线路径方法具有精度高,速度快的特点,所提出的三维空间反射波射线追踪算法简便易行。     

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.     

横向各向同性介质中地震波走时模拟

横向各向同性介质是地球内部广泛分布的一种各向异性介质.针对这种介质,我们对各向同性介质的最小走时树走时模拟方法进行了推广,推广后的方法可适用于非均匀、对称轴任意倾斜的横向各向同性介质模型.为保证计算效率,最小走时树的构建采用了一种子波传播区域随地震波传播动态变化的改进算法.对于弱各向异性介质,我们使用了一种新的地震波群速度近似表示方法,该方法基于用射线角近似表示相角的思想,对3种地震波（qP, qSV和qSH）均有较好的精度.应用本文地震波走时模拟方法对均匀介质、横向非均匀介质模型进行了计算,并将后者结果与弹性波方程有限元方法的模拟结果进行了对比,结果表明两者符合得很好.本文方法可用于横向各向同性介质的深度偏移及地震层析成像的深入研究.     

有序波前重建法的射线追踪

建立了一种新的计算最小走时和射线路径的方法——有序波前重建法. 文中算法按照波前面的实际扩展顺序外推计算走时，采用以计算点为中心的走时计算策略，直接记录计算点获取最小走时的前一节点坐标，同步计算最小走时和射线路径，得到一种全局算法. 该方法具有原理简单、易于实现、不受介质速度差异大小限制、计算速度快等优点. 数值实验表明有序波前重建法具有较高的计算精度和运行效率.     

水平层状VTI介质高效射线追踪计算方法

准确、快速计算水平层状VTI(vertical transverse isotropic)介质的走时和射线路径是实现VTI介质地震叠前时间偏移和微地震监测速度建模的基础.水平层状VTI介质射线追踪的常用算法包括打靶法和最短路径法.打靶法原理简单、实现容易,但在长偏移距时存在微小初射角度变化导致射线路径巨大扰动的问题;最短路径法原理直观,但需要沿射线群速度方向(群角)计算走时,计算特定群角对应的群速度值需要先搜索对应的相速度角度(相角),显著降低了计算效率.本文综合打靶法和最短路径法的优点,从震源同时出射一系列射线,以这些射线到达界面的交点构成稀疏的网格节点,自适应加密实现检波点周围网格节点间距高于精度要求,采用插值算法获得检波点的走时和动态网格方法获得不位于网格节点上的检波点的射线路径.本文方法严格计算已知相角对应的群角和群速度,未使用弱各向异性群速度近似公式,适用于任意强度各向异性VTI介质qP、qSV和qSH直达波和反射波射线追踪;以相角确定震源出射射线,不用遍历群角和群速度对应关系.同传统最短路径方法的数值实验对比表明本文方法具有高精度和高效性,非常适合于需要多次正演计算的地震叠...     

一种改进的线性走时插值射线追踪算法

线性走时插值法（LTI）在走时的计算中,由于射线方向考虑不全,计算得到的节点走时不一定最小,导致追踪的射线路径无法满足最小走时.针对这一问题,本文提出了一种改进的射线追踪算法,通过采用多方向的循环计算,得到所有计算节点的最小走时,使追踪到的射线路径能真正满足最小走时,以确保射线追踪的精度.模拟实验结果表明,在介质速度变化剧烈的结构中,该算法与传统的LTI算法相比,有效地提高了射线追踪的精度.     

基于三维层状介质模型地震层析成像正演网格研究

地震层析成像技术是研究地层速度结构的一个重要手段,该技术是利用震源到接收点的地震波走时或波形的观测数据,结合建立的数学物理模型来重建地层速度结构。而层析成像正演模拟的精度将直接影响反演出的速度与地层真实速度的拟合度,因此找出一种精度较高的层析成像正演模拟算法是非常重要的。本文针对三维层状介质,通过网格化模型,采用最小走时射线追踪方法展开层析成像正演研究,分别采用三角形网格、矩形网格和六边形网格进行模型参数化,并对比分析各自正演结果的精度,总结出针对三维层状介质模型的最佳网格划分方式。      

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.      

任意介质中的动态规划法地震波三维走时计算

任意介质中的地震波三维走时计算是复杂介质情况下Kirchhoff积分法三维叠前深度偏移及走时层析成像的核心.走时算法的效率及精度决定了成像方法的应用范围及效果,对复杂地质构造区域的地震波成像时需要有稳健的走时计算方法.本文把Schneider等提出的用动态规划法计算二维任意复杂介质中走时的方法推广到三维.此方法的核心是构造从源点到当前计算点的平均慢度,基于Fermat原理,用球面波近似导出走时计算所用的公式,并用动态规划法搜索到达当前计算点的初至走时.它适用于任意复杂的介质情况,对速度差异没有限制,计算过程中考虑到各个可能的方向到达当前计算点的初至波.首波及回转波的初至走时也能正确地计算出来.各种理论速度模型上的走时计算及胜利油田某探区的三维叠前深度偏移的成功实践验证了方法的正确性.     

起伏地表条件下各向异性地震波最短路径射线追踪

在地震波正反演研究中,考虑起伏地表和地震各向异性具有非常重要的理论意义和实际应用价值.本文在前人研究的基础上,将最短路径追踪算法引入到起伏地表各向异性介质模型的地震波走时计算中.模型剖分时,整体模型划分成正方形单元,起伏边界附近以不规则网格逼近,进而采用非规则节点布置实现非规则网格处的最短路径计算.追踪计算中采用Sena群速度近似公式,得到各向异性地震波的走时,实现了复杂地表情况下各向异性介质模型中地震波的射线追踪.理论模型计算结果显示,本文方法能够可靠地应用于复杂各向异性介质模型,具有较高的计算精度.     

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.     

基于LTI和网格界面剖分的三维地震射线追踪算法

将二维线性走时插值射线追踪算法(LTI)推广应用至三维模型,并结合网格界面剖分方式,提出了一种三维射线追踪算法．该算法既可获得高精度的全局最小走时和射线路径,又具有快速稳定的特点．三维模型计算结果表明,在模型参数包括网格密度完全相同情况下,本文算法较传统的三维最短路径算法在计算效率、走时和射线的计算精度上均有明显改进．     

A hybrid approach to compute seismic travel times in three-dimensional tetrahedral meshes

We propose an optimized method to compute travel times for seismic inversion problems. It is a hybrid method combining several approaches to deal with travel time computation accuracy in unstructured meshes based on tetrahedral elementary cells. As in the linear travel time interpolation method, the proposed approach computes travel times using seismic ray paths. The method operates in two sequential steps: At a first stage, travel times are computed for all nodes of the mesh using a modified version of the shortest path method. The difference with the standard version is that additional secondary nodes (called tertiary nodes) are added temporarily around seismic sources in order to improve accuracy with a reasonable increase in computational cost. During the second step, the steepest travel time gradient method is used to trace back ray paths for each source–receiver pair. Travel times at each receiver are then recomputed using slowness values at the intersection points between the ray path and the traversed cells. A number of numerical tests with an array of different velocity models, mesh resolutions and mesh topologies have been carried out. These tests showed that an average relative error in the order of 0.1% can be achieved at a computational cost that is suitable for travel time inversion.     

谱比法地震衰减层析反演方法研究

由于地下介质对地震波能量有强烈的吸收作用,降低了地震资料的分辨率以及地震资料处理、解释的精度,因此选择合适的参数对地层吸收衰减情况进行有效描述是对地下构造进行高分辨率、高精度处理及解释的有效途径。目前品质因子Q是对岩石弹性参数进行有效描述的重要参数之一。用品质因子Q来衡量地震波能量在介质中传播的吸收衰减情况,是目前提高地震资料分辨率的有效方法,同时也是提高含油气地层解释精度的有效途径。近些年,许多学者提出了多种计算Q值的方法,其中谱比法是在实际中应用最为广泛的Q值估计方法。本文在前人方法的基础上,对谱比法进行了改进,并结合走时层析方法反演Q值,充分利用谱比法在精度、稳定性等方面的优势以及走时层析方法计算效率高的优点,不仅可以提高反演的精度而且能够保证反演的稳定性,提高计算效率。通过模型试算证明谱比法衰减层析方法能有效估计Q值变化情况,具有较好的发展前景。      

黏弹性叠前时间偏移:陡倾角构造成像与实际应用

黏弹性叠前时间偏移通过在偏移过程中补偿地球介质的吸收衰减,恢复被衰减的高频成分,进而获得较常规叠前时间偏移更高分辨率的偏移成像结果.相比于常规叠前时间偏移,该方法实现环节包含的频率域积分产生的巨大计算量,需要基于GPU加速实现才能满足工业应用对其计算效率的需求.本文针对黏弹性叠前时间偏移算法实现的这一特点,提出了修正其走时计算方法精度和应用分时段的频率域成像策略,在进一步提升计算效率的同时,改进了该方法对陡倾角构造和断层的成像效果.我们将改进的黏弹性叠前时间偏移方法应用于三维陆上地震资料,与现行的商业偏移软件对比表明,该方法不仅获得了更高分辨率的成像结果,也实现了对断层和陡倾角构造的清晰成像,而新方法的计算耗时也较改进前减少了三分之一以上.     

Seismic ray path variations in a 3D global velocity model

A three-dimensional (3D) ray tracing technique is used to investigate ray path variations of P, PcP, pP and PP phases in a global tomographic model with P wave velocity changing in three dimensions and with lateral depth variations of the Moho, 410 and 660 km discontinuities. The results show that ray paths in the 3D velocity model deviate considerably from those in the average 1D model. For a PcP wave in Western Pacific to East Asia where the high-velocity (1-2%) Pacific slab is subducting beneath the Eurasian continent, the ray path change amounts to 27 km. For a PcP ray in South Pacific where very slow (−2%) velocity anomalies (the Pacific superplume) exist in the whole mantle, the maximum ray path deviation amounts to 77 km. Ray paths of other phases (P, pP, PP) are also displaced by tens of kilometers. Changes in travel time are as large as 3.9 s. These results suggest that although the maximal velocity anomalies of the global tomographic model are only 1-2%, rays passing through regions with strong lateral heterogeneity (in velocity and/or discontinuity topography) can have significant deviations from those in a 1D model because rays have very long trajectories in the global case. If the blocks or grid nodes adopted for inversion are relatively large (3-5°) and only a low-resolution 3D model is estimated, 1D ray tracing may be feasible. But if fine blocks or grid nodes are used to determine a high-resolution model, 3D ray tracing becomes necessary and important for the global tomography.     

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。