二维复杂层状介质中地震多波走时联合反演成像

采用新近提出的多次波射线追踪正演算法,结合共轭梯度法求解带约束的阻尼最小二乘最优化反演问题,分析讨论了利用多震相走时资料进行联合反演成像的方法及技术.考虑到不同震相走时的拾取误差不同,反演算法中引入了不同震相种类数据的权系数; 由于同时反演速度模型和反射界面起伏中不同模型参数变化对走时影响程度的不同, Jacobi偏导矩阵元素中引入了不同参数的归一化因子; 另外,为了克服射线密度过大(或过小)区域速度模型的过度(或欠)更新问题,反演算法中引入了等权射线密度的概念.几种数值模拟实例表明(含噪声敏感性试验): 多波走时的联合或同时反演成像技术是一种提高走时成像空间分辨率,进而降低重建模型失真度行之有效的方法.     

基于MCMC的叠前地震反演方法研究

马尔科夫链蒙特卡洛方法(MCMC)是一种启发式的全局寻优算法[1].它在贝叶斯框架下,利用已有资料进行约束,既可使最优解满足参数的统计特性,又通过融入的先验信息,提高解的精度;寻优过程可跳出局部最优,得到全局最优解.利用MCMC方法,可以得到大量来自于后验概率分布的样本,不仅可以得到每个未知参数的估计值,而且可以得到与之相关的各种不确定性信息.此外,由于算法并不是利用有单一最优解的目标函数,所以结果对初始值的依赖不强.通过对简单一维层状介质模型的处理,和实际资料的应用,说明利用基于Metropolis-Hastings算法的MCMC方法进行地震反演,通过对解空间的随机搜索能够得到较好的效果.     

ART算法的改进及其应用—面波Q值反演

对地球物理学中常用的反演方法在算法上作了一些改进,使得计算速度大为提高,并使计算机占用的内存减少到改进前的几分之一,从而避免了原来由于身线或者反演的块数过多而不能计算的问题。     

采空区地震与电法探测数据的联合反演研究及应用

综合地球物理技术在采空区的探测中发挥了重要作用.目前通常采用单方法反演、仅对不同方法反演结果进行对比解释的综合勘探方式,单方法反演的多解性严重降低了其探测精度.如何提高采空区的探测精度,对采空区进行有效探测一直被认为是地球物理技术面临的首要难题.为了提高地震与电法技术的探测精度,基于交叉梯度联合反演理论,设计了地震初至折射走时数据和高密度电法数据的联合反演算法流程,对采空区理论模型和野外实际数据进行了联合反演处理.结果发现通过两者的联合反演,不仅可以提高采空区电阻率反演模型的成像效果,而且能够获得地震单方法反演难以成像的采空区低速异常体,从而提高了地震与电法技术对采空区的探测精度.表明地震与电法探测数据联合反演是一种提高采空区探测精度的有效方法.     

三维复杂层状介质中多震相走时联合反演成像

采用新近提出的改进型不规则最短路径多次波射线追踪正演技术,结合共轭梯度法求解带约束的阻尼最小二乘最优化反演问题,讨论了三维复杂层状模型中利用多震相走时资料进行联合反演成像的技术方法.考虑到不同震相种类走时的拾取误差不同,反演算法中引入了不同震相种类数据的权系数;另外,考虑到同时反演速度模型和反射界面起伏中不同参数变化对走时影响程度的不同, Jacobi偏导矩阵元素中引入了不同种类参数的归一化因子.几种数值模拟实例表明: 多震相走时的联合或同时反演成像是一种提高走时成像空间分辨率,进而降低重建速度模型失真度行之有效的方法技术.     

三维多层介质重力-地震同步联合反演

联合反演是地球物理勘探的重要解释手段,能够提高模型参数的反演精度.本文在归纳和分析重力与地震资料联合反演的研究和应用现状的基础上,利用三维多层介质模型的地震走时和重力正演公式,推导了地震走时和重力异常对界面深度的雅可比矩阵,实现了三维重力-地震同步联合反演界面成像.最后进行了数值理论模型模拟和实例计算,结果表明地震走时和重力同步联合反演很好的重建了三维多层介质界面.     

地震走时与重力数据的联合反演

对目前的地震走时与重力数据联合反演发展进行了简要的概述。首先,从两类数据单独反演的基本原理出发,对两者进行了分析比较,并由两者参数间存在的相互关系,可将两类数据归并、统一到一个系统,合理地进行联合反演。其次,根据目前国内外的相关研究,介绍了当前联合反演的两种算法:依次反演和同时反演。最后,对联合反演中存在的问题进行了讨论。     

1998年临猗5.0级地震Q值的时间变化特征

利用西安数字地震遥测台网记录的数字地震资料,采用P波初动半周期残差法求得了1998年7月临猗5．0级地震前后不同路径的Q值变化,发现在地震发生前Q在87～203之间,震后Q在67～164之间,震前震中区附近出现了明显的高Q值异常。结果表明,地震前的高Q值异常可以作为地震预测的一种手段。     

用平面波延拓方程进行地震数据的叠前速度反演

本文讨论地震勘探数据的叠前速度反演方法及其在海洋地震勘探数据上的反演试验.反演主要的计算步骤是:1.采用Fourier-Hankel变换把球面波分解为平面谐波;2.用平面谐波的延拓方程将上行波与下行波同时向下延拓,并计算每一层底部的反射系数和下一层的波阻抗;3.用最小二乘法从波阻抗中确定该层的声波速度.重复第2步与第3步,直到某一预定深度时结束.通过反演试验,对地震振幅比例的改变,子波变形,以及第1层速度和密度的误差对反演方法的稳定性及其精度的影响进行了分析.还通过实际海洋地震勘探数据的反演试验,对这一方法在地震勘探中的应用前景作了论述.     

2D多尺度非线性地震速度成像

将遗传算法和单纯形算法相结合,得到了一种高效、健全的2D混合地震走时反演方法.把速度场划分为不同的空间尺度,定义网格节点上的速度作为待反演参数,采用双三次样条函数模型参数化,正问题采用有限差分走时计算方法,反问题采用多尺度混合反演方法.首先在较大的空间尺度内反演,然后减小空间尺度,将大尺度的反演结果作为次一级尺度反问题的初始模型,再进行混合反演,如此类推逐次逼近全局最优解.一个低速度异常体的数值模拟试验和抗走时扰动试验表明该方法是有效和健全的.我们将该方法应用到青藏高原东北缘阿尼玛卿缝合带东段上部地壳速度结构研究中,并与前人的成果进行了对比.     

基于FCM聚类约束的直流电阻率法与地震走时成像法二维联合反演

通过引入模糊均值聚类(FCM)模型约束函数对电阻率与速度进行约束,开展二维直流电阻率法与地震初至波走时成像法联合反演研究.在地下浅层结构勘探中,通常低电阻率的地质体具有低速特征,较高电阻率的地质体表现为较高的地震波速度.直流电阻率法因为低电阻率区域吸引电流而对其敏感,地震走时成像法因为射线集中在高波速区而对高速体敏感,因此,两者联合成像能够大幅度提高反演效果.合成数据反演表明,直流电阻率法和地震初至波走时联合反演对于两类地质体的分辨能力均有提升,能够优势互补.尤其是引入FCM模型约束进行联合反演,根据已知物性进行监督学习,进一步提高了反演质量,改善了成像模型的分辨率.

     

叠前地震数据特征波场分解、偏移成像与层析反演

本文提出了一套叠前地震数据稀疏表达(特征波场合成)、深度偏移成像和层析成像的处理流程.不同于传统的变换域中的数据稀疏表达理论, 本文利用局部平面波的传播方向(慢度矢量), 在中心炮检点处同时进行波束合成, 从而将地震数据投影到局部平面波域(高维空间)中.由于波束合成后的地震数据描述了局部平面波的方向特征, 因此称之为特征波场.然而波束合成算法需要估计局部平面波的慢度矢量.当地震数据受噪声干扰时, 难以在常规τ-p谱中自动估计局部平面波的射线参数(慢度矢量).本文提出了基于反演理论的特征波场合成方法, 可以同时反演局部平面波及其传播方向, 从而提高特征波合成的自动化程度并保持方法的稳健性.通过特征波场合成, 可以将地震数据分解为单独的震相(波形).这样的数据可以直接用来成像及反演.在局部平面波域中, 由于局部平面波的入射与出射射线参数已知, 传统的Kirchhoff叠前深度偏移(PSDM)和高斯束/控制束PSDM可以实现从"沿等时面的画弧"到"向反射点(段)的直接投影"的转变, 叠前偏移的效率以及成像质量可以同时提高.此外, 特征波场与地下反射点(段)的一对一映射关系使得叠前深度偏移与层析成像融为一体, 可以极大地提高速度反演的效率.数值试验证明了特征波场合成、叠前深度成像以及层析反演的有效性.     

基于快速非支配排序遗传算法的VTI介质多分量叠前联合反演

在VTI介质中,由于引入了各向异性参数使得多分量多参数地震反演问题的非线性程度显著增加,因此采用传统的权重加权法构建单目标函数进行反演得到的反演结果往往并不理想.本文以反射率法为基础,结合快速非支配排序遗传算法研究了一种VTI介质的多分量叠前联合反演方法.该方法以反射率法为正演方程,应用互相关原理构建PP波和PSV波的多目标函数,进而采用快速非支配排序遗传算法全局寻优获得VTI介质的厚度、纵横波速度、密度和各向异性参数等多个参数.在正演的过程中,反射率法可以考虑几何扩散、吸收衰减、透射损失、多次波以及纵横波旅行时不匹配等地震波传播效应,更能精确地描述地震波在地下地层中的真实传播情况;在反演的过程中,快速非支配排序遗传算法可以在不引入权重系数的条件下同时优化多个目标函数,获得联合反演问题的Pareto最优解,既不添加权重系数影响又充分利用多分量地震数据.模型测试结果验证了该反演方法的有效性和可行性.

     

A fast joint seismic data reconstruction by sparsity‐promoting inversion

Seismic field data are often irregularly or coarsely sampled in space due to acquisition limits. However, complete and regular data need to be acquired in most conventional seismic processing and imaging algorithms. We have developed a fast joint curvelet‐domain seismic data reconstruction method by sparsity‐promoting inversion based on compressive sensing. We have made an attempt to seek a sparse representation of incomplete seismic data by curvelet coefficients and solve sparsity‐promoting problems through an iterative thresholding process to reconstruct the missing data. In conventional iterative thresholding algorithms, the updated reconstruction result of each iteration is obtained by adding the gradient to the previous result and thresholding it. The algorithm is stable and accurate but always requires sufficient iterations. The linearised Bregman method can accelerate the convergence by replacing the previous result with that before thresholding, thus promoting the effective coefficients added to the result. The method is faster than conventional one, but it can cause artefacts near the missing traces while reconstructing small‐amplitude coefficients because some coefficients in the unthresholded results wrongly represent the residual of the data. The key process in the joint curvelet‐domain reconstruction method is that we use both the previous results of the conventional method and the linearised Bregman method to stabilise the reconstruction quality and accelerate the recovery for a while. The acceleration rate is controlled through weighting to adjust the contribution of the acceleration term and the stable term. A fierce acceleration could be performed for the recovery of comparatively small gaps, whereas a mild acceleration is more appropriate when the incomplete data has a large gap of high‐amplitude events. Finally, we carry out a fast and stable recovery using the trade‐off algorithm. Synthetic and field data tests verified that the joint curvelet‐domain reconstruction method can effectively and quickly reconstruct seismic data with missing traces.     

Accurate estimation of acoustic impedance based on spectral inversion

Acoustic impedance is one of the best attributes for seismic interpretation and reservoir characterisation. We present an approach for estimating acoustic impedance accurately from a band‐limited and noisy seismic data. The approach is composed of two stages: inverting for reflectivity from seismic data and then estimating impedance from the reflectivity inverted in the first stage. For the first stage, we achieve a two‐step spectral inversion that locates the positions of reflection coefficients in the first step and determines the amplitudes of the reflection coefficients in the second step under the constraints of the positions located in the first step. For the second stage, we construct an iterative impedance estimation algorithm based on reflectivity. In each iteration, the iterative impedance estimation algorithm estimates the absolute acoustic impedance based on an initial acoustic impedance model that is given by summing the high‐frequency component of acoustic impedance estimated at the last iteration and a low‐frequency component determined in advance using other data. The known low‐frequency component is used to restrict the acoustic impedance variation tendency in each iteration. Examples using one‐ and two‐dimensional synthetic and field seismic data show that the approach is flexible and superior to the conventional spectral inversion and recursive inversion methods for generating more accurate acoustic impedance models.     

重力与地震资料的模拟退火约束联合反演

联合反演是综合地球物理研究的重要定量解释手段.本文在总结和分析重力与地震资料联合反演的研究现状基础上,利用改进的全局寻优的快速模拟退火算法,实现了重力和地震资料的约束同步联合反演.针对性地设计了密度和速度界面不完全一致的模型,理论模型的试验说明了方法的效果和适用性.结合最近完成的广东徐闻地区实际资料的处理和解释,表明该方法可准确确定复杂构造物性界面的密度和速度结构,在该地区的油气勘探中发挥了作用.在先验信息约束下,该联合反演方法要明显优于单独的重力反演.     

Three‐term inversion of prestack seismic data using a weighted l2, 1 mixed norm

We present a new inversion method to estimate, from prestack seismic data, blocky P‐ and S‐wave velocity and density images and the associated sparse reflectivity levels. The method uses the three‐term Aki and Richards approximation to linearise the seismic inversion problem. To this end, we adopt a weighted mixed l_{2, 1}‐norm that promotes structured forms of sparsity, thus leading to blocky solutions in time. In addition, our algorithm incorporates a covariance or scale matrix to simultaneously constrain P‐ and S‐wave velocities and density. This a priori information is obtained by nearby well‐log data. We also include a term containing a low‐frequency background model. The l_{2, 1} mixed norm leads to a convex objective function that can be minimised using proximal algorithms. In particular, we use the fast iterative shrinkage‐thresholding algorithm. A key advantage of this algorithm is that it only requires matrix–vector multiplications and no direct matrix inversion. The latter makes our algorithm numerically stable, easy to apply, and economical in terms of computational cost. Tests on synthetic and field data show that the proposed method, contrarily to conventional l₂‐ or l₁‐norm regularised solutions, is able to provide consistent blocky and/or sparse estimators of P‐ and S‐wave velocities and density from a noisy and limited number of observations.     

基于交叉梯度耦合的大地电磁与地震走时资料三维联合反演

为了有效解决目前大地电磁和地震走时资料单方法反演结果一致性不好的问题,同时克服基于岩石不同物性参数间关系耦合约束联合反演的局限性,本文研究了基于交叉梯度耦合约束的大地电磁与地震走时资料的三维联合反演算法.以较为成熟的天然地震走时资料三维正反演和大地电磁三维正反演算法为基础,实现了具有共同的反演网格,以交叉梯度结构耦合约束,并能同时获得电阻率和速度模型的三维联合反演算法.分别利用单棱柱体模型和双棱柱体模型合成数据进行了联合反演试算.结果表明:无论是单棱柱体模型还是双棱柱体模型,联合反演结果比单独反演对异常体的空间形态都有更好的恢复,其中单棱柱体模型反演的异常体电阻率更接近于真实电阻率,双棱柱体模型的联合反演结果不仅消除了围岩的部分电阻率假异常,而且增强了对异常体深部速度结构特征的恢复程度.联合反演还能同时改善电阻率和速度反向变化异常体的单独反演结果,进一步证明交叉梯度耦合不依赖于岩石物性关系,而强调地下结构的相似性,具有更普遍的适用性.     

常Q滞弹性介质地震波动数值模拟——时域本构优化逼近

在地震波动模拟中计入常Q滞弹性阻尼,可有效降低模拟波形的误差.就时域有限差分和有限元模拟而言,常基于广义标准线性体建立阻尼介质的时域本构逼近.广义标准线性体由若干标准线性体并联得到,增加标准线性体个数能有效提高模拟精度,但计算量及计算存储将成倍增长.目前尚未有普适的标准线性体个数优化取值方案.本文基于广义标准线性体参数的非线性优化拟合方法,详细分析了时域本构逼近误差的影响因素,清楚揭示了逼近误差仅取决于频带宽度,与频带上下限取值无关这一特性,阐明了构建具有普适性标准线性体个数优化取值方案的可行性.论证了波形模拟精度主要取决于波传播距离与模拟波长的比值以及标准线性体的个数取值.综合考虑上述两个控制因素,结合在波动正反演问题中广为采纳的波形时频误差衡量准则,对不同Q值介质给出了标准线性体个数优化取值表.进一步,本文提出采用不同个数标准线性体以近似不同Q值的阻尼介质时域本构,解决了以往波动数值模拟中统一采用相同个数标准线性体而导致的计算量及计算存储浪费或模拟精度低下等问题,并基于数值实验验证了这一方法的精度.本文工作对推进滞弹性介质波动数值模拟及其在全波形反演问题中的应用具有理论价值和实践意义.