二阶Born近似有限频率走时敏感核

有限频率层析成像考虑了非均匀介质中波的散射、衍射、波前愈合等物理性质,使得其对速度异常体的分辨能力远大于射线层析成像.推导和计算有限频率敏感核是进行有限频率层析成像的关键,当前推导有限频率敏感核多借助一阶Born近似,但这只适用于弱散射介质的情况.本文基于二阶Born近似并利用傅里叶变换推导了三维均匀介质情况下有限频率敏感核的解析表达式,并将其推广到非均匀介质中得到了三维非均匀介质中有限频率敏感核.研究表明:当介质中速度扰动小于2%时,基于二阶Born近似的有限频率敏感核与基于一阶Born近似的有限频率敏感核差别很小,可近似认为相同;当介质中速度扰动大于5%时,基于二阶Born近似的有限频率敏感核与基于一阶Born近似的有限频率敏感核有较大不同,表明此时已不能忽略二次散射.     

基于流变体模型的波恩近似方程地震正演模拟

常规τ值法假设应力松弛时间与应变延迟时间近似相等, 造成了常Q模型拟合精度低. 本文利用精确的广义流变体模型Q值计算公式, 研究改进的τ值法求解常Q模型参数. 根据地震波散射理论, 推导了基于广义流变体模型的黏滞性介质一阶波恩近似方程, 结合位移-速度关系得到了含卷积完全匹配层边界条件的黏滞性介质应力-速度方程的一阶波恩近似表达式. 通过数值实验验证并对比了黏滞性介质中全波波动方程、 一阶波恩近似方程以及单程波波动方程的波场特征, 讨论了基于流变体模型的黏滞性介质一阶波恩近似方程对速度扰动和Q扰动的适应性, 以及对旅行时和振幅精度的影响.      

近地表地震层析成像方法综述

近地表地层与人类生产生活密切相关,利用地震层析成像方法准确重建浅部地壳速度结构有助于开展高精度地震勘探、探查浅部矿产资源、规避潜在自然灾害,并利于城市地下空间建设.中国大陆地表条件复杂,尤其中西部盆岭结合带地形起伏剧烈,对浅部地壳精确速度建模构成严重挑战.本文系统论述了地震层析成像领域基于高频近似理论的走时成像方法和有限频层析成像方法,阐明两类方法的基本原理、存在问题和发展方向等.依据正演走时有无显式射线追踪,基于高频近似理论的走时成像方法分为传统走时层析成像方法和无射线路径的走时层析成像方法.基于射线追踪的传统走时层析成像方法,在浅层速度强烈变化时,因存在阴影区或多路径现象引起成像失真,严重影响成像效率;而无射线路径的层析成像方法通过程函方程走时场的正传和逆传直接计算敏感核,并利用伴随状态法获得目标函数的梯度,具有快速、稳健的优点.以上两种基于地震射线高频近似理论的走时成像方法由于未考虑地震波频率的带限性,存在波散射、波前愈合及反演约束差等问题.有限频层析成像方法克服了射线理论"无限高频"假设所带来的弊端,已成为重要的研究方向之一.该类方法主要分为射线有限频层析成像方法和基于波动方程的有限频层析成像方法.射线有限频层析成像方法能够提高成像的分辨率,但在方法本质上仍依赖于射线理论,较难处理较复杂的波现象问题;基于波动方程的有限频层析成像方法能准确处理复杂地质问题,提高成像可靠性并能以图像形式直观展示地球内部地震波的速度结构分布,但是该方法在实际应用中强烈依赖于数据中的低频信息及较精确的初始速度模型,其推广应用仍需进一步探索.     

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.     

多频段组合菲涅尔带走时层析成像方法研究

针对传统射线层析存在的种种局限性,菲涅尔带走时层析成像摒弃了传统的数学射线,考虑到地震信号具有一定的频带宽度,中央射线附近的介质对地震波的传播产生不同程度的影响。本文提出了多频段组合菲涅尔带走时层析成像方法。该方法以频率域波动方程Born和Rytov近似为基础,推导出建立在带限地震波理论基础上的波动方程Rytov近似走时敏感核函数,实现第一菲涅尔带约束下的波动方程走时层析反演方法。同时由于多个频段的引入,充分利用低频段和高频段的特有优势,从而兼顾菲涅尔带层析的计算效率与分辨率。模型试算结果证明了本方法的有效性和稳定性。     

有限频率地震层析成像方法及研究进展

本文从基于射线理论的走时地震层析成像的发展引出有限频率地震层析成像, 说明两者最为本质的差别是有限频率灵敏度核函数。 概述了有限频率层析成像方法和基本原理, 详细阐述了国内外有关有限频率层析成像方法的研究进展和应用成果, 强调有限频率层析成像对全球地幔柱研究的重要意义, 最后指出有限频率层析成像方法在理论上的诸多优点目前还没有在实际应用中得到充分体现, 还存在一些问题需要解决。     

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.     

浅层有限频率面波成像中的3D灵敏度核分析

本文利用面波散射的模式耦合方法,基于波恩近似和远场假设,研究了有限频率面波三维灵敏度核,针对面波在工程应用中常遇到的水平分层的背景介质模型,计算了介质扰动引起的面波相位和幅度扰动的三维灵敏度核,分析了模式耦合对三维灵敏度核的影响.结果表明,仅考虑模式自身耦合的JWKB近似,介质密度和波速扰动引起的三维灵敏度核可以蜕化为面波相速度扰动的二维灵敏度核,有限频率面波成像和传统基于射线的方法类似,可以分两步进行,只需在纯路径反演过程中将基于大圆路径假设下的一维灵敏度核用二维灵敏度核取代.如果交叉模式耦合的影响不能忽略,在反演时必须引入三维面波灵敏度核,直接对介质参数进行反演.     

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.      

高斯波包反射走时速度反演方法

扰动高斯波包理论指出,在Gabor域描述模型的扰动成分,且入射波场为短时宽带信号时,扰动波场可在时间域通过高斯波包算子描述.在此基础上通过拟合反射波的走时,提出一种速度反演方法.反射波走时残差利用地震道局部波形的互相关函数表示,以走时残差的二范数作为目标函数,优化目标函数实现对速度场的反演.基于一阶Born近似,利用扰动高斯波包理论推导出目标函数对速度场的梯度是本文理论部分的核心内容.梯度包括两部分：正传的背景波场与反传的扰动高斯波包之间的互相关,反传的背景波场和正传的扰动高斯波包之间的互相关.梯度表达式中背景波场和扰动波场均利用高斯波包算子模拟.计算梯度的具体算法中,如何模拟扰动波场,以及如何计算反射波的走时残差是两个要点,文中对此做了详细的讨论.数值实验进一步阐述了反演的实现策略,实验结果表明高斯波包反射走时速度反演方法和实现策略有效可行,并得到了理想的反演结果.

     

Finite-frequency tomography in a crustal environment: Application to the western part of the Gulf of Corinth

In this paper we investigate finite-frequency effects in crustal tomography. We developed an inversion procedure based on an exact numerical computation of the sensitivity kernels. In this approach we compute the 3D travel-time sensitivity kernels by using (1) graph theory and an additional bending to estimate accurately both rays and travel-times between source/receiver and diffraction points and (2) paraxial ray theory to estimate the amplitude along theses rays. We invert both the velocity and the hypocentre parameters, using these so-called banana-doughnut kernels and the LSQR iterative solver. We compare the ray-theoretical and the finite-frequency tomography to image the intermediate structures beneath the Gulf of Corinth (Greece), which has long been recognized as the most active continental rifting zone in the Mediterranean region. Our dataset consists of 451 local events with 9233 P- first-arrival times recorded in the western part of the Gulf (Aigion area) in the framework of the 3F-Corinth European project. Previous tomographic images showed a complex velocity crustal model and a low-dip surface that may accommodate the deformation. Accurate velocity models will help to better constrain the rifting process, which is still a subject of debate. The main results of this study show that finite-frequency tomography improves crustal tomographic images by providing better resolved images of the 3D complicated velocity structure. Because the kernels spread the information over a volume, finite-frequency tomography results in a sharpening of layer boundaries as we observed for the shallower part of the crust (down to 5 km depth) beneath the Gulf of Corinth.     

一阶Rytov近似有限频走时层析

传统的波动方程走时核函数（或走时Fréchet导数）多基于互相关时差测量方式及地震波场的一阶Born近似导出,其成立条件非常苛刻.然而,地震波走时与大尺度的速度结构具有良好的线性关系,对于小角度的前向散射波场,Rytov近似优于Born近似.因此,本文基于Rytov近似和互相关时差测量方式,导出了基于Rytov近似的有限频走时敏感度核函数的两种等价形式：频率积分和时间积分表达式.在此基础之上,本文提出了一种隐式矩阵向量乘方法,可以直接计算Hessian矩阵或者核函数与向量的乘积,而无需显式计算和存储核函数及Hessian矩阵.基于隐式矩阵向量乘方法,本文利用共轭梯度法求解法方程实现了一种高效的Gauss-Newton反演算法求解走时层析反问题.与传统的敏感度核函数反演方法相比,本文方法在每次迭代过程中,无需显式计算和存储核函数,极大降低了存储需求.与基于Born近似的伴随状态方法走时层析相比,本文方法具有准二阶的收敛速度,且适用范围更广.数值试验证明了本文方法的有效性.

     

Seismic inversion with generalized Radon transform based on local second-order approximation of scattered field in acoustic media

Sound velocity inversion problem based on scattering theory is formulated in terms of a nonlinear integral equation associated with scattered field. Because of its nonlinearity, in practice, linearization algorisms (Born/single scattering approximation) are widely used to obtain an approximate inversion solution. However, the linearized strategy is not congruent with seismic wave propagation mechanics in strong perturbation (heterogeneous) medium. In order to partially dispense with the weak perturbation assumption of the Born approximation, we present a new approach from the following two steps: firstly, to handle the forward scattering by taking into account the second-order Born approximation, which is related to generalized Radon transform (GRT) about quadratic scattering potential; then to derive a nonlinear quadratic inversion formula by resorting to inverse GRT. In our formulation, there is a significant quadratic term regarding scattering potential, and it can provide an amplitude correction for inversion results beyond standard linear inversion. The numerical experiments demonstrate that the linear single scattering inversion is only good in amplitude for relative velocity perturbation ( \( \delta_{c}/c_{0} \) ) of background media up to 10 %, and its inversion errors are unacceptable for the perturbation beyond 10 %. In contrast, the quadratic inversion can give more accurate amplitude-preserved recovery for the perturbation up to 40 %. Our inversion scheme is able to manage double scattering effects by estimating a transmission factor from an integral over a small area, and therefore, only a small portion of computational time is added to the original linear migration/inversion process.     

Errors Due to the Common Ray Approximations of the Coupling Ray Theory

The common ray approximation considerably simplifies the numerical algorithm of the coupling ray theory for S waves, but may introduce errors in travel times due to the perturbation from the common reference ray. These travel-time errors can deteriorate the coupling-ray-theory solution at high frequencies. It is thus of principal importance for numerical applications to estimate the errors due to the common ray approximation.We derive the equations for estimating the travel-time errors due to the isotropic and anisotropic common ray approximations of the coupling ray theory. These equations represent the main result of the paper. The derivation is based on the general equations for the second-order perturbations of travel time. The accuracy of the anisotropic common ray approximation can be studied along the isotropic common rays, without tracing the anisotropic common rays.The derived equations are numerically tested in three 1-D models of differing degree of anisotropy. The first-order and second-order perturbation expansions of travel time from the isotropic common rays to anisotropic-ray-theory rays are compared with the anisotropic-ray-theory travel times. The errors due to the isotropic common ray approximation and due to the anisotropic common ray approximation are estimated. In the numerical example, the errors of the anisotropic common ray approximation are considerably smaller than the errors of the isotropic common ray approximation.The effect of the isotropic common ray approximation on the coupling-ray-theory synthetic seismograms is demonstrated graphically. For comparison, the effects of the quasi-isotropic projection of the Green tensor, of the quasi-isotropic approximation of the Christoffel matrix, and of the quasi-isotropic perturbation of travel times on the coupling-ray-theory synthetic seismograms are also shown. The projection of the travel-time errors on the relative errors of the time-harmonic Green tensor is briefly presented.     

有限频层析成像方法研究进展

本文详细介绍了地震学中最近发展起来的一种非常重要的层析成像方法-有限频层析成像方法,对有限频理论进行了重点阐述,并对有限频层析成像方法的有效性进行了探讨,接下来总结了有限频地震层析成像方法的研究进展,并对有限频层析成像方法在地震学中的应用进行了展望.由于在非均匀介质中考虑了地震波遇到速度异常时的散射现象和波前复原效应,有限频层析成像方法大大提高了对速度异常体的分辨能力.