有限差分的时间和空间频散及其对逆时偏移和全波形反演的影响

有限差分是最常用的地震波方程数值模拟方法,但时间和空间离散会产生数值频散.正演是逆时偏移和全波形反演的基本单元,成像和反演的精度很大程度依赖于所采用的数值模拟算法.本文研究了有限差分的时间和空间频散特性及其对逆时偏移和全波形反演的影响.通过时间有限差分+伪谱法、时间频散校正+空间有限差分、时间频散校正+伪谱法获取时间频散、空间频散和无频散数据;发展了抗时间频散、抗空间频散、抗时间+空间频散的逆时偏移和全波形反演方法;采用理论模型和实际资料对提出的方法进行了测试.数值结果表明：逆时偏移同时受时间和空间频散影响,时间频散导致同相轴不聚焦、成像位置偏离,空间频散会产生高频噪声和虚假反射界面;全波形反演在低频大尺度反演中几乎不受时间和空间频散影响,高频精细反演中时间频散引起波形相移、降低反演精度,空间频散增加多解性、导致反演不收敛;抗频散方法可以有效缓解时间和空间频散影响,获得高质量的偏移剖面和反演结果.

     

基于粒子群优化算法的AVAF反演方法

岩石物理实验和实际观测研究表明,纵波速度的频散现象通常都与地层的含气性有着密切的关系,它是纵波反射系数随频率变化所导致的.但是,传统的AVA反演方法忽略了这种速度频散现象,因此引入了误差,增加了含气预测的风险.本文我们提出了一种适用于频变反射系数和速度频散的反演方法,采用传播矩阵方程来进行正演模拟.而考虑到加入频散信息的AVAF反演问题具有高度的非线性特征,我们基于粒子群优化(PSO)算法来进行AVAF反演.经过模型与实际数据的测试证明,我们的反演方法适用于包含频散信息的地震数据,且具有一定的抗噪性,即使是在含噪数据下,也能够挖掘出数据中的纵波速度频散信息,为之后利用纵波速度的频散规律来解释储层含气性提供可靠的依据.     

基于White层状模型的流度响应特征分析与反演方法

流度是指某相流体有效渗透率与流体黏度的比值, 反映了储层岩石骨架中孔隙结构的渗透性和孔隙流体的黏度的共同作用.目前, 有关流度的研究主要集中在流度属性的计算等方面, 然而基于岩石物理模型来探讨流度对地震波频散衰减特征的影响以及流度的反演方法研究较少.注意到, 在White层状斑块饱和模型中, 频散衰减方程建立了流度与相速度和逆品质因子之间的关系.基于此模型, 首先针对两种砂岩储层及两种含气饱和度, 应用数值模拟研究了流度对地震波频散衰减特征的影响.其次, 提出了利用粒子群算法和速度频散数据进行流度反演的方法.最后, 苏里格岩心实测速度频散数据的反演应用验证了反演方法的有效性与准确性.结果表明: 流度的变化对纵波的频散衰减影响显著.一般来说, 在疏松高孔、含气饱和度较低的砂岩储层中, 流度对地震响应特征的影响更为显著.应用于实际资料的反演结果验证了反演方法可靠稳定、收敛性好, 精度较高.上述研究为流度的岩石物理反演提供了理论依据和新的技术思路.

     

基于稀疏约束反演谱分解的频变AVO储层识别方法

时频分析技术是描述和分析非平稳信号的有效工具,如何提高谱分解的时-频分辨率受到了国内外学者的广泛关注.基于稀疏约束反演的谱分解方法（ISD）是近些年提出的一种具有高时-频分辨率的谱分解方法.然而传统ISD方法采用复雷克子波作为母小波函数,很大程度限制了信号分析的分辨率和精度.本文创新性地将传统ISD方法拓展到其他线性变换当中,提高了ISD方法的适用性.利用合成数据测试并对比了传统方法与ISD方法的时频分析结果,研究表明ISD方法不但能提供高分辨率的振幅谱,还能提供可靠的时-频相位谱信息.在此基础上,本文提出将高时-频分辨率的ISD方法与频变AVO（FAVO）反演相结合,得到能指示流体的地震波频散属性.将该方法应用于实际资料,结果表明基于ISD时频方法的FAVO反演结果具有更高的分辨率和准确度,对于储层油气具有更好的指示作用.

     

基于邻域算法的瑞利面波垂直-水平振幅比及频散曲线联合反演及应用

瑞利面波垂直-水平振幅比(或ZH振幅比)是一个随频率变化的函数,对于台站下方浅层地壳结构非常敏感,且具有和频散资料不同的深度敏感核,是传统频散反演方法的一个很好的补充,从而可以将基阶瑞利面波的ZH振幅比和面波频散数据联合起来更好地反演获得观测台站下方的速度结构.本文提出了基于邻域算法的面波频散曲线与ZH振幅比联合反演方法,我们进行了基于理论模型的模拟测试,证明了联合反演是一种更为可靠的反演方法,且能更好地约束浅层地壳结构.相比于频散曲线单独反演,联合反演不仅可以精确反演获得地壳的Vs结构,对分层地壳的Vp/Vs也能很好地约束.然后我们将联合反演算法应用于实际测量数据,获得了中国西南昆明台(KMI)下方更为准确的地壳横波速度结构及Vp/Vs模型.     

勒夫波群速度频散与太平洋地壳及上地幔三维构造

应用现代适配滤波频时分析技术对SRO/GDSN长周期面波记录进行处理,获得穿过太平洋盆地的117条波路径的勒夫波频散数据。我们用改进的分格频散反演方法,从混合路径频散数据中提取出对应于构成整个太平洋盆地的10°×10°分格的纯路径频散数据。所获得的18s到215s范围内的28个周期的太平洋勒夫波群速度的横向分布,揭示了速度随海底年龄的增大而逐渐增加的总趋势,以及其它变化细节。例如,对于同一等年龄线区而言,北太平洋及南太平洋的群速度要比中太平洋的低0.1-0.3km/s。在分格模型反演的基础上得出的深至300km的三维剪切波速度结构提供了太平洋盆地地壳及上地幔横向不均匀性的详尽的描述。     

利用地震面波频散反演岩石圈结构的奇异值分解算法

在利用面波频散数据反演介质S波速度结构的过程中,引入奇异值分解方法计算随机逆,利用Wiggins方法对较大奇异值修改和随机逆方法对较小奇异值修改的优点,协调了分辨率和解的关系,改进了随机逆解的精确性和稳定性．模型试算表明,该方法反演所得结果较Harkrider的程序反演结果精确,分辨率更高．     

基于平均速度分析的近地表纵波速度反演

面波频散曲线对于横波速度、纵波速度、层厚等近地表地球物理参数的敏感度相差较大, 现阶段通过频散曲线可以获得较为精确的近地表横波速度与厚度信息, 但无法直接对纵波速度进行反演.研究表明, 泊松比对于波长(W)-探测深度(D)关系较为敏感.基于这一发现, 本文根据频散曲线与反演获取的横波速度结构计算平均速度, 获取W-D关系曲线.但合成数据测试证明, 因近地表浅层对应的W-D曲线变化较小, 且浅层纵波速度反演不准确会使误差累积, 直接反演W-D曲线无法获取可靠的纵波速度剖面.本文改进了基于平均速度分析的近地表纵波速度反演方法, 在目标函数中加入了对浅层信息较为敏感的W/D-D信息, 同时对W-D曲线与W/D-D曲线进行联合反演.合成数据测试证明可以获取较为准确地浅层与深层纵波速度.将该方法应用于实际地震数据中, 联合反演得到的纵波速度剖面与微测井数据较为吻合, 证明本文提出的方法可以不借助其他信息, 仅通过面波频散信息, 获取更为准确地近地表纵波信息.

     

基于广义模式识别面波基模式频散曲线反演研究

面波多道分析方法(MASW)是获取垂向剪切波速度剖面的一种有效方法。频散曲线反演是MASW中关键的一步。由于瑞雷波频散曲线反演具有非线性、多参数和多极值的特征,这对于常规的局部线性化反演方法是极大的挑战。为此,本文采取确定性的全局优化算法,广义模式识别算法(GPS)对瑞雷波频散曲线进行反演。其原理可以简述为:算法首先通过模式以确定性的方式对目标函数进行采样来搜索一个点序列;然后使序列中每一个点到下一个点的目标函数值逐渐减少,从而使点序列逐渐逼近全局最优解,最后的解便为待求的最优模型参数。为验证GPS的有效性,首先利用设计的3种典型的6层地质模型通过快速矢量传递算法正演模拟产生基模式频散曲线(频率范围为5~101Hz,频率间隔为2Hz,频点数为49),并对理论频散曲线进行反演。反演结果表明,模型的真实值已经被高度精确地重建。说明GPS可以用于实际勘探中的基模式频散曲线反演。为进一步验证GPS的有效性,在吉林大学校园采集瑞雷波实测数据,并提取基模式频散曲线,应用GPS进行反演。反演重建的横波速度剖面与先验的地质信息吻合得很好。理论模型和真实数据的反演结果表明,GPS可以应用在瑞雷波频散曲线非线性反演中。     

遗传算法和LM算法联合反演瑞雷波相速度

上世纪中叶以来,微震探查法等基于面波相速度频散测定以及其反演的地下构造勘探方法,在地壳研究、工程地质勘探等方面得到了广泛的应用.本研究分析了遗传算法（GA）应用在面波频散反演当中出现的问题,采用遗传算法和Levenberg-Marquardt 算法（LM法）的联合运用法——以遗传算法反演出来的大局的搜索结果为初始点,再进行LM法搜索,由此克服两者的缺点,实现高精度的反演.     

面波频散反演地球内部构造的遗传算法

介绍了一种新的算法--遗传算法的基本概念和特点，及其在地震面波反演地球内部构造中的应用，指出了使用遗传算法的注意事项．提出了通过对初步搜索结果参数分布直方图进行分析，从而修改和缩小进一步搜索的范围，逐步搜索以提高搜索效率的方法．并对３层含低速层的理论模型和青藏高原的实际频散资料进行遗传算法反演，获得了满意的结果．讨论了遗传算法在其他地震学问题中进一步应用的可能性．     

Joint inversion of Rayleigh‐wave dispersion data and vertical electric sounding data: synthetic tests on characteristic sub‐surface models

In the traditional inversion of the Rayleigh dispersion curve, layer thickness, which is the second most sensitive parameter of modelling the Rayleigh dispersion curve, is usually assumed as correct and is used as fixed a priori information. Because the knowledge of the layer thickness is typically not precise, the use of such a priori information may result in the traditional Rayleigh dispersion curve inversions getting trapped in some local minima and may show results that are far from the real solution. In this study, we try to avoid this issue by using a joint inversion of the Rayleigh dispersion curve data with vertical electric sounding data, where we use the common‐layer thickness to couple the two methods. The key idea of the proposed joint inversion scheme is to combine methods in one joint Jacobian matrix and to invert for layer S‐wave velocity, resistivity, and layer thickness as an additional parameter, in contrast with a traditional Rayleigh dispersion curve inversion. The proposed joint inversion approach is tested with noise‐free and Gaussian noise data on six characteristic, synthetic sub‐surface models: a model with a typical dispersion; a low‐velocity, half‐space model; a model with particularly stiff and soft layers, respectively; and a model reproduced from the stiff and soft layers for different layer‐resistivity propagation. In the joint inversion process, the non‐linear damped least squares method is used together with the singular value decomposition approach to find a proper damping value for each iteration. The proposed joint inversion scheme tests many damping values, and it chooses the one that best approximates the observed data in the current iteration. The quality of the joint inversion is checked with the relative distance measure. In addition, a sensitivity analysis is performed for the typical dispersive sub‐surface model to illustrate the benefits of the proposed joint scheme. The results of synthetic models revealed that the combination of the Rayleigh dispersion curve and vertical electric sounding methods in a joint scheme allows to provide reliable sub‐surface models even in complex and challenging situations and without using any a priori information.     

基于面波频散曲线聚类分析的近地表横波速度反演

获取准确的近地表横波速度对复杂地表条件下弹性波地震数据处理和成像非常重要.在浅层面波工程勘探中通过反演提取的频散曲线可以获得近地表横波速度结构.在多道面波频散曲线分析中, 频散关系拾取的精度直接影响速度反演结果的可靠性.本文在多道面波叠加及自动拾取频散曲线基础上, 提出了基于面波频散曲线聚类分析的近地表横波速度反演方法.该方法充分考虑了低信噪比条件下面波频散曲线的不确定性, 通过在频散曲线拾取中引入曼哈顿距离K-Means聚类算法提高频散曲线拾取的准确性.采用多道多窗口叠加技术提高了面波反演对横向速度变化的适应性, 通过聚类算法和多窗口叠加提高反演的可靠性, 聚类算法获得较准确的频散曲线更利于后续横波速度反演过程.模拟数据算例对比表明本文提出的方法比常规算法效果更好, 精度更高.将提出的方法应用于工程勘探和油气勘探的面波数据反演中, 结果也验证了该方法的有效性.

     

A hybrid inversion method of damped least squares with simulated annealing used for Rayleigh wave dispersion curve inversion

Surface wave methods are becoming increasingly popular in many geotechnical applications and in earthquake seismology due to their noninvasive characteristics.Inverse surface wave dispersion curves are a crucial step in most surface wave methods.Many inversion methods have been applied to surface wave dispersion curve inversion,including linearized inversion and nonlinearized inversion methods.In this study,a hybrid inversion method of Damped Least Squares(DLS) with Very Fast Simulated Annealing(VFSA) is developed for multi-mode Rayleigh wave dispersion curve inversion.Both synthetic and in situ fi eld data were used to verify the validity of the proposed method.The results show that the proposed method is superior to the conventional VFSA method in aiming at global minimum,especially when parameter searching space is adjacent to real values of the parameters.The advantage of the new method is that it retains both the merits of VFSA for global search and DLS for local search.At high temperatures,the global search dominates the runs,while at a low temperatures,the local search dominates the runs.Thus,at low temperatures,the proposed method can almost directly approach the actual model.     

The inversion of the data of magnetotelluric sounding and electromagnetic frequency sounding with horizontal electric dipole

On the basis of the dispersion relation of magnetotelluric response functions (MTRF), a filter coefficient algorithm has been made, with which the corresponding impedance phase data can be estimated using a set of apparent resistivity data. The tests of theoretical models and observed magnetotelluric (MT) data show that this algorithm is effective. Comparing the impedance phase estimated using dispersion relation with the observed phase, it can be checked whether the dispersion relation between the observed apparent resistivities and phase data was satisfied. The use of phase data corrected using the dispersion relation in the joint inversion for MT impedance is advantageous to obtain more reliable inversion results. The problems on the one-dimensional joint inversion for the (MT) apparent resistivity and the apparent resistivity of the frequency electromagnetic sounding (FEMS) with horizontal electric dipole, whose observed frequency bands are linked up each other, are studied. The observed data of two kinds of electromagnetic (EM) methods at two sites are used to inverse, the comparison with the drilling data show the results are more reliable. To supply the phase data of FEMS using the dispersion relation, for the apparent resistivity-phase data and impedance real part-imaginary part apparent resistivities of two kinds of EM methods the imitated MT joint inversions are made, and more similar results also are obtained. The Chinese version of this paper appeared in the Chinese edition ofActa Seismologica Sinica,15, 91–96, 1993. The projects sponsored by the Chinese Joint Seismological Science Foundation.     

中国南北带地壳上地幔三维面波速度结构和各向异性

本文用长周期763地震仪面波群速度资料反演了中国南北带及邻区的三维速度结构.其中采集238条瑞利波和358条勒夫波混合频散曲线,使用均等显示滤波方法,并以4°×4°为一格将我国境内分为147格.用随机逆反演方法得到了研究区16格的纯路径频散.面波速度结构及演结果表明:1.莫霍界面深度一般在40-50km之间,最深达65km.总趋势是从东到西加深,且在南北带西侧南北两端向中部明显加深,东侧变化小.2.地幔顶部普遍出现很厚的低速层,上界面一般埋深60-80km.上地幔顶盖厚度一般为20-60km,速度为4.30-4.50km/s.3.研究区普遍存在各向异性,而且勒夫波和瑞利波速度的差值(V_SV-V_SH)的绝对值随深度有增大的特点,在南北带南部和西北部V_SV-V_SH各向异性现象更为明显.     

黏弹性介质中瑞利波频散曲线和衰减系数曲线的反演

瑞利波具有能量大、信噪比高等特点,可以用来反演介质内部的力学信息,近年来在浅层地球物理勘探、深层地震学研究以及超声波无损检测等多个领域都有较广泛的应用。目前大多数瑞利波的应用中都假设介质是弹性的,然而实际中岩石、土壤和金属等介质都在一定程度上体现出了黏弹性。当介质的黏弹性较强时仍然采用弹性假设研究其中瑞利波的反演将增大误差,因此有必要考虑黏弹性介质中的瑞利波反演,但是目前这方面的研究仍不够深入。本文研究黏弹性介质中瑞利波频散曲线和衰减系数曲线的反演问题,给出其在半空间中联合反演的方法,并对该方法的误差进行分析。