最短路径算法下二维层状介质中多次波追踪

在改进后的最短路径算法（MSPM）中引入分区多步计算技术实现了二维层状起伏介质中的多次透射、反射及转换波波前传播的数值模拟,以及相应的走时和射线路径的跟踪计算.其原理是将二维复杂层状模型按速度界面分成若干个独立的计算区域,采用分步计算技术进行多次波的跟踪计算.基于多次波是通过速度界面的简单入射、透射、反射及转换波按一定规律的不同组合,因此可实施分区多步计算技术.通过某一上、下层界面的透射（或透射转换）波实际上是由上层得到的下行波加上由该界面透射的下行波组成,若为转换波则使用不同的速度模型;而经过某一界面的反射（或反射转换）波实际上是由某层内计算得到的下行（或上行）波再加上由该界面反射的上行（或下行）波组成.这样即可得到分区独立计算,并通过速度界面分步连接达到跟踪多次波的目的.计算结果表明MSPM算法下的分区多步计算技术具有单步SPM算法中的诸多优点,即:算法简单、数值计算稳键、计算精度高、速度快及全球解等,因而是解决多次波跟踪计算行之有效的方法.     

复杂层状模型中多次波快速追踪——一种基于非规则网格的最短路径算法

使用不规则网格单元划分下的最短路径算法,结合分区多步计算技术实现了二维和三维复杂层状起伏介质中的多次透射、反射及转换波的追踪计算.其原理是将模型按速度界面分成若干个独立的计算区域(在速度界面和起伏地表处采用一种不规则网格单元划分),采用分步计算技术进行多次波的追踪计算.通过与有限差分下快速行进法的比较,表明无论是计算精度还是CPU时间,不规则最短路径算法均好于快速行进法算法.最后,实例模拟中给出了二维、三维复杂层状模型(包括Marmousi模型及含低速体的模型)中的多次透射、反射及转换波的追踪计算,验证了不规则最短路径算法的功能.     

基于分区多步快速行进法下3D起伏层状介质中多震相射线追踪

快速行进法(FMM)是一种求解程函方程数值解计算网格节点走时,然后向后处理进行射线追踪的方法.为了求取任意起伏界面下高精度多震相的地震走时与相应的射线路径,本文采用任意起伏地表条件下的的三维不等距上行差分公式结合分区多步计算技术实现了三维复杂层状起伏介质中多震相(透射、反射、转换波)地震走时的计算,利用上行有限差分公式逐次进行射线路径的追踪,并且通过与较为成熟的不规则最短路径法(ISPM)对比,验证了本算法的计算精度和有效性.数值模拟实例和对比结果表明该算法具有较高的计算精度,数值计算稳健,能灵活处理含任意三维起伏界面模型中多震相地震走时及相应射线路径的追踪问题.     

球坐标系下多震相走时三参数同时反演成像

球坐标系下多震相走时三参数(速度、震源位置和反射界面)同时反演需要解决两个关键问题:(1)球坐标系下3D速度模型中多次透射、反射(折射)及转换波精确、快速的射线追踪;(2)同时反演时三种不同参数间的强耦合问题.为此,我们将直角坐标系下分区多步不规则最短路径算法推广至球坐标系中,进行区域或者全球尺度的多震相射线追踪.然后将其与适合多参数同时反演的子空间算法相结合,形成一种球坐标系下联合多震相走时三参数同时反演的方法技术.与双参数(速度和反射界面或速度和震源位置)同时反演的数值模拟对比分析显示:三参数与双参数的同时反演结果大体接近,并且它们对到时数据中可容许的随机噪声不太敏感.结果说明本文中的同时反演成像为一种提高成像分辨率,同时反演速度、震源位置和反射界面的有效方法.     

2D各向异性TTI介质中地震波场的射线法和波动方程数值模拟对比

尽管射线理论是基于波动方程高频假设下的一种近似理论,两者本应相互佐证共同发展完善,然而实际上确是平行独立的.鉴于此,本文提出了一种可以相互验证波场数值模拟或射线追踪数值模拟方法正确性和有效性的佐证方法.为了实现上述目的,我们首先将用于各向同性介质中多次波预测的分区多步不规则最短路径算法推广至各向异性TTI介质中,使其具备追踪各向异性TTI介质中多次波的能力.然后,通过伪谱法波场数值模拟和分区多步不规则最短路径算法预测得到的波场快照图、单炮地震记录剖面、以及合成理论地震图的分析对比,不但可以相互验证两种算法的正确性和有效性,同时对地震波在各向异性TTI介质中的传播规律和特点有了深刻的理解和认识.结果表明:本文提出的各向异性介质中多次波射线追踪算法是正确有效的.     

多震相走时联合三参数同时反演成像

采用新近研制的分区多步不规则最短路径多震相地震射线追踪正演技术,结合流行的子空间反演算法,提出了一种联合多震相走时资料进行地震三参数 （速度、反射界面和震源位置） 同时反演的方法技术.数值模拟反演实例、以及与双参数 （速度和反射界面或速度和震源位置） 同时反演的对比分析表明：三参数同时反演成像结果大体接近双参数同时反演成像的结果.另外,噪声敏感性试验表明：所提算法对到时数据中可容许的随机误差并不敏感,结果说明多震相走时的联合三参数同时反演成像方法技术不失为一种提高走时成像空间分辨率、进而降低重建模型参数失真度、行之有效的方法技术.     

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.     

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...     

起伏层状介质中曲线网格有限差分法与射线法波场模拟对比研究

针对处理起伏地表(或含地下不规则波阻抗界面)条件下发展起来的地震波场数值模拟算法的模拟结果与解析解(大多数情形下无法得到)无法进行对比,且其有效性和正确性难以验证的情况,本文提出了一种可以相互验证波场数值模拟结果与射线追踪数值模拟结果的正确性和有效性的佐证方法,验证了参考射线追踪法.其中,波场数值模拟中采用曲线网格DRP/opt MacCormack有限差分法,射线追踪模拟则采用分区多步三角网格最短路径算法.通过系统对比上述两种方法得到的波场快照、单炮地震记录,以及合成理论地震图的结果显示,本方法相互作证了两种方法所得结果的正确性和有效性.双层和三层起伏层状模型的对比分析结果表明,这种方法不但可以加深理解地震波在复杂介质中的传播规律,同时射线法的引入为清晰识别和标定地震波场数值模拟中各种不同震相提供了一种便捷的途径.      

分区多步最短路径极值法多值多次反射波追踪

基于网格单元扩展的射线追踪算法,如:较为流行的有限差分解程函方程法和最短路径法均是建立在费马(最小走时)原理基础上的射线追踪算法,只能进行单值(最小走时)的多次反射波的追踪.然而当介质速度反差较大或存在复杂反射界面(如:常见的向斜、背斜、透镜体、塌陷构造等)时,将出现波前的自相缠绕(即蝴蝶结现象),相应的地震射线则为多...     

3-D simultaneous inversion for velocity and reflector geometry using multiple classes of arrivals in a spherical coordinate frame

The two key requirements in conducting 3-D simultaneous traveltime tomography on real data at the regional and global scale with multiple classes of arrival time information are (1) it needs an efficient and accurate arrival tracking algorithm for multiply transmitted, reflected (or refracted) and converted waves in a 3-D variable velocity model with embedded velocity discontinuities (or subsurface interfaces), and (2) a subdimensional inversion solver is required which can easily search for different types of model parameters to balance the trade-off between the different types of model parameter updated in the simultaneous inversion process. For these purposes, we first extend a popular grid/cell-based wavefront expanding ray tracing algorithm (the multistage irregular shortest-path ray tracing method), which previously worked only in Cartesian coordinate at the local scale, to spherical coordinates appropriate to the regional or global scale. We then incorporated a fashionable inversion solver (the subspace method) to formulate a simultaneous inversion algorithm, in which the multiple classes of arrivals (including direct and reflected arrivals from different velocity discontinuities) can be used to simultaneously update both the velocity fields and the reflector geometries. Numerical tests indicate that the new inversion method is both applicable and flexible in terms of computational efficiency and solution accuracy, and is not sensitive to a modest level of noise in the traveltime data. It offers several potential benefits over existing schemes for real data seismic imaging.     

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.     

三维复杂山地多级次群推进迎风混合法多波型走时计算

三维复杂山地条件下的各种地震波型的走时计算技术,可以直接用于复杂山地区域地震波运动学特性的分析、地震数据采集观测系统的设计以及直接基于三维复杂地表的地震数据处理技术的研发.为了在三维复杂地表条件下准确、灵活且稳定地计算各种地震波型的走时,提出一种多级次群推进迎风混合法.该算法利用不等距迎风差分法简洁稳定地处理三维复杂地表及附近的局部走时计算问题,利用计算精度不错的迎风双线性插值法处理绝大部分均匀正方体网格中的局部走时计算问题,利用群推进法模拟三维复杂地表条件下地震波前的扩展问题,利用多级次算法处理各种类型的地震波的走时计算问题.算法分析和计算实例表明:新方法具有很好的计算精度与效率,且能灵活稳定地处理三维复杂地表复杂介质条件下的多波型走时计算问题.     

Seismic wavefront evolution of multiply reflected, transmitted, and converted phases in 2D/3D triangular cell model

Conventionally grid-cell-based schemes for simulating seismic wavefront propagation, such as the finite difference eikonal equation solver or the shortest-path method, usually adopt regular grids or cells in model parameterization to obtaining (but not exclusively) first arrivals only. However, later arrivals, which often result from the velocity interfaces or discontinuities, can be prevalent and significant (sometimes of large amplitude), making them potentially important additional information to use in practical applications. To better approximate the data acquisition geometry and the irregular interfaces, we exploit a triangular shortest-path method (TSPM; that is to use triangular cells in model parameterization) to simulate seismic wavefront evolution, comprising any kind of transmissions, reflections (or refractions), mode conversions, and combinations thereof, in 2D/3D heterogeneous media. A practical procedure, known as the multistage scheme, was incorporated with the TSPM to propagate seismic wavefronts from one interface (or subsurface in 3D) to the next. By treating each separate layer that the wavefront enters as an independent computational domain, one can simulate wavefront transmission and mode conversion by reinitializing it in the adjacent layer and wavefront reflection (and/or conversion) by reinitializing it in the incident layer. To further improve the computational accuracy, a second level of forward star scheme, previously defined in the grid model, is introduced into the triangular cell model. Several examples (including the Marmousi model) are used to demonstrate the viability and versatility of the multistage TSPM in heterogeneous media, even in the presence of high-velocity contrasts involving interfaces of relatively high curvature. With the introduction of the second level of forward star scheme, the total numbers of nodes are reduced sufficiently, and hereafter the computer memory is less required. Most important is that the computing accuracy with the second-level forward star scheme can be largely improved over those with the first level of forward star scheme applied in the multistage TSPM scheme.     

Application of Snell's law in reflection raytracing using the multistage fast marching method

Accurate calculations of travel times and raypaths of reflection waves are important for reflection travel time tomography. The multistage shortest path method(MSPM) and multistage fast marching method(MFMM) have been widely used in reflection wave raytracing, and both of them are characterized by high efficiency and accuracy. However, the MSPM does not strictly follow Snell's law at the interface because it treats the interface point as a sub-source, resulting in a decrease in accuracy. The MFMM achieves high accuracy by solving the Eikonal equation in local triangular mesh. However, the implementation process is complex. Here we propose a new method which uses linear interpolation to compute the incident travel time of interface points and then using Snell's law to compute the reflection travel time of grid points just above the interface. Our new method is much simpler than the MFMM; furthermore, numerical simulations show that the accuracy of the MFMM and our new method are basically the same, thus the reflection tomography algorithms which use our new method are easier to implement without decreasing accuracy. Besides, our new method can be extended easily to other grid-based raytracing methods.     

复杂介质中地震波前及射线追踪综述

本文较为系统综述了国内外在不均匀介质中各种主要和实用的射线追踪方法,例如:基于射线理论的打靶法、弯曲法(伪弯曲法)、高斯射线束算法等;基于网格单元扩展的有限差分解程函方程法(FD)、最短路径算法(SPM);以及结合射线和网格单元扩展的波前构造法等.同时对目前出现的多次波射线追踪技术、以及多值波前追踪技术(如:相空间算法、水平集算法)也进行了分析讨论.同时对基于网格单元扩展算法的优缺点进行了评述,其基本结论是:基于单元模型的SPM要优于FD算法,而基于网格的SPM算法则次之.就传统的射线追踪算法(如:打靶法和弯曲法)而言,其未来的发展方向是实现完全非线性的相应算法,而基于网格单元的算法则主要是扩展功能(如:后续波、多值波前的追踪).射线追踪方法技术未来需要解决的问题主要有:块状模型中多次波的追踪;多值波前及多值射线追踪;走时与振幅的同时追踪计算;以及其它领域新方法的引入.