弹性矢量波成像域联合层析反演

在地震弹性矢量波场框架下,推导了多波联合层析速度反演方程以及走时残差与角道集剩余曲率的转换关系式,提出了一种利用成像域角道集更新P波、S波速度的走时层析反演方法.其实现过程可以概括为:将弹性波多分量数据作为输入,基于高斯束实现矢量波场成像并提取角道集,利用层析反演方程求解慢度更新量,最终获得多波联合反演结果.模型试算和实际资料处理验证了该方法的反演效果,能够为弹性矢量波联合深度偏移提供高质量的叠前速度场.     

时间二阶积分波场的全波形反演

通过对波场的时间二阶积分运算以增强地震数据中的低频成分,提出了一种可有效减小对初始速度模型依赖性的地震数据全波形反演方法—时间二阶积分波场的全波形反演方法.根据散射理论中的散射波场传播方程,推导出时间二阶积分散射波场的传播方程,再利用一阶Born近似对时间二阶积分散射波场传播方程进行线性化.在时间二阶积分散射波场传播方程的基础上,利用散射波场反演地下散射源分布,再利用波场模拟的方法构建地下入射波场,然后根据时间二阶积分散射波场线性传播方程中散射波场与入射波场、速度扰动间的线性关系,应用类似偏移成像的公式得到速度扰动的估计,以此建立时间二阶积分波场的全波形迭代反演方法.最后把时间二阶积分波场的全波形反演结果作为常规全波形反演的初始模型可有效地减小地震波场全波形反演对初始模型的依赖性.应用于Marmousi模型的全频带合成数据和缺失4Hz以下频谱成分的缺低频合成数据验证所提出的全波形反演方法的正确性和有效性,数值试验显示缺失4Hz以下频谱成分数据的反演结果与全频带数据的反演结果没有明显差异.     

基于单频走时敏感度核函数的三维波动方程初至层析

地震波走时层析是主要的近地表速度建模技术.对于变速模型,尤其是复杂近地表模型,波动方程能够更加精确地描述地震波的一阶绕射效应,理论上反演精度高于射线(束)类层析.然而,波动方程的数值求解的计算量较射线理论增加了几个数量级,严重制约了波动方程走时层析技术的三维实用化.为解决波动方程走时层析中遇到的计算和存储问题,本文通过引入随机边界条件以及离散Fourier积分,提出了基于单频梯度反演策略的实用化三维波动方程初至层析方法.本文方法的优势在于：在计算和存储方面,相比于基于波场重构算法(需要三次波传播)的梯度计算策略,本文提出的单频梯度计算方法对内存需求极低(相对于波动方程正演,仅需要增加两个单频波场以及一个成像体),且计算量至少减少1/3(仅需要两次波传播且无需处理数值吸收边界).此外,随机边界的引入使得正演算法大幅简化因而更适用于GPU(Graphics Processing Unit,图形处理器)加速.在理论层面,由于影响地震波一阶散射效应的主要区域集中在连接炮检的中心射线邻域的第一菲涅尔带内,随机边界条件的引入降低了随机边界内产生的散射波的空间相关性,使得第一菲涅尔带内的单频梯度相干...     

利用地质规则块体建模方法的频率域有限元弹性波速度反演

在频率域弹性波有限元正演方程的基础上,依据匹配函数（也就是观测数据和正演数据残差的二次范数）最小的准则,用矩阵压缩存储与LU分解技术来存储和求解频率域正演方程中的大型稀疏复系数矩阵、用可调阻尼因子的Levenberg Marquard方法求解反演方程组,直接求取地下介质的弹性波速度,导出了频率域弹性波有限元最小二乘反演算法. 为了利用地下地质体的分布规律,减少反演所求的未知数个数,本文又提出了规则地质块体建模方法引入到反演中来. 经数值模型验证,在噪声干扰很大（噪声达到50髎）或初始模型与真实模型相差很大的情况下,反演也能取得很满意的效果,证明本方法具有很好的抗噪性与“强壮性”.     

瞬态弹性波散射的变换域积分方程法

针对瞬态弹性波散射的问题,从弹性动力学问题的积分表示定理出发,采用Laplace变换的方法,得到了变换域内均质体位移场的积分方程表示;在此基础上推导了适合瞬态弹性波对异质体散射求解的变换域位移场积分方程。     

基于波动方程的叠前地震反演

随着地震勘探和开发的不断深入,面向地质目标的精细储层预测技术变得越来越重要.由于透射损失、层间多次波、波模式转换以及随机噪声等的影响,观测地震数据和待反演的地下介质属性之间呈现出很强的非线性.考虑到这些非线性,本文基于积分波动方程开展叠前地震反演,从观测地震数据中恢复出介质属性和整体波场,其中反演参数是波动方程中的压缩系数、剪切柔度和密度的对比度,相比于常规线性AVO反演的波阻抗弹性参数,它们对流体指示有更强的敏感性.在反演过程中,从平滑的低频背景场出发,交替迭代求解数据方程和目标方程.采用乘性正则化方法于共轭梯度框架下求解反演参数,采用优化的散射级数Neumann序列获得整体波场,这种方法不易陷入局部极值,能收敛到正确解.测井资料和典型山前带模型测试表明,利用上述反演方法能获得高分辨率的深度域地下介质属性,可直接进行储层预测和解释.     

基于一阶弹性波方程的能量互相关成像条件

基于地震波场能量构建的能量互相关成像条件,具有易实现、物理意义明确及背向散射压制效果明显等优势.但是,目前构建的能量互相关成像条件仅适用于二阶弹性波方程,难以直接应用于一阶弹性波方程.为此,本文针对一阶弹性波方程,基于能量守恒定理及能量密度,构建以速度-应力为参数的能量范数以表征弹性波场能量,将速度-应力能量范数拓展为能量内积以提取弹性波场反射能量.震源端与检波端的基矢量正方向保持一致的基础上,构建得到可有效压制背向散射的弹性波能量成像条件.数值模拟结果表明:该成像条件可以得到背向散射压制、振幅有效保持的能量成像结果.     

各向异性介质弹性波多参数全波形反演

各向异性介质弹性波方程全波形反演过程中多参数之间的相互耦合,使得弱参数在反演过程中难得到理想的结果.本文以VTI介质为例,在各参数辐射模式分析的基础上,基于改进的散射积分算法实现目标函数梯度的直接求取,进一步构建高斯牛顿方向,实现Hessian矩阵的有效利用,以考虑Hessian矩阵非主对角线元素包含的各参数间的耦合效应,在不使用任何反演策略的情况下实现高精度的VTI介质弹性波方程多参数同步反演.同时,该方法在计算过程中无需存储庞大的核函数矩阵,且无需传统截断牛顿法中额外的正演计算,因此内存占用小,计算效率高.本文数值试验验证了该方法的有效性,为各向异性多参数全波形反演提供了一种新的解决方案.     

地震逆散射波场和算子的谱分解

本文对地震逆散射的研究,旨在于为抑制层间多次波和地震波场多重散射对一次反射干扰效应提供理论依据.这对薄互层地层滤波的高频恢复、保幅弹性反演、衍射地震勘探及海洋地震勘探中的干扰消除皆具重要意义.本文基于上下行波分解及弹性波互易定理,导出横向变速介质条件下线性预测算子的表达式和反射数据的广义谱分解方程. 文中先由上覆地层广义反射透射矩阵的元素定义线性预测算子,并将其表示成一系列单程波算子的线性组合,之后将横向变速介质条件下线性预测方程表达为反射数据与线性预测算子及其逆的乘积. 对该方程的求解可获得上覆地层的线性预测算子,从而可借以求出相应的反射透射算子. 本文先将水平层状介质条件下垂直入射的一维线性预测方程推广到斜入射的情况,以此为参照,导出横向非均匀介质条件下反射数据的地震逆散射广义谱分解方程.文中也揭示了单程波地震逆散射算子、反射透射算子的性态.本文还针对水平层状介质条件,给出斜入射的数值结果.     

基于Born波路径的高斯束初至波波形反演

为了提高表层速度反演精度,本文提出了一种新的波形反演方法.该方法只利用初至波波形信息以减少波形反演对初始模型的依赖性,降低反演多解性与稳定性.由于只利用初至波波形信息,所以该方法利用高斯束计算格林函数和正演波场,以减少正演计算量.为了避免庞大核函数的存储,该方法基于Born波路径,利用矩阵分解算法实现方向与步长的累加计算.将此基于Born波路径的初至波波形反演方法应用于理论模型实验,并与声波方程全波形反演和初至波射线走时层析方法相对比,发现该方法的反演效果略低于全波形反演方法,但明显优于传统初至波射线走时层析方法,而计算效率却与射线走时层析相当.同时,相对于全波形反演,本文方法对初始模型的依赖性也有所降低.     

三维弹性波方程的修正时空优化保辛数值求解方法

正演计算是反演研究的基础,为了实现基于三维弹性波方程的全波形反演成像,发展准确、高效、低数值频散的三维正演模拟方法至关重要.为此,本文将修正保辛分部龙格-库塔格式与优化有限差分算子结合,发展了用于数值求解三维弹性波方程的修正时空优化保辛方法(MTSOS).新方法使用二级龙格-库塔格式达到了三阶时间精度,且更适用于求解非均匀介质情况下的弹性波方程,数值频散误差小于同精度保辛分部龙格-库塔(SPRK)方法的误差,提高了计算精度.波场模拟结果表明,三维MTSOS方法可以精确给出数值模拟结果,能够清晰模拟地震波传播过程中产生的各种震相、有效压制数值频散.     

倾斜和应变固体潮中的海潮负荷改正

引言 到目前为止,地球内部的弹性性质均由地震学方法获得。用地震记录可研究弹性波(压缩波、剪切波)和地下物质的弹性性质。研究海潮负荷作用下弹性地球的响应问题可对观测资料进行负荷改正并对地球内部的弹性参数进行反演研究,这是区别于地震学的又一行之有效的研究手段。多年来许多人在该领域作了大量的研究,已取得了一定的成     

慢度平方三角网格模型VTI介质二维QP波各向异性立体层析反演

基于慢度平方三角网格剖分模型下的各向异性射线扰动理论,建立了具有垂直对称轴的横向各向同性(VTI)介质中二维QP波立体层析所需的FRECHET导数矩阵,实现了慢度平方三角网格模型的VTI介质二维QP波各向异性立体层析.考虑到各向异性参数是影响地震波运动学特征的次一级因素,制定了先反演慢度再反演各向异性参数的反演策略.由于慢度平方三角网格模型的稀疏性,使得数据空间对模型空间的FRECHET导数矩阵规模被大幅压缩,在降低了计算成本的同时也很好的保证了界面位置、背景慢度、各向异性等各个参数的反演精度.理论数据算例证实了 FRECHET导数的正确性和反演策略的合理性.     

三维散射算子及其在逆散射中的应用

以弹性波为重点，评述了三锥散射算子关系及其在逆散射中的应用。为便于理解，在介绍过程中，还仔细描述一维球对称情况下散射矩阵和逆散射方程推导。本文表明，无论在一维球对称介质情形，还是三维情形（包括声波、电磁波和弹性波），其因果场、反因果场和散射数据之间都存在一个关系，即散射算子关系。如果利用因果场与反因果场之间的时间反转关系，可以得到因果场与散射数据之间的关系或方程。再引进三种场的分解方法，可以得到三种关于因果场的方程，这就是逆散射方程。这些方程分别提出了新的问题。     

各向异性介质qP波传播描述I：伪纯模式波动方程

地球介质相对于地震波波长尺度的定向非均匀性会导致波速的各向异性,进而影响地震波场的运动学与动力学特征．各向异性弹性波动方程是描述该类介质波场传播的基本工具,在正演模拟、偏移成像与参数反演中起着关键作用．为了面向实际应用构建灵活、简便的各向异性波场传播算子,人们一直在寻求简化的各向异性波动方程．本文借鉴各向异性弹性波波型分离思想,通过对平面波形式的弹性波方程(即Christoffel方程)实施一种代表向波矢量方向投影的相似变换,推导出了一种适应任意各向异性介质、运动学上与原始弹性波方程完全等价,在动力学上突出qP波的新方程,即qP波伪纯模式波动方程．文中以横向各向同性(TI)介质为例,给出了相应的qP波伪纯模式波动方程及其声学与各向同性近似,并在此基础上开展了正演模拟和逆时偏移试验,展示了这种描述各向异性波场传播的新方程的特点与优势．     

基于声波测井资料的波动方程走时层析反演速度建模

地震勘探目标逐渐由浅层(<2000 m)转向中深层(2000～3500 m),高精度速度建模是实现精确地震成像的关键手段之一.目前,初至波或早至波速度层析建模方法已较为成熟,然而对深层速度建模更为重要的反射波层析建模方法依然面临走时拾取困难及计算量大等难题.针对当前中深层走时层析速度建模方法面临的难题,本文提出了一种基于声波测井资料的波动方程全波走时层析速度建模方法及策略.该方法首先通过早至波层析反演获得浅层及大尺度速度信息;其次,通过提取初次成像剖面的构造倾角信息,利用声波测井资料进行稀疏反演,进一步获得更高精度的速度模型;最后,以此为初始模型,进行全波层析反演获得最终偏移速度模型.数值结果表明,本文所提出的速度建模方法及策略不仅可以避免传统反射波层析建模方法因采用Born近似反偏移所带来的大计算量问题,且大幅提高了中深层速度建模的精度,进而能有效地提高中深层复杂构造区域的地震成像质量.     

非均匀介质孔隙流体参数地震散射波反演

弹性波逆散射是非均匀介质参数反演的有效途径．本文从弹性波逆散射理论出发,利用微扰理论和稳相法,将非均匀介质参数视为背景介质与扰动介质参数的叠加,建立了纵波散射系数和非均匀介质中背景介质与扰动介质孔隙流体参数,剪切模量与密度间的直接关系．进而发展了一种非均匀介质孔隙流体参数叠前地震贝叶斯反演方法．该方法假设模型参数（扰动介质与背景介质孔隙流体参数,剪切模量与密度的比值）服从柯西分布,反演目标似然函数服从高斯分布,并采用平滑初始模型约束提高反演稳定性．模型和实际资料处理表明,该反演方法能够稳定合理的直接从叠前地震资料中获取孔隙流体参数,提供了一种高可靠性的非均匀介质流体描述方法．     

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.     

解耦纵横波反射波走时反演

基于常规弹性波动方程的反射波走时反演结合走时和反射波信息可以有效的摄取模型参数中的低波数成分,然而纵横波之间的耦合效应以及纵横波速度对波场的敏感性差异,导致反演的非线性问题增强.为此本文研究了基于解耦波动方程的反射波走时反演,并提出改进的时移互相关目标函数,分别隐式计入射波场快照与反传波场快照的时移量,很大程度的降低了纵波、横波之间的耦合关系,并提高纵横波速度低波数信息的反演质量.最后模型测试证明了本文方法的正确性.     

起伏地表下流体填充裂缝的地震波场模拟(英文)

我们发展了一种模拟复杂地表下含裂缝介质地震波场的方法,这对于解释山地地区的地震资料具有重要意义。基于Coates-Schoenberg方法,把裂缝引入到有限差分法(FD)中,从而使包含裂缝的单元里的弹性介质就具有了局部的各向异性。为了模拟起伏的地表地形,我们借助于贴体网格,将笛卡尔坐标系的具有水平对称轴的横向各向同性介质(HTI)的弹性波方程和自由边界条件变换到曲线坐标系中,采用一种稳定的、显式的二阶精度的有限差分方法离散(曲线坐标系)HTI介质中的弹性波方程。数值实例充分地展现了在不规则地球表面的影响下裂缝介质中地震波传播的复杂性。合成地震记录和波场快照表明裂缝端点产生的散射波在地表处会受不规则地表地形的作用,再次被散射;同理,地表地形产生的散射波,经过裂缝端点时也会被再次散射,尤其是瑞利面波产生的散射波,因其能量很强,严重污染了地震记录,使得识别地下裂缝等产生的有效信息变得异常困难。这对山地地震勘探中资料的解释具有重要意义。