基于改进全变差正则化的GPR多尺度全波形双参数同步反演

针对探地雷达（GPR）双参数全波形反演中电导率反演精度差、双参数存在串扰现象、反演计算量大、易陷入局部极值等问题.作者将具有多参数调节功能的L-BFGS算法引入到GPR时间域全波形反演中,它避免了对Hessian矩阵的直接存储与精确求解,减小了存储量和计算量.结合参数调节因子的选取,有效减小了同步反演时介电常数与电导率的串扰影响,在不降低介电常数反演精度的前提下,提高电导率参数的反演精度.通过在反演目标函数中加载改进全变差正则化方法,提高了反演的稳定性,使目标体边缘轮廓更加清晰.首先以简单模型为例,对比了单尺度反演与多尺度串行反演策略的优劣,说明多尺度串行反演有利于逐步搜索全局最优解;而开展参数调节因子的选取实验,说明合适的参数调节因子可以有效改善介质电导率的反演精度;测试了不同正则化的反演效果,表明改进全变差正则化能提高反演稳定性,显著降低模型重构误差.最后,分别对含噪合成数据和实测数据进行了反演测试,说明本文提出的多尺度、双参数反演具有较强的鲁棒性,能提供更丰富的信息约束,重构图像界面清晰、反演效果好.

     

基于改进全变差正则化的GPR多尺度全波形双参数同步反演

针对探地雷达（GPR）双参数全波形反演中电导率反演精度差、双参数存在串扰现象、反演计算量大、易陷入局部极值等问题.作者将具有多参数调节功能的L-BFGS算法引入到GPR时间域全波形反演中,它避免了对Hessian矩阵的直接存储与精确求解,减小了存储量和计算量.结合参数调节因子的选取,有效减小了同步反演时介电常数与电导率的串扰影响,在不降低介电常数反演精度的前提下,提高电导率参数的反演精度.通过在反演目标函数中加载改进全变差正则化方法,提高了反演的稳定性,使目标体边缘轮廓更加清晰.首先以简单模型为例,对比了单尺度反演与多尺度串行反演策略的优劣,说明多尺度串行反演有利于逐步搜索全局最优解;而开展参数调节因子的选取实验,说明合适的参数调节因子可以有效改善介质电导率的反演精度;测试了不同正则化的反演效果,表明改进全变差正则化能提高反演稳定性,显著降低模型重构误差.最后,分别对含噪合成数据和实测数据进行了反演测试,说明本文提出的多尺度、双参数反演具有较强的鲁棒性,能提供更丰富的信息约束,重构图像界面清晰、反演效果好.     

基于初至走时层析的弱全变差约束波场重构反演（英文）

全波形反演的目标泛函是一个强非线性函数,反演过程非唯一性强,容易陷入局部极值。本文首先在波场重构过程中将波动方程作为惩罚项引入到目标函数构建中,拓宽了解的搜索空间降低陷入局部极小值的风险,且反演过程不需要计算伴随波场,可显著提升计算效率;其次,考虑到全变差约束可以有效重构速度模型中的不连续界面,本文引入弱全变差约束来避免强全变差约束下的模型过度平滑估计,该策略的缺点是对初始模型的依赖性较强。鉴于此,本文将初至走时层析获取长波长初始模型作为一种先验模型约束,提出了基于初至走时层析的弱全变差约束波场重构反演方法。数值实验结果表明：新方法降低了对初始模型的依赖性,界面刻画更为准确误差降低,迭代收敛效率也得到了显著提升。     

频率域全波形反演方法研究进展

全波形反演方法利用叠前地震波场的运动学和动力学信息重建地下速度结构,具有揭示复杂地质背景下构造与岩性细节信息的潜力.根据研究需要,全波形反演既可在时间域也可在频率域实现.频率域相对于时间域反演具有计算高效、数据选择灵活等优势.近十几年来频率域全波形反演理论在波场模拟方法、反演频率选择策略、目标函数设置方式、震源子波处理方式、梯度预处理方法等方面取得了进展.目标函数存在大量局部极值的特性是影响反射地震全波形反演效果的重要内在因素之一.如果将Laplace域波形反演、频率域阻尼波场反演、频率域波形反演三种方法有机结合,可以降低反演的非线性程度.     

声波全波形反演目标函数性态

地震波传播的复杂性所引起的地震反演中强烈的非线性问题是目前全波形反演在技术上遇到的最大难题,了解全波形反演中不同的目标函数随不同物性参数的不同摄动尺度的变化性态,对选择合理的反演方法和反演策略具有重要意义.本文参照Jannane等对波形反演目标函数性态的分析方法,通过变密度声波方程,分析了多种地震数据子集的不同目标函数随物性参数的摄动尺度的变化关系,重点分析了它们的非线性程度,为进行分步骤、分尺度全波形反演方法和反演策略的选择提供了理论指导.     

基于声学全波形反演的油气藏地震成像方法

岩性油气藏在我国天然气勘探开发中占有非常重要的位置,其分布区域的成像是合理布设井位,提高钻井成功率的关键之一.本文首先基于地下介质的声学近似和波场回传理论,利用频率域单程声波方程延拓计算地震波场,进行全波形反演,获得地层密度和体积模量的定量成像,并依据油气藏物性特征和流体饱和多孔介质岩石物理模型,简要讨论了孔隙度和饱和度与密度及体积模量的关系,明确了地震油气藏成像新概念.在此基础上,定义了基于流体体积模量和孔隙度的成像函数,进行油气藏成像.理论模型计算表明该方法是可行的.通过对西部地区某气田二维地震数据处理,实现了致密砂岩气藏成像,钻井结果证实了气藏区域成像位置的准确性和方法的有效性.     

基于归一化能量谱目标函数的全波形反演方法

基于L2范数的常规全波形反演目标函数是一个强非线性泛函,在反演过程中容易陷入局部极小值.本文提出归一化能量谱目标函数来缓解全波形反演过程中的强非线性问题,同时能够有效地缓解噪声和震源子波不准等因素的影响.能量谱目标函数是通过匹配观测数据与模拟数据随频率分布的能量信息来实现最小二乘反演的,其忽略了地震数据波形与相位变化的细节特征,这在反演的过程中能够有效缓解波形匹配错位等问题.数值测试结果表明,基于归一化能量谱目标函数在构建初始速度模型、抗噪性和缓解震源子波依赖等方面都优于归一化全波形反演目标函数.金属矿模型测试结果表明,即使地震数据缺失低频分量,基于归一化能量谱目标函数的全波形反演方法在像金属矿这样的强散射介质反演问题上同样具有一定的优势.

     

基于Born敏感核函数的速度、密度双参数全波形反演

速度、密度之间的相互耦合使得密度在多参数全波形反演中较难获得.本文将截断高斯-牛顿法用于声介质速度、密度双参数全波形反演,通过考虑近似Hessian矩阵中反映速度、密度相互作用的非主对角块元素,有效解决了多参数全波形反演中速度、密度之间的耦合问题,在不采用反演策略的情况下,仍能够获得精度较高的速度、密度反演结果.常规的截断牛顿类全波形反演通常利用一阶伴随状态法求取目标函数对模型参数的梯度,利用二阶伴随状态法或有限差分法求解Hessian-向量乘,在每一步内循环迭代过程中需要额外求解两次正演问题,计算量较大.本文基于Born近似,将梯度计算中的核函数-向量乘表示为具有明确物理意义的向量-标量乘的累加运算,同时将Hessian-向量乘转化为两次核函数-向量乘,无需额外求解正演问题,有效降低了计算量.数值实验证明了本文提出的方法的有效性.     

基于各向异性全变分约束的多震源弹性波全波形反演

多震源编码技术可以提高全波形反演的计算效率,但同时会引入串扰噪声使反演结果质量降低. 全变分约束可以有效地压制层内噪声并突出模型界面,其与多震源技术的结合,能在大大提高弹性波全波形反演效率的同时提高反演质量. 本文提出了一种高效的动态多震源全波形反演策略,可以在离散串扰噪声的同时保证照明的均匀性. 根据残留串扰噪声的分布特征,构建了与之匹配的基于各向异性全变分约束的弹性波全波形反演方法. 为了减少周期跳跃效应,将基于稀疏约束的低频重构算法应用于弹性波地震记录,给出了利用快速梯度投影算法求解各向异性全变分约束的全波形反演流程. 模型数据测试结果表明本文的方法不仅能有效地抑制多震源方法导致的串扰噪声,同时也能降低观测数据中的噪声对反演结果的影响.

     

基于精确震源函数的解调包络多尺度全波形反演

本文提出解调包络方法来重构地震记录中缺失的低频信号,同时该方法能够降低全波形反演的非线性程度;提出伴随状态震源函数反演方法来得到精确的震源函数,并推导了梯度计算公式;解调包络方法结合低通滤波技术,实现了从低频到高频的多尺度反演策略,有效缓解了全波形反演的周波跳跃问题.数值算例证明了解调包络、伴随状态震源函数反演方法和低通滤波多尺度反演策略的可行性及优越性.震源函数反演精度测试结果表明：即使观测记录在缺失低频信息的情况下,也能反演得到精确的震源函数.缺失低频测试和抗噪能力测试结果表明：即使地震数据中缺失9Hz以下的低频信号或者信噪比极低的情况下,利用反演得到的精确震源函数进行解调包络多尺度全波形反演,同样可以得到高精度的全波形反演结果.与Hilbert包络全波形反演对比结果表明：解调包络在重构低频和降低伴随震源主频方面具有一定优势.

     

Offset‐variable density improves acoustic full‐waveform inversion: a shallow marine case study

We have previously applied three‐dimensional acoustic, anisotropic, full‐waveform inversion to a shallow‐water, wide‐angle, ocean‐bottom‐cable dataset to obtain a high‐resolution velocity model. This velocity model produced an improved match between synthetic and field data, better flattening of common‐image gathers, a closer fit to well logs, and an improvement in the pre‐stack depth‐migrated image. Nevertheless, close examination reveals that there is a systematic mismatch between the observed and predicted data from this full‐waveform inversion model, with the predicted data being consistently delayed in time. We demonstrate that this mismatch cannot be produced by systematic errors in the starting model, by errors in the assumed source wavelet, by incomplete convergence, or by the use of an insufficiently fine finite‐difference mesh. Throughout these tests, the mismatch is remarkably robust with the significant exception that we do not see an analogous mismatch when inverting synthetic acoustic data. We suspect therefore that the mismatch arises because of inadequacies in the physics that are used during inversion. For ocean‐bottom‐cable data in shallow water at low frequency, apparent observed arrival times, in wide‐angle turning‐ray data, result from the characteristics of the detailed interference pattern between primary refractions, surface ghosts, and a large suite of wide‐angle multiple reflected and/or multiple refracted arrivals. In these circumstances, the dynamics of individual arrivals can strongly influence the apparent arrival times of the resultant compound waveforms. In acoustic full‐waveform inversion, we do not normally know the density of the seabed, and we do not properly account for finite shear velocity, finite attenuation, and fine‐scale anisotropy variation, all of which can influence the relative amplitudes of different interfering arrivals, which in their turn influence the apparent kinematics. Here, we demonstrate that the introduction of a non‐physical offset‐variable water density during acoustic full‐waveform inversion of this ocean‐bottom‐cable field dataset can compensate efficiently and heuristically for these inaccuracies. This approach improves the travel‐time match and consequently increases both the accuracy and resolution of the final velocity model that is obtained using purely acoustic full‐waveform inversion at minimal additional cost.     

基于地震数据子集的波形反演思路、方法与应用

地震数据与地下介质物性参数之间的复杂关系,决定了地震全波形反演在理论方法上面临着强烈的非线性难题.地下不同物性参数的不同分量在地震数据上具有不同的表现,勘探的不同阶段对地下介质模型的精度也具有不同的要求,这就决定了在地震全波形反演过程中不必时刻追求地震数据全部信息的匹配,部分信息的匹配就有可能解决现阶段的某些问题,还可以一定程度上规避匹配全部地震信息所遇到的强烈非线性难题.基于这样的考虑,我们提出了利用地震数据子集进行波形反演的思路,给出了统一的反演方法,并通过基于包络数据子集以及反射波数据子集的波形反演的理论模型与实际资料反演试验,证明了所提出的波形反演思路和方法的正确性.     

Analysis of different parameterisations of waveform inversion of compressional body waves in an elastic transverse isotropic Earth with a vertical axis of symmetry

In a multi‐parameter waveform inversion, the choice of the parameterisation influences the results and their interpretations because leakages and the tradeoff between parameters can cause artefacts. We review the parameterisation selection when the inversion focuses on the recovery of the intermediate‐to‐long wavenumbers of the compressional velocities from the compressional body (P) waves. Assuming a transverse isotropic medium with a vertical axis of symmetry and weak anisotropy, analytical formulas for the radiation patterns are developed to quantify the tradeoff between the shear velocity and the anisotropic parameters and the effects of setting to zero the shear velocity in the acoustic approach. Because, in an anisotropic medium, the radiation patterns depend on the angle of the incident wave with respect to the vertical axis, two particular patterns are discussed: a transmission pattern when the ingoing and outgoing slowness vectors are parallel and a reflection pattern when the ingoing and outgoing slowness vectors satisfy Snell's law. When the inversion aims at recovering the long‐to‐intermediate wavenumbers of the compressional velocities from the P‐waves, we propose to base the parameterisation choice on the transmission patterns. Since the P‐wave events in surface seismic data do not constrain the background (smooth) vertical velocity due to the velocity/depth ambiguity, the preferred parameterisation contains a parameter that has a transmission pattern concentrated along the vertical axis. This parameter can be fixed during the inversion which reduces the size of the model space. The review of several parameterisations shows that the vertical velocity, the Thomsen parameter δ, or the Thomsen parameter ε have a transmission pattern along the vertical axis depending on the parameterisation choice. The review of the reflection patterns of those selected parameterisations should be done in the elastic context. Indeed, when reflection data are also inverted, there are potential leakages of the shear parameter at intermediate angles when we carry out acoustic inversion.