三维地震与OBS联合勘探揭示的神狐海域含水合物地层声波速度特征

以三维高分辨地震与海底高频地震仪（OBS）联合勘探数据为基础,获得海底之下沉积层的地震反射成像剖面及多波信息,并以此确定研究区含天然气水合物沉积层的纵、横波速度的变化特征.根据走时反演获得的横波速度与纵波速度对比分析发现,研究区海底之下500 m深度范围内的某些沉积层具有较高的纵横波速度,这一纵波速度升高区域与水合物稳定带对应,而纵波速度下降并且横波速度变化较小的区域,可能与游离气的存在相关.游离气的可能存在与基于这一区域2007年钻探测井结果的普遍认识不完全相符.     

基于谱元法的全波形反演及其在海底地震数据中的应用

全波形反演已被广泛应用于获取地下速度结构.而反演问题与正演方法密切联系,针对特定反演问题,合适的正演方法能极大提高反演效率和精度.本文首先验证谱元法在含起伏界面模型数值模拟方面的优势,在此基础上将谱元法作为正演引擎应用于全波形反演,并为克服未知子波的影响,采用一种归一化的频率域目标泛函.结果表明,起伏地表情况下,基于谱元法的全波形反演相比于基于传统有限差分法反演,具有更高的反演精度.进一步,本文将基于谱元法的波形反演方法应用于OBS观测系统的理论合成数据和野外采集数据.谱元法非结构化网格剖分自然满足自由边界条件,能很好地适应不规则海床并模拟多次波.理论实验表明,即使在OBS观测系统很稀疏的情况下,基于谱元法的全波形反演仍能获得海底以下正确的高波数速度结构.在处理实际OBS数据时,本文采用分频策略以减少反演非线性,初始模型成功更新,其结果揭示了西沙海槽海底以下更多的细节信息.     

天然气水合物似海底反射层的全波形反演

建立了天然气水合物似海底反射层(BSR)研究的全波形反演方法. 这是一种将 水平层状弹性介质的反射共中心点道集转换为截距时间-水平慢度域的反演方法. 反演过程 中采用了全局搜索方法与非线性局部搜索方法. 分两步进行. 第一步是根据走时数据应用非 常快速模拟算法求得速度结构的长波长分量. 第二步，利用波形资料用共轭梯度法求得速度 的短波长扰动分量. 这样，最后反演得到的速度结构模型包含了长波长与短波长分量. 反演 中利用了多网格参数化技术. 日本东南海海槽双BSR的速度结构的反演表明，全波形反演是 天然气水合物BSR研究的重要手段之一.     

基于振幅加权的拖缆与海底地震资料联合波形反演方法

南黄海新近系沉积层与其下方中-古生代海相地层之间速度差异大,存在强波阻抗界面,导致接收的浅部和中深部地层的反射波振幅差异极大.一般全波形反演方法未考虑不同界面反射波振幅的差异,对南黄海浅部沉积层速度的反演效果好,而对中深部地层速度的反演效果差.为此,本文提出一种基于振幅加权的拖缆与海底地震资料联合波形反演方法.该方法对中深部弱反射波数据施加较大的权重,对浅部强反射波数据施加较小的权重,从而均衡浅、中和深部地层反射波的振幅,使得自浅至深所有地层速度均能得到较好反演效果.同时,该方法利用海底地震资料和拖缆地震记录积分的低频成分反演低波数背景速度场,利用拖缆资料的高频成分提高反演模型的分辨率,充分发挥了拖缆和海底地震资料的优势互补作用,获得了比仅使用单一资料更好的反演结果.根据地震剖面和钻井资料,建立了南黄海中部隆起的速度模型.利用该理论模型的合成地震记录对本文方法进行了测试和分析,验证了本文方法的正确性和有效性.     

浅层结构不确定性对广角地震走时正演模拟结果的影响——以西沙地块OBS2011-1测线为例

海洋地球物理勘探中常使用多道地震数据建立浅部地层模型,结合海底地震仪广角地震数据进行射线追踪和走时反演求取地层速度特征.受采集环境和成本限制,部分海底地震仪测线缺少同步采集的多道地震数据,建立的初始模型其浅层结构有较大不确定性,可能会对正演模拟结果造成严重影响.本研究针对海底地震仪广角地震走时模拟中浅部结构的不确定性因素,使用RayInvr软件构建了理论模型和走时数据体,分析讨论了初始模型沉积层厚度与速度变化对正演模拟结果的影响.之后进行实测数据处理,在MCS2019-3测线数据的约束下建立初始模型,对OBS2011-1测线震相重新进行了走时拟合,将得到的模型结果与先前结果进行对比,得到以下结论:沉积层厚度及速度不确定性对走时模拟结果的浅部结构影响较大,深部结构影响较小;使用错误的速度与基底深度组合来拟合沉积层反射震相PsP,会使台站下方的地壳和地幔折射震相Pg和Pn,以及莫霍面反射震相PmP都出现走时小起伏,走时提前对应沉积层速度与厚度偏大,走时延后对应沉积层速度与厚度偏小;PsP震相缺失时,不同的速度-深度组合都可以很好地拟合震相,但会增加结果的不确定性.     

反射地震层析成像在海洋天然气水合物储层识别中的应用

海底地层速度结构是识别海洋天然气水合物储层的直接依据,本文应用地震反射走时层析成像建立了海底地层速度模型.采用不规则网格对模型进行离散化,使速度单元与反射界面单元完全耦合;利用基于不规则单元波前扩展和走时插值的射线追踪方法,精确确定反射射线路径和反射波走时;在反演中同时使用先验约束、平滑约束、归一化和正则化技术,提高了层析反演的稳定性和结果的可靠性.对南海北部神狐海域SH2井附近的二维地震测线资料,利用多域人机交互法拾取了反射走时,用反射走时层析成像方法获得了SH2井附近含水合物目标区的速度结构.该反演结果与测井声波速度和钻探结果一致,其中的高速带对应水合物储层,表明反射走时层析成像能够有效地得到海洋天然气水合物储层的速度结构,为海洋天然气水合物储层识别提供依据.     

二维无限频率初至走时反演井间地震实际资料

使用Zelt和Barton的方法,通过一个计算效率高的有限差分求解eikonal方程,正演计算走时和射线路径.使用最小二乘QR分解法,求解稀疏线性系统方程组.使用正则化层析反演,结合用户给定的最小的、最平坦和最平滑的扰动限制,每一个加权因子随深度变化.结合数据残差和模型粗糙度的最小化,为数据残差提供一个最平滑的近似模型.该反演方法为非线性反演,需要一个初始模型,在每一次迭代时,需要计算新的射线路径.使用二维初至走时数据,对某油田二维井间地震实际资料进行无限频率初至走时层析反演.将反演所得到的速度与井的测井速度曲线相比较,二者吻合程度较高,表明该反演方法所得速度的分辨率比较高.证实了二维无限频率初至走时层析反演可以为全波形反演提供一个分辨率较高的长波长速度模型,从而为全波形反演井间地震实际资料提供了一个比较可靠的初始速度模型.     

海底天然气水合物OBS多分量地震正演模拟（英文）

根据Ecker的水合物沉积物的三种微观模式,计算含水合物沉积层和含游离气沉积物的弹性模量,分析对比了水合物的不同微观模式、不同水合物饱和度以及不同游离气饱和度对沉积物弹性模量的影响;从纵横波分离的弹性波动方程出发,采用交错网格空间有限差分方法模拟地震波在海底天然气水合物沉积地层的传播,得到纵、横波的海底地震（OBS）共接收点道集。数值算例表明,当水合物作为流体的一部分或胶结颗粒骨架时,仅纵波记录上存在BSR;当水合物胶结颗粒接触,纵、横波记录上均存在BSR。并且,OBS会接收到上行纵波和上行横波在海底界面形成的转换波,干扰横波记录上BSR的识别。     

数据域特征波反射走时反演

地震波的运动学信息(走时、斜率等)通常用于宏观速度建模.针对走时反演方法,一个基本问题是走时拾取或反射时差的估计.对于成像域反演方法,可以通过成像道集的剩余深度差近似计算反射波时差.在数据域中,反射地震观测数据是有限频带信号,如果不能准确地确定子波的起跳时间,难以精确地确定反射波的到达时间.另一方面,如果缺乏关于模型的先验信息,则很难精确测量自地下同一个反射界面的观测数据同相轴和模拟数据同相轴之间的时差.针对走时定义及时差测量问题,首先从叠前地震数据的稀疏表达出发,利用特征波场分解方法,提取反射子波并估计局部平面波的入射和出射射线参数.进一步,为了实现自动和稳定的走时拾取,用震相的包络极值对应的时间定义反射波的到达时,实现了立体数据中间的自动生成.理论上讲,利用包络极值定义的走时大于真实的反射波走时,除非观测信号具有无限带宽(即delta脉冲).然而,走时反演的目的是估计中-大尺度的背景速度结构,因此走时误差导致的速度误差仍然在可以接受的误差范围内.利用局部化传播算子及特征波聚焦成像条件将特征波数据直接投影到地下虚拟反射点,提出了一种新的反射时差估计方法.既避免了周期跳跃现象以及串层等可能性,又消除了振幅因素对时差测量的影响.最后,在上述工作基础之上,提出了一种基于特征波场分解的新型全自动反射走时反演方法(CWRTI).通过对泛函梯度的线性化近似,并用全变差正则化方法提取梯度的低波数部分,实现了背景速度迭代反演.在理论上,无需长偏移距观测数据或低频信息、对初始模型依赖性低且计算效率高,可以为后续的全波形反演提供可靠的初始速度模型.理论和实际资料的测试结果证明了本文方法的有效性.     

海域天然气水合物全波形反演研究进展

在海域天然气水合物勘探过程中,全波形反演可以在缺少井资料情况下提供水合物及游离气区域精细速度结构,与AVO分析相比,全波形反演可以有效降低薄层效应影响.概述了全波形反演的研究进展及其在海域天然气水合物参数结构分析中的应用现状;讨论了天然气水合物全波形反演策略,包括基于层状介质假设的全局优化与局部优化相结合反演策略和基于有限差分、有限元正演模拟的多参数结构直接反演策略等;探讨了天然气水合物全波形反演中一些具有代表性的技术特点,包括地震子波估计方式、海底多分量地震数据的应用、多参数同时反演;最后给出天然气水合物全波形反演发展趋势和可能改进建议.随着三维全波形反演算法的不断改进,海域天然气水合物勘探精度将进一步提高,为水合物商业开发提供依据.     

基于稀疏反演的OBS数据多次波压制方法

自由表面多次波压制是海底地震仪（Ocean Bottom Seismometer,OBS）数据处理和成像中的难点,OBS数据多次波能量强,周期长,严重影响深层一次反射波的处理和成像.不同于常规拖缆观测系统,OBS数据站点一般相隔较远,仅仅利用检波点稀疏的波场信息难以压制OBS数据中的自由表面多次波.本文采用拖缆数据与OBS数据联合,利用稀疏反演估计（Estimation of Primaries and Multiples by Sparse Inversion,EPSI）方法,研究了OBS数据自由表面多次波压制理论,分析了OBS多次波产生的机理,详细推导了拖缆数据与OBS数据联合预测OBS多次波的EPSI方法基本原理.通过利用拖缆数据的信息,实现了OBS检波点稀疏数据多次波的压制问题.EPSI方法通过稀疏反演直接估计一次反射波,避免了SRME（Surface Related Multiple Elimination）方法中自适应相减对有效信号的损害,保真了一次反射有效信号,理论模拟OBS数据验证了方法的有效性.     

利用四分量OBS数据揭示南海北部陆坡天然气水合物分布及速度特征（英文）

为了调查南海北部陆坡的天然气水合物的分布及其速度特征,广州海洋地质调查局在该海域进行了一系列的四分量(4-Component,简称4C)海底高频地震仪(Ocean Bottom Seismometer,简称OBS)测量。本文对该局在该海域采集的四分量OBS站点地震数据进行成像处理。处理的关键步骤包括重定位、重定向、水陆检合并、镜像偏移。站点的重定位与重定向是使得四分量数据正确归位。水陆检合并是指水检和陆检的匹配,相加和相减分离上行波和下行波。上行波用于常规成像,下行波可用于镜像偏移。由于节点稀疏,上行波的常规成像无法识别天然气水合物分布。镜像偏移是利用检波点的下行波进行成像,既改善浅地层的构造照明,又提高了天然气水合物矿体的成像精度,可建立精确的速度模型。通过下行波成像,镜像偏移剖面构造特征清晰,分辨率高,海底、天然气水合物地震识别标志-似海底反射(Bottom Simulating Reflection,简称BSR)与高分辨率剖面和速度特征相吻合。     

二维时间-空间域声波全波形速度反演方法研究

我们采用区域分解(物理上分割模型,使用基于MPI的分布式存储架构的计算集群,从而节约单个CPU内核的内存使用量,加快正演数值模拟的计算速度)和炮并行(能够加快计算速度)的双并行算法,进行L-BFGS算法的二维时间-空间域声波全波形速度反演.我们采用多尺度的策略,只需要使用三个离散频率(5 Hz,8 Hz,12 Hz),从数据的低频成分开始反演,将低频的反演结果作为高频反演时的初始速度模型,依次反演数据的高频成分,进行Marmousi理论模型的全波形反演数值试验.数值试验反演所恢复得到的速度证实了:二维时间-空间域声波全波形速度反演方法计算灵活,可以适用于任何的采集观测系统,对地震数据可以方便地加时窗;使用多个计算节点同时计算多炮时,能够多倍提高数值计算效率.二维时间-空间域声波全波形速度反演所恢复得到的速度模型的分辨率较高.     

多主频波场的时间阻尼全波形反演

低频成分缺失和地下速度强烈变化会导致严重的周期跳现象,是地震数据全波形反演的难题.通过对地震数据加时间阻尼和时间积分降主频处理,提出了一种可有效去除周期跳现象的多主频波场时间阻尼全波形反演方法.由浅到深的速度不准确会造成波形走时失配和走时失配的累积.浅部速度的准确反演可有效地减小深部波形走时失配与周期跳现象.对地震数据施加时间阻尼得到时间阻尼数据,利用不同阻尼值的时间阻尼地震数据实现由浅到深的全波形反演.低主频波场的周期跳现象相对高主频波场的要弱.对地震波场进行不同阶的时间积分以得到不同主频的波场,把低主频波场的全波形反演结果作为高主频波场全波形反演的初始模型.应用缺失4 Hz以下频谱成分的二维盐丘模型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,数值试验结果显示多主频波场的时间阻尼全波形反演方法对缺失低频成分地震数据和地下速度强烈变化具有很好的适应性.     

区域尺度地震体波和面波走时联合成像：进展与展望

如何利用观测到的地震图上尽可能多的信息来约束地下结构以及地震震源本身一直是地震学研究的前沿课题.近年来,随着计算机计算能力的提高,使用基于全波形反演的方法已被用于不同尺度结构成像中,并取得了良好的效果.但如何减小全波形反演对计算资源的巨大需求以及其反演的高度非线性仍是目前急需解决的问题.此外,对于区域以及全球尺度成像,全波形反演的波形的拟合仅限于相对较低的频率.目前,基于波形层析成像在区域尺度最高能拟合的频率大约为0.5 Hz,在全球尺度能拟合的频率更低,所以获得的波速模型的分辨率还有一定的改进空间.地震学体波和面波联合反演是另一种可以综合利用更多信息的成像方法.该种方法主要利用高频体波的走时信息以及面波的频散信息来约束地下结构.由于只需要求解高频近似下的波动方程,其效率较全波形反演有较大提高.相比于体波和面波数据单独反演,联合反演能利用体波和面波对地下结构约束的互补性来获得能同时拟合不同数据的波速结构模型.此外,体波和面波数据联合反演能获得更为准确的泊松比模型,因此可以更好地约束岩性、孔隙度、熔融程度等.鉴于目前海量的基于机器学习获得的不同震相的走时数据以及越来越多的密集流动地震观测...     

VSP直达波和反射波波动方程走时联合反演

地面资料全波形反演采用低波数回折波敏感核和高波数偏移等时线恢复地下模型的长波长和短波长分量.当回折波的穿透深度有限时,很容易陷入局部极值.波动方程反射波走时反演采用反射波的透射敏感核更新速度模型.当浅层速度存在较大误差时,仍无法得到满意的反演结果.VSP资料中直达波是一种透射波,穿透深度大,可用于井旁背景速度场建模.本文发展了针对VSP观测方式的波动方程走时联合反演(直达波和反射波)方法.采用全局优化参数反演法实现VSP上下行波和纵横波分离,构建了基于下行直达波和上行反射波走时残差的混合目标函数,推导了相应的伴随状态方程和梯度公式,给出了背景速度和反射系数分步反演流程.理论和实际VSP资料应用表明：直达波和反射波走时联合反演可以得到运动学特征精确的速度模型,为后续全波形反演提供可靠的初始模型;联合反演比单独直达波/反射波走时反演的精度高,比直达波和反射波走时级联反演的耗时少.     

基于声波方程的井间地震数据快速WTW反演方法

WTW(Wave equation traveltime+Waveform inversion)反演是基于波动方程的走时反演（WT反演）和波形反演的联合反演方法.WT反演利用波动方程计算走时和走时关于速度的导数，和传统以射线为基础的走时反演相比，具有不必射线追踪、不必拾取初至、不必高频假设以及初始模型和实际模型差别较大时也能较好收敛等优点，但WT反演与波形反演相比其结果分辨率低.与之互补的是，波形反演的反演结果分辨率高，但是当所给初始模型和实际模型相差太大时，波形反演迭代算法容易陷入局部极小点.可见结合两种方法的WTW反演是一种比较好的联合反演方法.常规WTW迭代算法是首先以WT反演为主反演得到地质模型的整体特征，然后再以波形反演为主反演模型细节，该算法耗时和占用计算机存储空间接近WT反演或波形反演的两倍.为了节省运算耗时和计算机存储空间，往往采取首先单独利用WT反演然后再单独利用波形反演的算法.这样做的缺点是不能紧密结合两种反演方法，使得它们的优缺点在每一次迭代中无法得到互补，从而影响了最终的反演结果.针对以上事实，本文提出一种新的方法实现WTW，使得WTW运算速度和存储空间在任何情况下等同于WT反演或波形反演.模型计算表明新的算法具有更好的收敛性.     

二维时间空间域弹性波全波形反演-理论模型数值试验

本文使用炮并行和区域分解(物理上分割模型,使用基于MPI的分布式存储架构的计算集群,节约单个CPU内核的内存使用量,快速进行正演数值模拟)两种并行算法.该方法的每一步迭代都能确保近似海森矩阵的正定,因此,算法稳健.将时间正向传播的炮波场和反向逆时间传播的残差波场(伴随波场)进行零延迟互相关计算,得到误差泛函的梯度,然后对梯度乘以一个预条件算子,从而加快反演的收敛速度.通过抛物线搜索方法而估计步长,使用L-BFGS算法(限定内存的BFGS算法)求解模型的更新量,进行二维时间空间域弹性波全波形反演.将该反演方法应用到Marmousi2弹性波理论模型,分别反演Marmousi2理论模型的纵波速度、横波速度以及密度等三个参数.我们分别使用截止频率为2 Hz、5 Hz、10 Hz和20 Hz四个阶段的低通巴特沃斯滤波器,采用多尺度的策略,从理论模型数据的低频分量开始反演,将低频分量的反演结果作为高频分量反演时的初始模型,然后依次反演数据的高频分量.理论模型数值试验反演所得到的结果证实:二维时间空间域弹性波全波形反演计算灵活,适用于各种观测系统,能够方便地对地震数据进行加时窗;二维时间空间域弹性波全波形反演所得纵波速度模型的分辨率最高,横波速度模型的分辨率次之,密度模型的分辨率稍微差些.     

OBS广角地震探测中二次反射Pg震相特征及在地壳结构成像中的作用

在海底地震仪(OBS,Ocean Bottom Seismometer)广角地震探测中,经常可以见到能量很强、连续性很好的多次波震相,但对于如何确定这些多次波的属性以及怎样充分利用它们来约束地下的结构特征,至今还缺乏详细的研究.本文利用南海北部已获取的OBS探测数据,对与地壳折射Pg震相近乎平行并紧随其后的二次反射Pg震相进行了系统分析研究,发现在实测OBS地震记录剖面上,二次反射Pg震相具有连续、清晰、可追踪偏移距较远(约60km以上)等特点,其地震波形和粒子运动轨迹与初至Pg震相相似,但二次反射Pg震相波形最大振幅值和粒子震动能量明显比初至Pg震相大.通过理论模型模拟以及对实测地震剖面三种不同反射层路径的走时计算,确定了二次反射Pg震相主要来自沉积层的反射.在此基础上,对二次反射Pg震相在地壳结构成像中的作用进行分析,发现加入二次反射Pg震相前后,由于反射震相的增加,沉积层界面的约束程度得到极大的提高;另外,通过对理论模型和实测剖面OBS2010地壳结构进行加入二次反射Pg震相前后的分辨率测试,结果发现加入二次反射Pg震相数据后,由于射线密度的增加,沉积层和上地壳结构的成像分辨率有显著改善.     

三维OBS探测实验中炮点和OBS位置校正新方法

炮点和海底地震仪(ocean bottom seismometer,OBS)位置校正是三维地震数据处理的基本环节,也是获取高精度三维速度结构的关键所在.本文基于南海洋陆转换带(Continental-Oceanic-Transition zone,COT)IODP367/368钻探区开展的三维OBS深地震探测数据,开展了炮点及OBS位置校正研究,新的校正方法主要体现在三个方面:(1)利用连续三个炮点的平均航向对中间炮点进行位置校正,更真实地反映气枪枪阵与船体之间的软连接状态;(2)根据"滑动窗口"思想将海水声学速度阈值划分成N等份,通过循环测试获得全局最优的OBS位置校正结果,改进了前人方法只能获得局部最优解的问题;(3)针对单条测线穿过的OBS,通过加入其临近测线的直达水波走时,构成视双测线OBS位置校正法,提高了校正精度.49台OBS位置校正结果表明,除3台单测线法校正的OBS在垂直测线方向存在较大不确定性外,其余误差范围均为35m左右.本文改进的OBS位置校正方法,不仅提高了单条测线穿过的OBS位置校正精度,保证后续三维地震结构研究的可靠性,而且为今后类似的OBS位置校正提供了经验和借鉴.