二维时间空间域和频率空间域声波全波形速度反演方法的对比研究

本文将二维时间空间域和频率空间域声波全波形速度反演方法分别应用到Marmousi模型,进行数值试验.两种方法均采用相同的观测系统和其他的参数,理论模型的数值试验结果证实了:使用较多的计算集群的CPU进行二维频率空间域直接法声波全波形反演时,其加速有限(正演数值模拟的计算量主要用于稀疏矩阵的LU分解,炮点计算波场时为线性关系).二维时间空间域声波全波形反演计算时更灵活,多炮同时计算时,可以多倍提高其计算效率;二维声波全波形速度反演时,直接法求解频率空间域的计算速度远快于时间空间域,所需要的计算机内存也比时间空间域少.二维声波全波形速度反演时,相比较于时间空间域的方法,频率空间域直接法声波全波形反演具有计算速度快和节省计算机内存需求的优势.     

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.     

基于波场分离的弹性波逆时偏移

尽管叠前逆时偏移成像精度高,但仅针对单一纵波的成像也可能形成地下介质成像盲区,由于基于弹性波方程的逆时偏移成像可形成多波模式的成像数据,因此弹性波逆时偏移成像可提供更为丰富的地下构造信息.本文依据各向同性介质的一阶速度-应力方程组构建震源和检波点矢量波场,再利用Helmholtz分解提取纯纵波和纯横波波场,使用震源归一化的互相关成像条件获得纯波成像,避免了直接使用坐标分量成像而引起的纵横波串扰问题.针对转换波成像的极性反转问题,文中提出一种共炮域极性校正方法.为有效节约存储成本,也提出一种适用于弹性波逆时偏移的震源波场逆时重建方法,在震源波场正传过程中,仅保存PML边界内若干层的速度分量波场,进而逆时重建出所有分量的震源波场.本文分别对地堑模型和Marmousi2模型进行了弹性波逆时偏移成像测试,结果表明:所提出的共炮域极性校正方法正确有效,基于波场分离的弹性波逆时偏移成像的纯波数据能够对复杂地下构造准确成像.     

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.     

基于多网格的频率域全波形反演(英文)

频率域全波形反演虽然克服了时间方向上的局部极小值问题,但是地下介质的复杂性使其在空间域仍然存在局部极小值缺陷。在优化梯度法基础上,本文采用预条件双共轭梯度稳定算法和多重网格方法计算反演中的波场传播和目标函数的梯度,在保证计算速度的同时,减小计算机内存的消耗。频率域波形反演和多重网格的多尺度性质有效改善问题极小值缺陷,加快反演的收敛速度。以局部非均匀的三孔模型和Marmousi模型的数值模拟结果验证了该算法的有效性。     

基于一阶速度-胀缩-旋转方程的纵横波地震偏移角度域共成像点道集提取方法（英文）

角度域共成像点道集(angle-domain common-image gathers,ADCIGs)是多波AVA反演和偏移速度分析的基础数据。纵、横波坡印廷矢量的准确求取是获得多分量地震资料ADCIGs的前提。由常规速度-应力弹性波方程得到的坡印廷矢量代表了纵、横两种波的混合波场的传播方向,而非纯纵波或纯横波的传播方向。一阶速度-胀缩-旋转弹性波方程能够求取纯纵波或纯横波的坡印廷矢量,获得单一类型波的传播方向信息。本文基于一阶速度-胀缩-旋转弹性波方程逆时偏移实现纵、横波ADCIGs的求取,具体思路为:利用胀缩振动速度矢量和胀缩标量分别求取炮点和接收点波场中纯纵波的坡印廷矢量,利用剪切振动速度矢量和旋转矢量求取纯横波的坡印廷矢量,取炮点波场中各网格点纵波能量最大时刻的纵波坡印廷矢量为入射纵波传播方向矢量,取接收点波场中各网格点纵(横)波能量最大时刻的纵(横)波坡印廷矢量为反射纵波(反射转换横波)传播方向矢量,据此求取入射角并最终得到纵、横波角道集。模型试算表明:本文方法可以准确求取界面处入射波和反射波的传播方向矢量,得到地震波入射角,实现纵、横波角道集的高精度提取。     

基于矢量波场逆时偏移的保幅角道集提取方法（英文）

将偏移后的炮域偏移距道集转换为角度域共成像道集(ADCIGs)可为偏移速度分析(MVA)和叠前反演提供输入道集,并且ADCIGs是理论上没有假象的叠前反演道集,也是目前公认的精度最高的叠前反演道集。本文研究了基于矢量波场逆时偏移的弹性波保幅ADCIGs的提取方法,以保幅弹性波逆时偏移方程为基础,其核心是求取不同震源位置的纵、横波场在地下各成像点的入射角,对于转换波勘探,二者共享一个入射角,即震源纵波入射角。根据几何关系,震源纵波波场的传播角、构造的局部地层倾角之差为震源纵波入射角,震源纵波波场的传播角利用解耦后纵波场的极化向量得到,构造的局部地层倾角利用偏移叠加剖面的复波数得到。对纵、横波的共炮点偏移道集按入射角重新排列即可得到各自的ADCIGs。文中利用水平层状介质模型、倾斜层状介质模型、Marmousi-Ⅱ弹性波部分模型和实测资料验证了算法的有效性,计算结果表明,本文方法计算的纵、横波角度具有较高的精度,提取的角道集具有较好的振幅保真性,能够为MVA和叠前反演提供可靠的输入道集。     

基于波数域梯度场分解的多尺度波形反演方法

全波形反演是一种建立高精度速度模型的有力工具,是偏移模式和层析模式的联合.然而,当初始模型较差、数据缺失低频成分和大偏移距数据缺失时,常规波形反演的层析成分更新较弱.因此,反演过程以偏移模式为主,容易导致反演快速陷入局部极小值.本文发展了基于波数域梯度场分解的多尺度波形反演方法(WGDFWI),从梯度场中分离出层析成分,在反演的初期主要依赖层析分量更新背景速度场,为常规全波形反演建立良好的初始模型.首先,基于一种高效的隐式波场分离方法,将梯度场分解为层析成分和偏移成分.然后在层析梯度上应用二维波数域滤波器,以缓解偏移成分泄露的问题,并利用多尺度反演策略,增强反演的稳定性.利用双层模型和Marmousi模型进行试算的结果表明,该方法可以有效重构背景速度模型,为常规波形反演提供良好的初始模型,有效提高反演精度.     

层状弹性介质的波阻抗反演

讨论层状弹性介质的纵波阻抗和横波阻抗的同时反演问题，由纵波线源激发产生的弹性波场，通过倾斜叠加可以得到其平面波分解，分解出来的平面波场对应于以不同倾角斜入射激发所产生的波场，它们满足由二维弹性波基本方程派生出的一维偏微分方程组。利用在地面同时接收的位移速度的水平和垂直分量，可以由每个特定角度斜入射产生的平面波场所满足的一维方程组反演层状弹性介质的两个参数，在已知密度情况下，可以反演纵波阻抗和横波阻     

频率多尺度全波形速度反演

以二维声波方程为模型,在时间域深入研究了全波形速度反演.全波形反演要解一个非线性的最小二乘问题,是一个极小化模拟数据与已知数据之间残量的过程.针对全波形反演易陷入局部极值的困难,本文提出了基于不同尺度的频率数据的"逐级反演"策略,即先基于低频尺度的波场信息进行反演,得出一个合理的初始模型,然后再利用其他不同尺度频率的波场进行反演,并且用前一尺度的迭代反演结果作为下一尺度反演的初始模型,这样逐级进行反演.文中详细阐述和推导了理论方法及公式,包括有限差分正演模拟、速度模型修正、梯度计算和算法描述,并以Marmousi复杂构造模型为例,进行了MPI并行全波形反演数值计算,得到了较好的反演结果,验证了方法的有效性和稳健性.     

二维弹性波频率域15点差分格式及正演模拟

为优化二维各向同性介质中弹性波频率域正演时阻抗矩阵的结构,减小正演所需内存,提高正演效率,在25点差分格式的基础上进行适当的简化,得到了二维弹性波频率域15点差分格式.利用该格式重新计算了弹性波方程中偏微分项和加速项的差分算子,减少了计算过程中的网格节点需求,构造了优化阻抗矩阵后的频率域正演矩阵方程;推导了纵波和横波相速度的频散公式,给出了不同泊松比条件下的频散曲线,得到了相速度误差控制范围±1%时每一横波波长内网格数需求.通过对比频散曲线和简单模型数值模拟时得到的波场快照、检波点处速度分量及单炮记录,验证了15点差分格式与25点差分格式相比,具有稍严格的网格间距需求、相当的计算精度、更少的计算时间和更小的阻抗矩阵带宽等特点.最后,利用复杂模型数值模拟对本方法的适应性进行了验证.     

基于可视性分析与能量补偿的金属矿弹性波全波形反演

采用弹性波全波形反演方法精确重建深部金属矿多参数模型,建模过程采用基于地震照明的反演策略.首先给出基于照明理论的观测系统可视性定义,利用可视性分析构建新的目标函数,对反演目标可视性较高的炮检对接收到的地震记录在波场匹配时占有更高的权重,确保了参与反演计算中的地震数据的有效性;其次将给定观测系统对地下介质的弹性波场照明强度作为优化因子,根据地震波在波阻抗界面处的能量分配特点,自适应补偿波场能量分布和优化速度梯度,以提高弹性波全波形反演过程的稳定性和反演结果的精度.理论模型和金属矿模型反演试验结果表明,基于可视性分析和能量补偿的反演策略可以使弹性波全波形反演更快地收敛到目标函数的全局极小值,获得适用于金属矿高分辨率地震偏移成像的多参数模型.     

低频缺失情况下的弹性波包络反演（英文）

多分量地震数据中低频缺失是弹性波全波形反演中的一大难题,低频的缺失导致全波形反演无法有效恢复介质的长波长成分进而使反演陷入局部极值。为此,本文提出了反演介质纵横波速度长波长分量的弹性波包络反演方法。该方法利用包络算子具有的解调多分量数据中隐含的低频信息的能力,构造多分量地震数据的包络目标函数进行反演,用以恢复地下介质纵横波速度的长波长成分。一系列数值试验表明,即使在多分量地震数据中缺失低频信息、并且初始模型缺少先验信息的情况下,这种弹性波包络反演方法能够有效降低波形反演的非线性,可以为后续的常规弹性波全波形反演或者深度偏移提供足够精确的初始模型,且该方法对横波速度长波长分量的重建尤为有效。Mamousi-2模型的高精度纵横波速度的反演结果表明,利用该方法反演的纵横波速度作为常规弹性波全波形反演的初始模型,可以显著提高反演结果的精度。此外,本文对弹性波包络反演方法的适用性也进行了初步的研究与讨论。     

快速精确的二维频率空间域弹性波数值模拟

二维频率空间域的数值模拟方法具有以下的优势:多炮模拟时,计算成本比时间域方法低;无累计误差;在地震反演中处理多震源模拟时,只需要有限的几个频率就可以得到好的反演结果.差分离散化形成的稀疏系数矩阵,需要求解一个巨大规模的线性方程组,最大瓶颈是需要海量的计算机内存,导致计算量庞大.本文在前人研究的基础上,采用嵌套剖分网格排序法,极大限度减少对计算机内存的需求,从而减少了计算量.针对弹性波数值模拟的特征,提出二维频率空间域弹性波多炮模拟的快速计算流程.数值模拟试验证明使用嵌套剖分排序法的弹性波多炮数值模拟比压缩存储法具有节省存储量、计算效率高等优势,为后续的二维频率空间域弹性波全波形反演奠定了很好的基础.     

基阶与高阶瑞利波联合反演研究

研究了六层层状介质模型瑞利波基阶和高模式波相速度对横波速度、深度的敏感性,结果表明：基阶波较高模式波对7 m以内浅部地层的横波速度更敏感,敏感性频带在10～25 Hz范围内,峰值频带集中在18 Hz左右;高模式波较基阶波对深部地层的横波速度更敏感,敏感性频带宽,峰值分散.基阶波对浅层的敏感性和高模式波穿透深度更深的特点为近地表岩土层二维横波速度结构的联合反演提供了前提条件.利用阻尼最小二乘SVD（Singular Value Decomposition）算法联合基阶与高模式波对理论模型和实例数据进行横波速度反演,反演结果表明联合反演增强了反演的稳定性,提高了反演的精度.     

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.     

非均匀流-固边界耦合介质多参数全波形反演方法

海洋勘探环境可以抽象为下伏固体与上覆流体相互耦合的介质,本文针对流-固边界耦合介质提出了一种高效、稳定的多参数（速度和密度）全波形反演方法.本文采用弹性波一阶位移-应力方程作为过渡层耦合声波压力方程与弹性波位移方程来模拟耦合环境,相比于传统的交错网格建模方法或者构建连续性条件,本文提出的方法在正演精度和稳定性上凸显出很大优势,极大降低了计算内存.反演策略对多参数全波形反演至关重要,由于不同参数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,因此本文将非均匀流-固边界耦合介质多参数全波形反演分为两个步骤完成：第一步利用变密度声波方程结合推导出的密度梯度算子进行纵波速度和密度的双参数反演;第二步根据链式法则求取横波速度的梯度,结合第一步的反演结果使用流-固边界耦合方程反演横波速度.最后通过与声波动方程数值模拟结果对比证明正演算法的准确性;上覆流体的Marmousi-2模型的数值试验测试说明反演方法的有效性和适应性.     

基于保幅波场分离的弹性波逆时偏移方法研究（英文）

欲实现基于弹性波方程的矢量波场逆时偏移纵、横波独立成像,必须在波场延拓过程中实现纵、横波场的分离,散度和旋度算子分离的纵、横波出现振幅与相位的畸变,导致输出成像结果的振幅失真。本文提出一种在弹性波场延拓过程中实现纵、横波保幅分离的方法,在传统的弹性波方程中加入纵波压力、纵波振动速度和横波振动速度方程,实现纵横波的矢量分解,再对分解后的矢量纵波和矢量横波做标量化合成得到保幅分离的纵、横波场,对保幅分离的纵、横波场应用成像条件,然后实现矢量波场逆时偏移的保幅纵横波成像。该方法可以保证分离后纵、横波的振幅与相位不变;同时,分解后的纵波压力和纵波振动速度可用于层间反射噪音压制和横波极性校正,提高多分量地震资料联合逆时偏移的纵、横波成像质量,从而实现保幅弹性波逆时偏移的目的,为叠前深度剖面应用于叠前反演工作奠定基础。     

基于非规则网格声波正演的时间域全波形反演

全波形反演是地震资料处理中速度建模的有力工具,相比层析成像等速度建模方法它能够得到速度场的更高频成分.本文给出了基于声波方程格子法正演的时间域全波形反演方法,该方法用非规则、非结构化的三角网格来离散计算区域及模型参数,能实现网格粒度与反演分辨率在空间上的自动匹配,内存需求少,计算效率高;采用L-BFGS优化方法,以分频段变网格的方式实施多尺度反演.以二维Overthrust模型进行了速度反演数值测试,显示了该方法的高效性和潜力.     

基于海底电缆数据的声弹耦合介质多参数最小二乘逆时偏移（英文）

在海洋地震勘探中,海底电缆技术采集的多分量地震数据,涉及到多参数的反演与成像问题,本文针对海底电缆多分量地震数据提出了一种弹性波多参数最小二乘逆时偏移方法。该方法的波场延拓算子为混合方程,即在海水介质中采用声波方程进行波场计算,而海底固体介质的波场由纵横波形分离的矢量弹性波方程得到。在海底界面中采用声弹耦合控制方程将两种类型的方程结合起来。通过推导纵横波形分离的弹性波偏移算子、反偏移算子和梯度公式实现基于纵横波形分离的弹性波最小二乘逆时偏移方法。通过模型试算证明了该方法能够得到高质量的纵波速度和横波速度分量的成像剖面,相比与传统弹性波最小二乘逆时偏移方法,多参数耦合造成的成像串扰噪音得到了很好地压制。