三维TTI介质相速度和群速度

相速度和群速度是研究地震波传播规律和描述介质特性的重要参数,是弹性波传播理论中的核心内容,在理论研究和实际应用中有重要作用.本文根据VTI介质的刚度矩阵,利用Bond变换建立了TTI介质刚度矩阵.再利用TTI介质刚度矩阵,结合弹性动力学的本构方程、牛顿运动微分方程和几何方程,得到了三维TTI介质弹性波波动方程和Christoffel方程.通过本征值方法求解Christoffel方程,推导了三维TTI介质弹性波相速度的解析表达式.利用Berryman和Crampin推导各向异性介质群速度公式,根据三维TTI介质的相速度解析式推导了三维TTI介质群速度解析表达式.数值试例表明,随着各向异性介质参数改变,TI介质弹性波相速度变化较为平缓,群速度变化较为剧烈,qP波和SH波速度变化较为平缓,qSV波速度变化较为剧烈.     

水平层状VTI介质高效射线追踪计算方法

准确、快速计算水平层状VTI (vertical transverse isotropic)介质的走时和射线路径是实现VTI介质地震叠前时间偏移和微地震监测速度建模的基础.水平层状VTI介质射线追踪的常用算法包括打靶法和最短路径法.打靶法原理简单、实现容易,但在长偏移距时存在微小初射角度变化导致射线路径巨大扰动的问题;最短路径法原理直观,但需要沿射线群速度方向(群角)计算走时,计算特定群角对应的群速度值需要先搜索对应的相速度角度(相角),显著降低了计算效率.本文综合打靶法和最短路径法的优点,从震源同时出射一系列射线,以这些射线到达界面的交点构成稀疏的网格节点,自适应加密实现检波点周围网格节点间距高于精度要求,采用插值算法获得检波点的走时和动态网格方法获得不位于网格节点上的检波点的射线路径.本文方法严格计算已知相角对应的群角和群速度,未使用弱各向异性群速度近似公式,适用于任意强度各向异性VTI介质qP、qSV和qSH直达波和反射波射线追踪;以相角确定震源出射射线,不用遍历群角和群速度对应关系.同传统最短路径方法的数值实验对比表明本文方法具有高精度和高效性,非常适合于需要多次正演计算的地震叠前时间偏移和微地震实时监测问题.

     

基于双线性插值的三维横向各向同性介质初至波射线追踪

给出了基于旅行时双线性插值(LTI)的三维横向各向同性(VTI)介质中的地震初至波旅行时计算及射线追踪方法,通过三维均匀及水平层状VTI介质模型的试算,证实了该方法的准确性及适应性.该方法可用于三维VTI介质中的深度偏移及层析成像.     

TTI介质有限差分逆时偏移的稳定性探讨

在沉积学中,可假设在相同时期的沉积层具有相近的物理性质和演化过程.因此,沿层传播的地震波和垂直于地层传播的地震波具有各向异性的特点.在纵波资料的处理中,考虑各向异性对逆时偏移的影响,通常假设介质的横波速度为零,这样可以得到纵波在TTI介质中的传播方程,但是该方程在实际计算中仍存在数值稳定性问题.本文加入横波分量可有效解决数值稳定性问题,并选取适当的横波速度减小对纵波成像的影响,实现地震波在TTI介质中的逆时偏移.实际测算表明,P-SV波的方程中包含横波分量,若假设SV的速度为零,则会导致方程的差分格式不稳定;若加入SV波,选择合适的SV波速度可以使SV波的全区各向异性和反射系数达到极小,并可有效的抑制SV波对纵波勘探的影响.本文的方法是一种稳定的TTI介质中的逆时偏移方法.     

三维TTI介质qP波透射立体层析方法研究

致力于研究三维TTI介质下的qP波立体层析反演算法.将射线扰动理论应用于三维具有倾斜对称轴的横向各向同性(TTI)介质拟声波程函方程, 导出立体层析所需的三维TTI介质qP波数据空间与三维TTI介质模型空间之间的所有Frechét导数.在通过灵敏度测试验证了相应Frechét导数对于三个各向异性THOMSEN参数的正确性之后, 使用两步法反演策略——即先使用坐标分量和射线参数水平分量(不包括走时)实施初始反演而后再使用所有数据空间分量进行反演, 在三维qP波TTI介质情形下针对三个各向异性THOMSEN参数可以获得理想的反演结果, 为三维qP波TTI介质下透射立体层析的应用做好了理论准备.用一个典型的理论数据算例证实了上述观点.

     

复杂山地随机介质GMM-ULTI法射线追踪

对复杂山地介质的非均质性以及介质中地震波运动学特征进行深入研究,对于提高复杂山地区域地震勘探的效果有着重要的理论意义和实际价值.为了研究复杂山地非均质性和该介质中地震波的一些运动特性,提出了一种复杂山地随机介质的建模方法和一种新的射线追踪算法.与常规算法相比,复杂山地随机介质的生成方法采用更贴近实际介质特点的梯度介质作为背景介质,并在模型生成过程中加入地形修正步骤;新提出的GMM-ULTI射线追踪算法,充分融合群推进法、迎风思想、走时插值法的优势,采用先计算走时后追踪射线路径的两步策略完成射线追踪.算法分析与计算实例表明:复杂山地随机介质的生成方法能灵活、精细且更贴近实际地刻画复杂山地介质的非均质特点;新射线追踪算法兼顾精度和效率、能无条件稳定且灵活地适应复杂山地随机介质的特点;同时基于对几个模型试算结果的分析也得出了复杂山地随机介质中的地震波的一些传播规律.     

VTI介质中地震波反射波合成记录的方法研究

在向向异性介质中，由于地震波的相速度和群速度有较大差异，相角和群角不同，相速度、群速度及群角相与角之间的关系比较复杂，因此与各同性相比较，计算地震波相速度，群速度及群角就更加困难，其合成地震记录的难度也就之增大，本文根据VTI（具有垂直对称轴的横向各向同性）介质中地震波的运动学特征，应用射线追踪方法，计算了VTI介质中的地震波的旅行时，并合成了反 地震记录，这为反射地震波的旅行时及速度分析提供了基础。     

迭代法在三维网络模型最短路径射线追踪中的应用

目前有许多基于二维网格模型的射线追踪算法,但应用与三维网格模型的射线追踪算法较少,主要是因为三维网格射线追踪算法在算法实现、编程以及图形显示方面都有一定难度.本文提出了一种适用于三维网格射线追踪的迭代算法,并应用于几种理论模型,同时实现了三维绘图显示,通过研究证明迭代算法能在一定程度上提高三维网格射线追踪的精度和速度.     

二维三分量TTI 介质Lebedev 网格正演模拟

鉴于三维各向异性介质(TTI、单斜等)正演模拟在计算量与内存上的巨大消耗以及标准交错网格机制波场插值带来的数值频散,本文采用二维三分量Lebedev交错网格有限差分方法对TTI介质进行波场模拟,利用二维介质便可得到3个相互垂直分量的弹性波场,并利用余弦相似度将其与完全三维正演波场进行对比,分析了该方法的模拟精度。对比测试结果表明,本文方法避免了插值误差,能够精确反映地震波在二维观测平面内的运动学特征,并且平面内质点的偏振速度、振幅能量与三维结果具有较高的相似度,而模拟占用的计算机资源却只相当于三维模拟中的一个二维剖面,是一种高效、准确的各向异性介质数值模拟方法。     

三维各向异性介质中的波动方程叠前深度偏移方法

基于三维VTI各向异性介质的频散关系,构建波数项和空间项分离的单程波算子表达式,以优化算法,确定算子的待定系数,实现广角逼近三维VTI介质的广义相移算子,发展了可灵活处理强或弱各向异性介质的波动方程叠前深度偏移方法.文中同时也针对其工业应用建议了三维VTI各向异性介质中可提高计算效率的频率相关变步长波场深度延拓算法及稀疏采样情况下可实现陡倾角构造正确成像的反假频波场延拓算法.SEG二维Hess VTI各向异性介质理论模型数据及野外数据集观测系统下的三维脉冲响应计算表明,本文提出了一种具有工业应用潜力的三维各向异性波动方程叠前深度方法.     

三维VTI介质中波动方程深度偏移的最优分裂Fourier方法

从含Thomsen各向异性参数的qP波相速度表示式出发,建立并求解三维VTI介质中的频散方程,得到三维VTI介质中的相移算子,进而将以相移算子为基础的最优分裂Fourier方法推广到三维VTI介质,发展了一个三维VTI介质的深度偏移方法.文中使用的各向异性介质的速度模型与现行的各向异性构造的速度估计方法一致,将各向同性、弱各向异性及强各向异性统一在一个模型中.文中提出的偏移算法对相移法引入了高阶校正项来补偿介质横向变化的影响,使该方法可应用于横向非均匀VTI介质的陡角度成像,文中给出的偏移脉冲响应很好地证明了这一点.     

带正则化校正的TTI介质qP波方程及其逆时偏移方法和应用

各向异性研究对地下介质精确成像有着重要的意义,在当前计算机硬件迅速发展及宽方位地震数据采集日益普遍的情况下,成像必须考虑介质的各向异性.逆时偏移是基于双程波动方程的较为精确的数值解的成像方法,所以相对于其他地震成像方法,它具有很大的优势,譬如不受反射界面的倾角限制、偏移速度结构合适时能够使回转波及多次波正确成像.在各向同性介质中,可使用标量波方程来模拟波场.而在各向异性介质中,P波和SV波是相互耦合的,即不存在单纯的标量波传播,通常利用能代表耦合波场中P波分量运动学特征的拟声波(qP波)进行偏移成像.本文中,我们推导出了TTI介质下qP波控制方程.该方程可采用显式有限差分格式进行求解.通过声学近似,若沿对称轴方向的剪切波速度为零,对于对称轴方向不变且ε≥δ的模型来说,可得到稳定的数值解.但对于TTI介质来说,由于沿对称轴方向各向异性参数是变化的,声学近似会引起波场传播及数值计算的不稳定.因此,我们提出了正则化有限横波的方法,很好地解决了这一问题.最后,给出了Foothill模型的测试结果及某探区实际资料试算结果,展示了采用这个方程进行复杂TTI模型正演和高质量逆时偏移成像结果,证实了该方法的正确性和实际资料应用中的有效性.     

TTI介质弹性波近似解耦波动方程

借助Christoffel方程可求解出各向异性介质弹性波精确频散关系.利用近似方法进行处理,再通过傅里叶逆变换将频率波数域算子变换为时空域算子,可导出解耦的qP波或qS波波动方程.本文在TTI介质弹性波精确频散关系的基础上,利用近似配方法推导了qP波和qSV波近似频散关系,通过傅里叶逆变换推导了TTI介质qP波和qSV波解耦的波动方程.为了验证近似频散关系的有效性,利用两组模型参数对其进行数值计算,分析了相对误差在不同传播方向上的分布.随后使用有限差分方法分别对均匀、层状及复杂TTI介质弹性波近似解耦波动方程进行数值模拟,结果显示qP波和qSV波完全解耦,并且在各向异性参数η < 0以及介质对称轴倾角变化较大的情况下,纯qP波和纯qSV波近似波动方程依然可以保持稳定.

     

A fast and global two point low storage optimization technique for tracing rays in 2D and 3D isotropic media

We present the problem of tracing rays in 2D and 3D heterogeneous isotropic media as a set of optimization problems. Each optimization problem is obtained by applying Fermat's principle to an approximation of the travel time equation from a fixed source to a fixed receiver. We assume a piecewise linear ray path that simplifies the computations of the problem, in the same way Mao and Stuart suggested in a very recent paper. Here, instead, the reflector geometry and the velocity function are computed by using nonuniformly biharmonic splines. On the other hand, to solve the optimization problem we use the Global Spectral Gradient method. This recent developed optimization scheme is a low storage optimization technique that requires very few floating point operations. It only requires the gradient of the travel time function, and it is global because it converges independently of the initial guess, that is, it does not require a close initial ray path. These three properties of the optimization method and the assumption of piecewise linear rays make this ray tracing scheme a very fast, global and effective method when estimating velocities via tomography. Moreover, in a homogeneous stratified or dipped media, any solution of the optimization problem is the best solution, i.e., it is the global minimum, no matter what numerical approach is used. We present some numerical results that show the computational advantages and the performance of this ray tracing in homogeneous and heterogeneous media.     

Lebedev网格改进差分系数TTI介质正演模拟方法研究

本文采用一种新的交错网格-Lebedev网格（LG）进行TTI介质的正演模拟研究,避免了Virieux标准交错网格（SSG）算法在处理TTI、单斜等各向异性介质时波场插值引入的数值误差,提高了模拟精度.在方法实现过程中,本文针对有限差分正演模拟面临的网格频散与边界反射两个关键性问题分别做了优化,并通过模型试算验证了它们的有效性与可行性：（1）结合最小二乘思想推导出新的频散改进差分系数（DIC）,该系数比Taylor系数更能有效地压制粗网格引起的数值频散,可以节约内存,提高计算效率;（2）将分裂的多轴完全匹配层（M-PML）吸收边界条件引入到LG算法中,解决了传统PML边界条件在某些各向异性介质中的不稳定现象并且具有较好的边界吸收效果.     

Quasi-shear wave ray tracing by wavefront construction in 3-D, anisotropic media

Wavefront construction (WFC) methods provide robust tools for computing ray theoretical traveltimes and amplitudes for multivalued wavefields. They simulate a wavefront propagating through a model using a mesh that is refined adaptively to ensure accuracy as rays diverge during propagation. However, an implementation for quasi-shear (qS) waves in anisotropic media can be very difficult, since the two qS slowness surfaces and wavefronts often intersect at shear-wave singularities. This complicates the task of creating the initial wavefront meshes, as a particular wavefront will be the faster qS-wave in some directions, but slower in others. Analogous problems arise during interpolation as the wavefront propagates, when an existing mesh cell that crosses a singularity on the wavefront is subdivided. Particle motion vectors provide the key information for correctly generating and interpolating wavefront meshes, as they will normally change slowly along a wavefront. Our implementation tests particle motion vectors to ensure correct initialization and propagation of the mesh for the chosen wave type and to confirm that the vectors change gradually along the wavefront. With this approach, the method provides a robust and efficient algorithm for modeling shear-wave propagation in a 3-D, anisotropic medium. We have successfully tested the qS-wave WFC in transversely isotropic models that include line singularities and kiss singularities. Results from a VTI model with a strong vertical gradient in velocity also show the accuracy of the implementation. In addition, we demonstrate that the WFC method can model a wavefront with a triplication caused by intrinsic anisotropy and that its multivalued traveltimes are mapped accurately. Finally, qS-wave synthetic seismograms are validated against an independent, full-waveform solution.     

裂缝诱导的TTI介质固液解耦反射系数方程及裂缝和流体参数反演方法

利用地震数据进行裂缝预测及流体识别对于裂缝性储层的勘探开发具有重要意义.针对单组旋转对称的倾斜裂缝诱导的TTI介质, 基于各向异性Gassmann方程, 推导了固液解耦纵波反射系数近似公式, 分析了不同条件下近似公式的精度.根据实际研究工区裂缝储层的特征, 选用高裂缝倾角近似公式, 通过奇异值分解从方位弹性阻抗中估算裂缝密度和裂缝方位, 进而分离和消除各向异性项, 建立流体等效体积模量及孔隙度贝叶斯反演预测方法.模型试算表明, 在信噪比大于2时, 流体等效体积模量、孔隙度和裂缝参数的估计较为可靠, 实际应用也验证了反演方法的有效性.