利用地震波形反演研究震源破裂时空过程

本文对近10多年来利用地震波形反演推断震源破裂时空过程这一领域的研究进展作一简单介绍．论述了理论地震图的计算、反演确定震源参数、以及解释反演结果三方面的发展,并对反演结果进行了归纳总结．研究表明,在本文所提到的地震中,多数大地震的震中附近只有相对小的滑动,而在多数中等地震的震中或其附近有较大的滑动．本文认为,在进一步提高反演解答的稳定性和可信程度的基础上,在大地构造背景下研究震源的性质,对一批不同震级、发生在不同构造区的地震进行系统研究是有意义的．     

地震震源机制波形自动反演系统的研究现状与展望

震源机制解是地震学研究的重要组成部分, 它从一定程度上描述了震源的性质及其破裂过程, 对其正确、 全面地认识可深化理解地震的孕育、 发生和演化。 而地震波形自动反演系统的建立, 不仅实现了利用地震波形信息进行震源机制解的自动反演, 更重要的是加快了反演的速度, 充分体现了提取震源信息的实效性, 从而有力地帮助震情分析、 余震趋势预测、 震后救援等工作的展开。 本文系统地阐述了震源机制解反演方法, 总结了自动反演系统构建思路以及波形自动反演系统的实现, 为国内构建自动反演系统提供了可鉴的技术思路。     

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.     

利用地震波形反演研究震源破裂时空过程

本文对近10多年来利用地震波形反演推断震源破裂时空过程这一领域的研究进展作一简单介绍．论述了理论地震图的计算、反演确定震源参数、以及解释反演结果三方面的发展,并对反演结果进行了归纳总结．研究表明,在本文所提到的地震中,多数大地震的震中附近只有相对小的滑动,而在多数中等地震的震中或其附近有较大的滑动．本文认为,在进一步提高反演解答的稳定性和可信程度的基础上,在大地构造背景下研究震源的性质,对一批不同震级、发生在不同构造区的地震进行系统研究是有意义的．     

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.     

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.

     

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.

     

VTI介质速度与δ参数qP波全波形反演

获取准确的速度与各向异性参数模型,是全波形反演的主要目标.由于各向异性参数的敏感性较差,常规全波形反演方法很难同时得到满意的速度和各向异性参数模型.本文提出一种新的VTI介质qP波全波形反演方法.采用动校正速度参数化方式得到新的VTI介质qP波方程,改善各向异性参数δ对近偏移距数据的敏感性.在新的方程中,推导了VTI介质全波形反演梯度公式.基于敏感核分析设计了合理的分步反演策略,来缓解不同参数之间的串扰,进而提高速度和各向异性参数的反演精度.模型算例表明,新的反演策略能够有效提高速度和δ参数的反演精度.分步反演方法在非线性更强的各向异性反演中,能够得到更接近真实值的反演结果.     

地震全波形反演方法研究综述

近年来,随着计算机硬件水平的提高,地震全波形反演技术研究快速发展,并有效的推进了油气勘探.本综述主要对当前地震全波形反演主要存在反演非唯一性、噪声敏感性、初始模型强依赖、易陷入局部极值、计算量大等问题进行调研,重点介绍了地震全波形反演方法在时间域,频率域和Laplace域内的各种改进和优化的策略,为全波形反演方法研究提供参考.     

高铁震源地震信号的稀疏化建模

我国每天有数千趟高铁列车运行在两万多公里的高铁线路上,不但会引起高铁路基的振动,还会激发出地震波.地震检波器所接收到的数据中不仅包含窄带分立谱特性的高铁震源地震信号,还包含宽频带特性的背景信号.如何实现从检波器所接收到的高铁震源地震数据中分离出高铁震源地震信号和宽频带背景信号是准确利用该类信号的关键.考虑到高铁震源地震信号与宽频带信号在频率域明显的形态特征差异,本文首次将形态成分分析这种信号分离手段引入到高铁震源地震信号处理中,实现高铁震源地震信号的稀疏化建模并进而实现从接收数据中分离出高铁震源地震信号以及宽频带背景信号.对北京大学在中国南方某高铁沿线采集到的大量高铁震源地震数据进行处理,结果表明：采用形态成分分析并结合分块坐标松弛算法,能够实现实际采集高铁震源地震数据中的高铁震源地震信号和宽频带信号的分离.

     

高铁地震震源子波时间函数及验证

基于纵横波产生机理并结合高铁列车及铁轨结构,本文给出了高铁列车产生地震纵波及横波震源（点源及等效源）子波的时间函数;通过实际高铁地震数据及合成高铁地震数据分析,验证了高铁地震震源子波时间函数的合理性;在高铁列车匀速、加速及减速运行情况下,利用高铁地震点源子波合成记录分析了高铁地震震源子波的频谱特征,为实际高铁地震数据处理解释奠定了良好的基础.

     

大量高铁地震事件的属性体提取与特性分析

列车在高铁上运行能够产生大量的高铁地震事件,这些地震事件既包含了作为震源的列车本身的结构信息,也蕴含了高铁线路的地质环境信息.本文提出了一种频率-空间-时间（FXT）属性描述大量高铁地震事件之间的关联.在FXT属性上,高铁地震信号之间的关联表征为在频率坐标轴F上相互对齐、在空间位置坐标轴X和事件到达时间坐标轴T上连续变化的分立谱线.本文对课题组在深圳为期两天的观测采集得到的4500余条高铁地震信号进行了FXT属性的提取,并对FXT属性进行了统计特性的分析：方差分析表明,高铁线路的地质环境的变化对高铁地震信号特征的影响大于不同列车的结构差异对高铁地震信号特征的影响;聚类分析表明,高铁地震信号的特征按接收点位置能够无监督地聚类为和高铁线路途经地质环境相关联的不同类别.通过上述分析表明,高铁地震信号中蕴含着丰富的可解释的高铁运行地质环境信息,具备对高铁列车运行安全进行监测的潜力.

     

Interpretation of first arrival travel times in seismic refraction work

The necessary condition for the seismic refraction method to succeed is that the refracted first arrivals from each layer in a multilayered earth system should be detected on a seismogram as first arrivals, and this is possible only when velocities of all underlying layers are successively greater. The usual procedure to interpret the refraction travel times is to fit such a data set with several intersecting straight lines by employing a visual technique which may lead to errors of subjective judgment, as the velocity model depends on the selection of various line segments through the data. To remove the visual fit we propose here a layer stripping method based on minimum intercept time, apparent velocity, rms residual, and maximum data points by least-squares fitting to yield several intersecting straight lines. Once data are segmented out, the conventional equations can be used to determine the velocity structure.     

初至波菲涅尔体地震层析成像

根据地震波传播的有限频理论,对于某个特定震相的观测信息,不仅射线路径上的点对该信息具有影响,射线领域上的其他点对接收信息也具有影响,这种影响可以用核函数来表达.本文基于波动方程的Born近似与Rytov近似,给出了非均匀介质情况下初至地震波振幅与走时菲涅尔体层析成像单频、带限层析核函数的计算方法.通过对均匀介质情况下初至地震波菲涅尔体层析成像核函数解析表达式的理论模型实验与分析,给出了不同维度振幅、走时单频菲涅尔体的空间分布范围,进而给出了带限菲涅尔体边界的确定方法.将本文的走时菲涅尔体层析成像理论应用于表层速度结构反演中,理论模型试验与实际资料处理结果表明,初至波菲涅尔体地震层析成像方法比传统的初至波射线层析成像理论具有更高的反演精度.     

基于互信息量的地震信号检测和初至提取方法

本文将现代信息科学中的重要基础理论——信息论引入到地震信号的分析和处理中,提出了一种利用互信息量检测地震信号并进行初至提取的方法,给出了该方法的基本原理和具体算法.计算结果表明,互信息量随滑动窗口移动的变化情况可以明确标示出待测地震信号的存在,通过提取互信息量的突变点或峰值点,能够有效拾取地震波的初至时刻.这种方法还可以特别针对非传统的地震信号,如连续随机信号、随机脉冲序列等进行处理.在这些信号条件下,往往信噪比很低,波形随传播距离发生较大变化,传统的信号检测方法效果不佳,而这种以随机信号检测为基础的互信息量探测方法具有很好的性能,很有发展前景.     

Application of the redundant-lifting scheme for ground-roll attenuation in near-surface characterization using full-waveform inversion on P-wave seismic data

Seismic modelling of the shallow subsurface (within the first few metres) is often challenging when the data are dominated by ground-roll and devoid of reflection. We showed that, even when transmission is the only available phase for analysis, fine-scale and interpretable P-wave velocity (V_P) and attenuation (Q_P⁻¹) models can still be prepared using full-waveform inversion, with data being preconditioned for ground-roll. To prove this idea, we suppressed the ground-roll in two different ways before full-waveform inversion modelling: first, through a bottom mute; second, through a novel wavelet transform-based method known as the redundant-lifting scheme. The applicability of full-waveform inversion is tested through imaging two buried targets. These include a pair of utility water pipes with known diameters of 0.8 m and burial depths of 1.5 m, respectively. The second target is the poorly documented backfill, which was the former location of the pipe(s). The data for full-waveform inversion are acquired along a 2D profile using a static array of 24, 40 Hz vertical component geophones and a buried point source. The results show that (a) the redundant-lifting scheme better suppresses the ground roll, which in turn provides better images of the targets in full-waveform inversion; and (b) the V_P and Q_P⁻¹ models from full-waveform inversion of redundant-lifting scheme data could detect the two targets adequately.     

地震信号的复地震道分析及应用

复地震道分析又称三瞬分析,该分析方法可将反映地震信号局部变化情况的地震波的瞬时振幅、瞬时相位和瞬时频率等信息分离开.本文应用Hilbert变换求解虚地震记录,用复地震道分析方法求取"三瞬"信息,并用该方法计算了理论合成地震记录的瞬时振幅、瞬时相位和瞬时频率,获得了较好的效果.同时,本文也利用该方法对某区块实际地震资料进行了处理,结果表明,复地震道分析方法获得的"三瞬"信息可反映地震信号的局部变化,有助于进行地震薄互层分析,并能提高数据的解释精度.     

多道联合压缩感知弱小反射地震信号提取处理方法

在讨论联合压缩感知稀疏重建的基础上,针对地震资料特点,利用小波分析方法,进行联合稀疏公共部分和特有部分分解建模.为了挖掘地震资料有效地质信息,考虑到分布式压缩感知算法和应用效果实际实现困难,提出了多道地震资料压缩重建方法.就研究提出的新方法、新理念,围绕决定稀疏重建质量的稀疏度、稀疏基等关键问题进行了深入研究,结合纵横向地震信号特点分析,分别研究纵横稀疏度的选取方法及指导准则.同时对稀疏基的类型和特性在揭示地质信息能力方面进行了分析讨论.集各种研究问题于一体,形成了多道联合压缩感知地震资料重建的新方法.通过实际资料测试,比较分析各类计算结果,得到了新的认识和结论,实际资料处理效果明显.

     

中国大陆主要地震活动区中小地震震源参数研究

本文利用中国大陆几个主要地震活动区近几年积累的大量ML≥3.0数字地震观测记录,在分别反演得到13个不同构造研究区域的介质衰减模型、348个台站的场地效应的基础上,自0.1~20 Hz的SH观测波形数据中逐步消除了仪器、噪声、几何扩散、传播路径的介质衰减、台站场地效应等影响后,恢复了2573次3.0≤ML≤6.0地震的震源谱,采用ω平方震源模型拟合震源谱后,利用Brune的圆盘模型计算了它们的震源参数,并讨论了中国大陆中小地震的震源特征,比较了中国大陆不同地区的应力降释放水平,综合讨论了地震应力降与震源深度、机制解类型、地震大小等各种因素的关系.研究表明,中国大陆中小地震释放的应力降在0.1~20 MPa之间,绝大多数在10 MPa以下.新疆天山中东段地区、青藏块体东北缘及龙门山断裂带东北缘是高应力降地震集中的区域,表明这里的断层受到相对较强的构造剪应力作用.中小地震释放的应力降随着震级的增大而增大,应力降Δσ∝M03.14,不遵循常数应力降模型.在深度20 km以内,中小地震释放的应力降对深度的依赖不显著,但在20 km以上深度显示出随深度增大而增大的现象.中小地震释放的应力降没有表现出与震源机制类型的相关性.本研究实现了震源参数的准实时计算,丰富了大陆块体内部地震震源定标率关系研究的样本.可以预见,随着中小地震数据的大量产出和积累,这些震源参数的时空分布特征研究将会为地震预测预报研究提供有实际物理意义的依据,得到的介质衰减模型及场地效应等也将对台网日常震级ML测定所需的量规函数、台站校正值的研究提供重要参考.     

初至震相自动识别方法研究与发展趋势

地震波中震相检测、识别是地震学研究的一个基础性和关键性工作环节。初至震相的自动检测可大大提高地震速报的速度,为震后应急赢得宝贵时间。本文对国内外初至震相的自动检测方法的研究现状进行了阐述,对初至震相自动识别的发展趋势进行了展望。