各向同性介质中射线理论与有限差分地震波场模拟方法比较研究

地震波场数值模拟不仅是研究复杂地区地震资料采集、处理和解释的有效辅助手段,而且是研究地球深部精细构造和地球深部探测的有效工具.射线理论和波动方程理论是地震波场数值模拟的理论基础.射线理论主要刻画地震波在介质中传播的走时场、地震射线等运动学属性;波动方程理论通过求解波动方程来描述地震波在介质中传播的弹性动力学响应(能量衰减、相位特征、偏振属性、以及全波形等).基于波动方程理论的波场数值模拟由于能够引入丰富的波场信息,使得人们对不同介质中地震波的传播过程有了较全面的了解.本文以二维层状均匀介质模型为例,通过射线追踪法和交错网格有限差分法模拟得到的波场快照图、单炮地震记录剖面、合成理论地震图的分析比较,不但对地震波在各向同性层状均匀介质中的传播规律和特点有了深刻的理解和认识,同时又可以相互验证两种不同方法的正确性和有效性.     

地震体波走时层析成像方法研究综述

地球介质参数是地震深部探测的重要目标,蕴含了丰富的地球结构和演化信息.全波形反演技术由于计算量大的原因,目前阶段在实际壳幔结构成像应用中还存在较大的难度.基于P波和S波到时的体波成像仍然是壳幔精细速度结构成像的重要途径.本文主要介绍了三种具有代表性的地震体波走时层析成像方法,即基于高频近似射线理论的成像方法、基于程函方程数值解的初至波成像方法及有限频成像方法.基于射线理论的成像方法计算量小,计算效率高,长期以来是体波成像的主要方法之一;基于程函方程数值解的成像方法,在初至波走时成像方面有优势,但是要求网格节点较密,计算量大;有限频成像方法基于波动方程理论,比射线理论包含更丰富的介质信息,但是由于计算量大,目前在实现过程中引入简化的假设,成像效果还有较大的提升空间.     

远震波场正演模拟方法及应用

地震波场数值模拟是壳幔结构成像和深部探测的重要基础.?经典的远震波场数值模拟主要基于一维地球模型,包括解析法、半解析法和数值法等.?这些算法能够高效地计算理论地震图,但由于将地球假设为一维层状介质,难以考虑介质的横向非均匀性对地震波场的影响.?近年来随着计算机性能的不断提高,三维地震波场数值模拟方法得到快速发展,并被广...     

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.     

地震散射波模拟成像方法在铜陵某矿区的应用

针对深部隐伏的金属矿床,以铜陵某矿区为例,应用散射波正演模拟技术,对金属矿地震数据野外采集中涉及的偏移距、覆盖次数、道间距等参数进行了不同炮记录的模拟对比,辅助指导非均匀地质体金属矿地震勘探野外数据采集的观测系统设计;针对该地区实际采集的地震数据,应用基于等效偏移距的共散射点成像方法,对金属矿地震数据进行了处理,通过与常规反射波法处理结果对比,散射成像效果较好,说明散射波技术在金属矿地震勘探中应用有一定的可行性和适用性.     

注重技术创新,引领技术发展,为油气勘探开发提供强力技术支持——2014 CPS/SEG国际地球物理会议概述

2014CPS/SEG国际地球物理会议在北京成功召开,会议发表了关于地震资料采集、处理、解释和其它应用的300余篇学术论文.本次会议整体上注重技术创新和创新技术的应用,会议成果表明,GPU并行计算基本渗透到地震资料处理的各个环节,对于偏移成像来说,该技术使得逆时偏移和全波形反演的工业化大规模应用成为可能;对地震成像技术而言,各向异性TTI介质的声波方程和弹性波方程的逆时偏移仍是地震技术发展的重要方向,提供高精度速度模型和弹性参数的三维波动方程的全波形反演技术是未来十年,乃至更长时间的攻关研究方向.随着勘探的复杂化,非常规油气的地球物理技术和微地震压裂的检测方法正逐渐成为地球物理工作者重视的研究内容;另外,开发和井中地球物理技术是油藏开发后期的剩余油预测、油藏描述和监测的关键技术.     

近震层析成像的理论及应用

地震层析成像是 2 0世纪 70年代末以来随着地震反演理论的发展、地震观测资料的积累和计算机技术的飞速进步而发展起来的地球物理学的前沿学科 ,2 0多年来在该领域取得了许多重要的成果。为了解这个我们赖以生存的星球 ,如同对地球进行透射似的地震层析成像技术 ,给出了关键的地球内部的三维结构的图像 ,为地球深部构造和深部动力学过程的研究开创了新的篇章。它已成为地学研究中的一项重要手段而得到日趋广泛的应用。本文对近震层析成像技术的理论与方法进行了详细的分析和研究 ;对近震成像技术中的各个重要步骤展开讨论 ,如地球三维结构的…     

三维VSP数据高效偏移成像的超道集方法

当前的三维VSP地震数据偏移成像实现都是在共炮点道集或共检波点道集中逐个道集循环进行的,计算效率相对较低.根据三维VSP观测系统中炮点和检波点布置的特殊性和地震波场满足线性叠加的特性,本文提出了一种三维VSP数据的高效偏移成像方法,即首先通过对三维VSP共接收点道集进行地震数据的广义合成得到一种超道集,然后在共接收点道集的波场深度外推过程中逐步应用多震源波场对超道集进行偏移成像,即利用一次波场深度外推循环完成对所有共检波点道集数据的偏移成像.通过三维VSP模型数据与实际地震数据的偏移成像试验验证了这种高效的超道集偏移成像方法可取得与常规共检波点道集相当的偏移成像效果,还具有极高的计算效率,其计算量与单个共检波点道集的偏移成像计算量相当.     

基于弹性波全波形反演的主被动源多分量混采地震数据速度建模

在常规地震采集中,被动源地震波场往往被视为噪声而去除,这就造成了部分有用信息的丢失.在目标区进行主动源和被动源弹性波地震数据的多分量混合采集,并对两种数据进行联合应用,使其在照明和频带上优势互补,能显著提高成像和反演的质量.本文针对两种不同类型的主被动源混采地震数据,分别提出了相应的联合全波形反演方法.首先,针对主动源与瞬态被动源弹性波混采地震数据,为充分利用被动源对深部照明的优势,同时有效压制被动震源点附近的成像异常值,提出了基于动态随机组合的弹性波被动源照明补偿反演策略.然后,针对低频缺失主动源与背景噪声型被动源弹性波混采地震数据,为充分利用被动源波场携带的低频信息,并避免对被动源的定位和子波估计,提出了基于地震干涉与不依赖子波算法的弹性波主被动源串联反演策略.最后,分别将两种方法在Marmousi模型上进行反演测试.结果说明,综合利用主动源和被动源弹性波混采地震数据,不仅能增强深部弹性参数反演效果,还能更好地构建弹性参数模型的宏观结构,并有助于缓解常规弹性波全波形反演的跳周问题.

     

台湾地区的随机噪声瑞利波层析成像研究

台湾地区复杂构造、高速率的地壳变形以及强地震活动,使其成为地球物理学家关注的热点.层析成像技术是应用较多的一门地球物理方法,Roecker(1987)很早就利用P波和S波走时成像技术研究台湾地区的结构.随着CWBSN地震台网大量三分量数字地震台站的架设,许多科学家利用这些台站记录的P波和S波走时数据先后反演了该地区的三维P波和S波速度结构.     

地震环境噪声成像中的地形影响校正

以传统地震环境噪声面波成像方法研究地壳速度结构时,在一些极端的地形条件下,结果与真实结构会存在较大偏差.我们以地震波场三维正演模拟为基础,提出了一种地形校正方法.我们保留了传统噪声面波成像简单的两步反演法,在面波层析成像和一维速度结构反演的基础上,通过地震波场三维模拟近似估计地形和散射波场的影响,并据此校正瑞利波频散曲线,最终反演得到校正地形影响的S波速度结构.理论测试与在实际观测数据上的应用都证明了校正方法的有效性,同时也显示了地形校正的必要性.

     

地震环境噪声成像中的地形影响校正

以传统地震环境噪声面波成像方法研究地壳速度结构时,在一些极端的地形条件下,结果与真实结构会存在较大偏差.我们以地震波场三维正演模拟为基础,提出了一种地形校正方法.我们保留了传统噪声面波成像简单的两步反演法,在面波层析成像和一维速度结构反演的基础上,通过地震波场三维模拟近似估计地形和散射波场的影响,并据此校正瑞利波频散曲线,最终反演得到校正地形影响的S波速度结构.理论测试与在实际观测数据上的应用都证明了校正方法的有效性,同时也显示了地形校正的必要性.     

基于波动方程三维表面多次波预测方法研究

与传统的二维表面多次波预测算法相比,基于波动方程的全三维表面多次波预测方法无需对地下介质做简单近似,其更符合地震波在地下介质中传播的真实状况,是地震资料处理中解决多次波预测问题的强有力工具.本文从三维多次波预测的基本理论出发,给出了全三维多次波预测算法的预测矩阵表示、计算方法以及实现条件,采用GPU(图形处理器)加速全三维表面多次波预测,较传统的CPU串行计算,GPU并行预测表面多次波的计算效率约提高165倍.文中分别利用二维和三维表面多次波预测算法对理论模拟的含表面多次波的三维地震数据进行多次波预测计算,对比分析结果表明,相比于二维算法,文中所述的基于波动方程的全三维表面多次波预测效果明显改善,其计算精度更高,辅以合理有效的自适应相减算法,可获得高精度的地震勘探资料表面多次波压制数据.     

三维井间地震高斯射线束正演

使用高斯射线束方法对三维井间地质模型进行波场正演,解决三维井间地震复杂构造波场识别问题.正演模拟时将每一个检波点与炮点拟合出一个接收平面,使得每一个检波点处的能量都由其接收平面上检波点的有效半宽度范围内所有射线能量高斯加权.高斯束正演具有地震波动力学特征且能够有效解决复杂构造盲区问题,同时保持波场的相对振幅特征,因而适用于不同地质构造模型.比较三维井间地震逐段迭代正演方法,高斯束正演克服了复杂地质模型的盲区与动力学特征问题;并且高斯束正演时反射点的分布范围广,大大提高了反射波成像精度.应用三维井间地震高斯束正演方法对X地区进行波场正演,结果表明该方法可以有效分辨波场特征,为进一步地震数据处理提供准确依据.     

波场梯度法研究进展

波场梯度法是一种基于密集台阵记录的地震波形的地震数据处理方法,适用于多种地震信号/震相,比如P波、S波、Rayleigh波、Love波和环境噪声等.由于充分考虑了波场的时空变化,可以获得更多的地震波传播参数或介质参数,比如应力、旋度、地震波速度、方位角、几何扩散、辐射模式、方位各向异性和Q值等.自2007年波场梯度法的原理提出以来,该方法在河湾河谷的强地面运动研究、断层探测、月壳浅层结构成像、地球浅地表或地壳地幔速度结构和方位各向异性反演等方面得到较好的应用.基于不同的信号处理方法,波场梯度法也发展出不同的研究分支,比如基于傅里叶变换、小波变换或希尔伯特变换的波场梯度研究;基于不同参考坐标系、不同台网类型或不同震相/信号源也可以将波场梯度法划分为不同的研究方向.本文主要从方法原理、研究进展和方法比较对波场梯度法进行详细地描述,同时对其发展趋势进行简单地讨论.     

瞬变电磁虚拟波场成像方法及其对未爆弹探测的试验研究

未爆弹严重威胁人类的安全,瞬变电磁是一种对其有效的探测方法.探讨了瞬变电磁波场变换理论,实现了对瞬变电磁信号中波场特性的提取,提出了基于虚拟波场波形特征的速度分析反演成像方法,计算了三维数值模型和水槽物理模拟数据的反演结果,取得了良好的成像效果.结合未爆弹探测的工程实例,对瞬变电磁虚拟波场反演成像方法的实用性和有效性进行了验证.研究表明:瞬变电磁虚拟波场反演成像方法能够解决微小低阻异常体精确定位的难题.     

基于单程波偏移算子的地表相关多次波成像

在常规地震资料处理中,多次反射波被视为噪声并从地震数据中去除,以免在之后的地震资料解释中造成误解.而事实上,多次波也是地震信号,是照明波场的一部分,能够对地下构造成像的精度做出贡献.本文分析了多次波在传统单程波叠前深度偏移中产生构造假象的机制和表现,为实现基于单程波偏移算子的多次波成像,修改了单程波叠前深度偏移的边界条件,即将输入的震源波场用包含多次波的记录来替代,输入的记录波场用预测出的表层相关多次波来替代,实现了基于单程波偏移算子的地表相关多次波成像,并从理论上给出了其成像依据.通过基于二范式最小能量差原则求取的匹配因子,将多次波成像结果与一次波成像结果进行匹配叠加,应用多次波成像来弥补一次波成像的不足.简单模型验证了基于单程波偏移算子的多次波成像方法的有效性,最后对Sigsbee2B模型进行了一次波与多次波联合成像试算,盐边界高陡构造成像质量得到了明显改善.     

基于自适应变步长波场延拓的可控层分阶层间多次波模拟

地下低速夹层的存在导致地震数据中包含较强能量的层间多次波,有效识别和预测深部储层上覆地层产生的层间多次波是提高深部储层解释精度的重要环节,而准确模拟层间多次波是辅助识别地震数据中层间多次波的一种非常有效的方法.本文提出了一种基于自适应变步长波场延拓的可控地层分阶层间多次波模拟方法,该方法基于自适应变步长波场延拓,以递归循环的方式实现分阶层间多次波的模拟.通过对模型添加双重层位约束,可以模拟指定地层产生的各阶层间多次波.利用二维反周期延拓方法压制波场延拓的边界反射优于传统方法,例如吸收边界法.提出自适应变步长波场延拓技术,大大提升了波场模拟的效率.理论和数值例子表明,本文方法模拟的一次波和各阶层间多次波与常用的有限差分方法模拟结果具有很好的一致性,且克服了有限差分方法无法分阶模拟波场的不足,显著提升了层间多次波识别的效率.

     

基于精细积分法的三维弹性波数值模拟(英文)

波动方程有限差分法是地震数值模拟中的一种重要的方法,对理解和分析地震传播规律、分析地震属性和解释地震资料有着非常重要的意义。但是有限差分法由于其离散化的思想,产生了不稳定性。精细积分法在有限差分法的基础上,在时间域采用解析解的表达形式,在空间域保留任意差分格式,发展成为半解析的数值方法。本文结合并发展了以往学者的成果,推导了任意精细积分法的三维弹性波正演模拟计算公式,并对其稳定性进行了数值分析。在计算实例中,实现了精细积分法二维和三维弹性波模型的地震正演模拟,对计算结果的分析表明,精细积分法反射信号走时准确,稳定性好,弹性波场相较于声波波场,弹性波波场成分更为丰富,包含了更多波型成分(PP-和PS-反射波、透射波和绕射波),这对实际地震资料的解释和储层分析有重要的意义。实践证明,该方法可直接应用到弹性波的地质模型的数值模拟中。     

基于地震“哼鸣”的全球面波层析成像

基于地震的全球面波层析成像技术的发展对于探测地球深部动力学状态起着至关紧要的作用。人们很自然地认为只有大地震才会产生类似探测所需要的穿入地球深部的长周期地震波。然而,由海洋和/或大气扰动随机产生的地震＂哼鸣＂的发现,即地球背景自由振荡,提供了一种可供选择的方法。我们在此呈现的是利用地震＂哼鸣＂而非天然地震进行上地幔地震层析成像的结果。在100～400s周期,Rayleigh波的相速度异常可通过下述方式测得,即对观测得到的54个遍布全球的地震台站中每两个台站间的互相关函数进行模拟,然后对这些异常进行反演,以获取上地幔三维S波速度结构。此方法为探测具有大气和/或海洋的类地行星——特别是火星的三维内部结构提供了一种新的途径。