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.

     

基于混叠震源和频率组编码的频率域自适应全波形反演(英文)

全波形反演是一种高精度的地震成像方法,可以对地下介质物性参数模型进行准确的重构。然而在实际应用中,尤其是在三维复杂介质反演中,计算成本太大是该方法的一个重要缺陷。将混叠震源技术引入到频率域全波形反演中可以大幅度地降低计算成本,提高反演效率。但是使用震源编码技术也带来了两个问题:一方面,参与编码的各个震源之间会产生"串扰噪声",导致反演结果中出现假象;另一方面,基于震源编码的频率域全波形反演方法周围噪声较为敏感,使该方法对含噪数据反演质量较差。本文引入一种频率组编码方法来压制"串扰噪声",并基于震源编码技术提出一种频率域自适应全波形反演方法,通过一个与频率相关的自适应选择机制,将常规频率域全波形反演方法和基于震源编码的全波形反演方法联合起来,在保证反演质量的同时也最大程度地提高了反演效率。     

基于精确震源函数的解调包络多尺度全波形反演

本文提出解调包络方法来重构地震记录中缺失的低频信号,同时该方法能够降低全波形反演的非线性程度;提出伴随状态震源函数反演方法来得到精确的震源函数,并推导了梯度计算公式;解调包络方法结合低通滤波技术,实现了从低频到高频的多尺度反演策略,有效缓解了全波形反演的周波跳跃问题.数值算例证明了解调包络、伴随状态震源函数反演方法和低通滤波多尺度反演策略的可行性及优越性.震源函数反演精度测试结果表明：即使观测记录在缺失低频信息的情况下,也能反演得到精确的震源函数.缺失低频测试和抗噪能力测试结果表明：即使地震数据中缺失9Hz以下的低频信号或者信噪比极低的情况下,利用反演得到的精确震源函数进行解调包络多尺度全波形反演,同样可以得到高精度的全波形反演结果.与Hilbert包络全波形反演对比结果表明：解调包络在重构低频和降低伴随震源主频方面具有一定优势.

     

首都圈地区中小地震全波形震源机制反演

目前对首都圈地区中小地震的震源机制研究所用的方法主要有P波初动极性法、振幅比法及波形反演方法。前两种方法只利用了波形中很少量的信息,且对于稀疏台阵效果较差,而传统的波形反演法也仅利用了波形的部分信息,且对于震级、数据资料等有一定的要求。为克服上述传统方法中的局限并进一步提高震源机制解的准确性,本文采用一种新的综合利用上述各种信息的全波形匹配方法来反演首都圈地区中小地震的震源机制解,提高反演解的可靠性。为了检验所使用的全波形匹配震源机制反演方法的可靠性,我们首先进行了合成数据测试,结果表明全波形匹配方法可以得到稳定可靠的震源机制解。利用新的全波形匹配方法计算了2019年4月北京发生的两次地震震源机制解,并结合活动断裂进行分析。将新的全波形震源机制反演方法应用于首都圈地区2015年以来的22个地震(2.2≤M≤4.3),并对22个地震的震源机制解及应力轴分布进行了分析,与前人研究结果具有较好的一致性。     

基于混合自适应遗传算法的稳健全波形反演

地震全波形反演理论与技术虽已得到了广泛研究,但周波跳跃等问题的存在严重制约了常规全波形反演方法的实用化进程.基于遗传算法的全波形反演方法能够在一定程度上较好地缓解常规全波形反演面临的初始模型依赖性问题,但是当前方法仍存在收敛性和巨大的计算量问题.本文提出一种混合自适应遗传算法(HAGA),并提出基于HAGA的稳健全波形...     

基于波形反演研究新疆天山中段震源深度分布特征

基于波形反演方法对新疆天山中段MS≥3.0地震震源深度进行反演,反演结果显示,新疆天山中段地震类型以逆断层或走滑断层为主,兼有少量的正断层.新疆天山中段震源深度呈现内部浅,盆山结合部位深的特点.同时由深度剖面显示,两大盆地与天山中段接触部位地震活动性都比较高,基本呈对称分布,存在南强北弱的活动特点.研究区地震发生的主要...     

一种基于高效迭代解法的频率域全波形反演

巨大的计算量是制约全波形反演（FWI）生产实用化的难题之一.为此,本文提出了一种高效的波场迭代解法,将其应用于频率域常密度声波方程FWI,并给出了详细的反演流程.通过建立用于波场迭代的目标函数,推导相应梯度、步长公式,新方法将反演中波场正传和残差波场反传过程转化为无约束优化问题,从理论上分析了新方法的计算效率显著高于常规FWI.在数值试验中,本文方法通过几次迭代便能获得高精度的正传、残差反传波场,收敛速度明显高于未经预处理的GMRES方法.进一步引入高效编码策略,新方法的计算时间约为常规编码FWI的1/8,与理论分析结果吻合（波场迭代次数为8,模型未知量个数约为7万）,且波场迭代次数为6时,反演效果已与常规编码FWI相近.

     

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Hinge损失函数的垂向全变差约束全波形反演

全波形反演可以为叠前深度偏移成像提供更高精度的速度模型,但该方法具有较强的非线性,对初始速度模型的依赖性较强,尤其是在实际应用中,地质条件复杂多变,速度变化不连续,增加了反演非线性程度,常常使反演陷入局部极小值,影响反演的精度.全变差约束在图像去噪领域应用广泛,属于非光滑约束,在去噪过程中能有效的保留图像的不连续界面和边缘信息.本文提出基于Hinge损失函数的垂向全变差约束全波形反演方法,在全变差约束的基础上,利用Hinge损失函数控制模型的更新方向,并使用原-对偶混合梯度算法进行求解,给出这一优化问题的迭代格式,有效提高了对地下不连续界面的重构精度,同时也降低反演对初始速度模型的依赖程度.数值算例证明：与常规全波形反演方法相比,基于全变差约束的全波形反演方法可以有效的重构速度模型中的不连续界面,尤其对高速体边缘的重构效果更明显,但该方法对初始速度模型的依赖性仍然较强;基于Hinge损失函数的垂向全变差约束全波形反演方法降低了对初始速度模型的依赖程度,可以从一个较差的初始模型通过循环迭代的方式最终得到同样精确的速度模型,较好的重构了高速体边缘和不连续界面.

     

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。     

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．     

基于全变分原理的多震源混合数据直接偏移方法

多震源混合地震采集技术,即将多个震源以一定编码方式连续地激发,得到多炮混合的地震数据.该技术能减少地震采集时间,节约采集成本,但是混合数据的直接偏移会在成像剖面中引入严重的串扰噪声,影响成像效果.从数学上看,地震成像属于典型的数学物理反问题,可以采用线性反演方法求解一个正则化约束的最小二乘(LS)优化问题,获得更高质量的成像结果.全变分(TV)正则化方法是图像去噪和复原领域中广泛应用的热点技术,其能在去除噪声的过程中保留图像的边缘信息和不连续性.在对TV图像去噪复原方法原理分析的基础上,本文将多震源混合数据直接偏移成像问题转换成图像复原的极小化能量泛函问题,用TV正则化代替传统最小二乘偏移(LSM)中的L2范数正则化,提出基于全变分原理的混合数据直接偏移方法.该方法使用基于梯度的快速迭代收缩阈值与快速梯度投影组合算法——FISTA/FGP求解最优化问题,能有效压制串扰噪声,增强同相轴连续性,提高成像分辨率.理论模型测试结果表明:将本方法应用于混合数据,无论是去噪效果还是成像精度都得到显著改善.     

简化混合域全波形反演多GPU加速策略

全波形反演利用地震记录中的振幅、走时和相位等信息,通过拟合实际地震记录和计算波场来定量提取地下介质的弹性参数,进而为勘探地震成像、速度建模以及大尺度构造演化分析等提供可靠依据.但全波形反演计算量巨大,特别是应用于三维大区块叠前数据时,生产成本仍然很高.本文介绍并比较了时间域和频率域的全波形反演方法,综合两者的优点,最终采用混合域的反演算法,并且在此基础上做了进一步的简化以提高计算效率.针对全波形反演方法应用于大规模叠前数据时易陷入局部极小值的问题,我们提出对模型数据进行分割,同时在数个小模型内进行梯度搜索,然后对比各个局域的梯度,最终找出合适的全局下降方向,以克服局部极小的隐患.该方法能够充分利用GPU的硬件特性.在GPU环境下实现本文所提出的简化混合域全波形反演算法.数值计算实例体现出新方法具有良好的计算效率、反演精度和算法可扩展性.

     

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.     

黏弹性VTI介质微地震正演模拟与震源机制全波形反演

微地震矩张量能够描述储层岩石破坏的细节,有助于了解水力压裂储层的地质力学特征,震源机制矩张量反演对于非常规油气开发具有重要的作用.水力压裂通常在页岩油气储层中进行,震源区介质表现出速度和衰减各向异性,需要研究衰减各向异性介质中微地震信号的传播规律.基于观测到的微地震记录,通过波形反演能够获得矩张量,忽视震源区介质的衰减和速度各向异性会导致震源机制反演结果的误差.本文提出了一种考虑地层各向异性吸收衰减作用的震源机制全波形反演方法,对于黏弹性VTI介质,采用GPU并行的伪谱法计算合成地震记录,通过全波形反演方法匹配合成波形和记录波形,借助优化算法获得震源机制矩张量反演结果.本文通过实验测试验证了该方法的有效性,分析了震源区各向异性速度和衰减参数、噪声以及观测系统等对于微地震震源机制各分量及成分反演结果的影响,研究表明考虑模型中的黏弹性各向异性对于获得可靠的震源机制反演结果非常重要.

     

基于频域衰减的时域全波形反演

时域全波形反演由于采用了全频段信息,因此在迭代过程中不同波长的信息不能由低到高的逐步重建,极易陷入局部极小值.本文通过分频段的方式,对地震数据做正反傅里叶变换,利用频域指数衰减的方法逐级分离出地震数据中的高频成分,在时域上实现由低频向高频的波形反演,从而降低了反演的非线性,使不同波长的信息得到稳步恢复.同时,在高频成分衰减的过程中,后至波的能量也被削弱,由此也降低了深层反射在初始反演过程中的干扰.整个反演仅增加对数据做正反傅里叶变换过程,相较于混合域反演,无需提取全部波场的相应频率成分.在计算效率方面,利用GPU进行加速,并采用CUDA自带函数库中cufft来提高计算效率.通过对Marmousi模型测试,验证了所述方法的有效性.     

基于相似性重构低频数据的金属矿频域全波形反演

由于深部金属矿埋深和自身的复杂性,利用重、磁、电方法和一般的地震方法很难有效地对其进行高精度定位.全波形反演通过最小化模拟数据与观测数据的差异使深部金属矿的高精度探测成为可能,但全波形反演是一个局部优化过程,需要准确的低频数据作为起始,而这在一般的地震数据采集中难以做到.本文先在频域中使用伴随状态震源函数反演方法,通过震源附近的直达波能精确地反演出震源函数的形态.然后利用得到的高精度震源子波结合褶积与反褶积思想及相似性现象重构含有低频成分的自激自收数据.将该数据应用到全波形反演中,有效缓减了反演过程中出现的周波跳跃现象,并提高了模型反演的正确性.Marmousi模型和金属矿模型的数值模拟实验证明了新方法改善了在没有低频数据时的全波形反演结果,并有较好抗噪性.

     

基于组稀疏约束的微地震震源参数谱投影梯度反演

震源参数反演是微地震监测中的关键技术,常规走时或逆时定位方法可以快速获取震源的空间位置,但是会忽略震源的时间信息.全波形反演(FWI)是一种有效的工具,利用完整的波形信息,通过选用合适的优化算法对微地震事件震源参数进行迭代反演,虽然存在计算量大的问题,但是反演出的结果信息丰富并且精度较高.本文依据微地震震源的特点,提出了基于谱投影梯度组稀疏约束的优化算法来进行震源参数全波形反演,模型测试结果表明: 该算法相比于逆时定位定位精度更高,且可以反演子波波形信息; 对低信噪比微地震记录具有一定的鲁棒性; 对不同时刻的多震源参数反演也能得到较好的结果; 该方法对速度模型具有敏感性,通过微地震数据更新速度模型再进行震源参数反演可以提高反演准确性.

     

基于改进全变差正则化的GPR多尺度全波形双参数同步反演

针对探地雷达（GPR）双参数全波形反演中电导率反演精度差、双参数存在串扰现象、反演计算量大、易陷入局部极值等问题.作者将具有多参数调节功能的L-BFGS算法引入到GPR时间域全波形反演中,它避免了对Hessian矩阵的直接存储与精确求解,减小了存储量和计算量.结合参数调节因子的选取,有效减小了同步反演时介电常数与电导率的串扰影响,在不降低介电常数反演精度的前提下,提高电导率参数的反演精度.通过在反演目标函数中加载改进全变差正则化方法,提高了反演的稳定性,使目标体边缘轮廓更加清晰.首先以简单模型为例,对比了单尺度反演与多尺度串行反演策略的优劣,说明多尺度串行反演有利于逐步搜索全局最优解;而开展参数调节因子的选取实验,说明合适的参数调节因子可以有效改善介质电导率的反演精度;测试了不同正则化的反演效果,表明改进全变差正则化能提高反演稳定性,显著降低模型重构误差.最后,分别对含噪合成数据和实测数据进行了反演测试,说明本文提出的多尺度、双参数反演具有较强的鲁棒性,能提供更丰富的信息约束,重构图像界面清晰、反演效果好.