基于伴随方法的线性台阵背景噪声面波和远震体波联合成像研究

伴随层析成像（Adjoint Tomography）通过求解全波方程来准确模拟地震波在复杂介质中的传播,并利用波形信息来反演地下结构,是新一代的高分辨率成像方法.其中3-D伴随层析成像需要庞大的计算资源,而2-D反演相对更具计算效率.面波和远震体波是研究地壳上地幔速度结构的重要方法,它们对S波速度及Moho面的敏感度不同,通过联合反演,可以得到更为准确的S波速度结构及Moho面.通过两种数据的高度互补性,本文提出基于伴随方法的线性台阵背景噪声面波和远震体波联合成像方法,同时约束台阵下方S波速度结构及Moho面形态.我们将该方法应用到符合华北克拉通岩石圈典型结构特征的理论模型上,测试结果表明联合反演方法优势明显,相比于面波伴随层析成像,能获得更高分辨率的S波速度结构,同时能精准约束Moho面形态.相比于体波伴随层析成像,联合反演能有效压制高频假象,降低波形反演过程中的非线性化程度.本研究有望提供一种更为高效精准的线性台阵成像方法,搭建联合伴随层析成像理论框架,提升岩石圈成像分辨率,并为后续其他类型波形数据的引入提供思路和方法.

     

基于伴随方法的线性台阵背景噪声面波和远震体波联合成像研究

伴随层析成像（Adjoint Tomography）通过求解全波方程来准确模拟地震波在复杂介质中的传播,并利用波形信息来反演地下结构,是新一代的高分辨率成像方法.其中3-D伴随层析成像需要庞大的计算资源,而2-D反演相对更具计算效率.面波和远震体波是研究地壳上地幔速度结构的重要方法,它们对S波速度及Moho面的敏感度不同,通过联合反演,可以得到更为准确的S波速度结构及Moho面.通过两种数据的高度互补性,本文提出基于伴随方法的线性台阵背景噪声面波和远震体波联合成像方法,同时约束台阵下方S波速度结构及Moho面形态.我们将该方法应用到符合华北克拉通岩石圈典型结构特征的理论模型上,测试结果表明联合反演方法优势明显,相比于面波伴随层析成像,能获得更高分辨率的S波速度结构,同时能精准约束Moho面形态.相比于体波伴随层析成像,联合反演能有效压制高频假象,降低波形反演过程中的非线性化程度.本研究有望提供一种更为高效精准的线性台阵成像方法,搭建联合伴随层析成像理论框架,提升岩石圈成像分辨率,并为后续其他类型波形数据的引入提供思路和方法.     

基于交叉梯度交替结构约束的二维地震走时与全通道直流电阻率联合反演

在利用不同的地球物理勘探方法对地下复杂介质成像时,因观测系统的非完备性及数据本身对某些岩石物性的不敏感性,单独成像的结果存在较大的不确定性和不一致性.对于地震体波走时成像与直流电阻率成像,均面临着成像阴影区问题.对于地震走时成像,地震射线对低速区域覆盖较差形成阴影区,造成低速区域分辨率降低.对于电阻率成像,电场线在高阻区域分布较少,造成高阻区域分辨率较低.为了提高地下介质成像的精度,Gallado和Meju（2003）提出了基于交叉梯度结构约束的联合地球物理成像方法.在要求不同的物性模型拟合各自对应的数据同时,模型之间的结构要求一致,即交叉梯度趋于零.为了更有效地实现基于交叉梯度的结构约束,我们提出了一种新的交替结构约束的联合反演流程,即交替反演不同的数据而且在反演一种数据时要求对应的模型与另一个模型结构一致.新的算法能够更容易地把单独的反演系统耦合在一起,而且也更容易建立结构约束和数据拟合之间的平衡.基于新的联合反演流程,我们测试了基于交叉梯度结构约束的二维跨孔地震走时和直流电阻率联合成像.合成数据测试表明,我们提出的交替结构约束流程能够很好地实现基于交叉梯度结构约束的联合成像.与单独成像结果相比,地震走时和全通道电阻率联合成像更可靠地确定了速度和电阻率异常.     

沉积层结构被动源探测方法及其在典型盆地的应用

准确的沉积层结构,对盆地地区油气资源调查与勘探、地震动场地效应评估和壳幔深部结构成像等研究均具有重要意义.近二十年来,随着地震观测技术的进步和大量流动台阵数据的积累,利用被动源资料探测沉积层结构的地震学方法研究取得了长足的发展.本文对这些主要方法进行了归纳总结,阐述了基本原理及相关进展.其中,基于远震体波数据的研究方法主要有：接收函数和转换函数、波场反延拓的H-β方法、以及P波质点运动分析等.基于近场体波资料约束沉积层结构通常采用的是高频波形拟合方法.此外,还简要介绍了谱比法、背景噪声面波成像和Rayleigh波Z/H幅度比,以及多种方法的联合反演.最后,对我国东部典型盆地地区,如松辽盆地和华北盆地下方沉积层结构已取得的研究进展进行了总结.     

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.     

基于交叉梯度约束的地震初至纵波与瑞雷面波联合反演

本文提出了一种初至纵波（P波）与瑞雷面波的交叉梯度联合反演策略.通过对初至P波进行全波形反演可以获得近地表P波速度结构;通过对仅含瑞雷面波信息的地震数据转换到频率-波数域进行加窗振幅波形反演（Windowed-Amplitude Waveform Inversion,w-AWI）可获得近地表横波（S波）速度结构.在二者反演的目标函数中均加入P波速度和S波速度的交叉梯度作为正则化约束项,使得在反演过程中P波速度和S波速度相互制约,相互约束,从而实现对地震初至P波与瑞雷面波的联合反演.数值模拟结果表明交叉梯度联合反演可以提高S波速度反演分辨率,而P波速度反演结果并没有得到提高.实际资料的反演结果表明,交叉梯度联合反演能够获得更加可信的近地表速度结构.     

一种高效的基于交叉梯度结构约束的三维地震走时与直流电阻率联合反演策略

基于交叉梯度结构约束的不同数据的联合反演可以提高地球物理成像的可靠度,但是由于不同观测数据对地下介质的灵敏度不同以及不同反演系统灵敏度矩阵元素的数值可能存在较大的差异,导致构建和求解联合反演系统存在很大的挑战.针对以上问题,本文提出一种新的基于单独反演模型更新量与交叉梯度结构约束相结合的联合反演策略.该策略利用单独反演系统分别确定出各个模型的更新量,然后利用它们约束交叉梯度系统的反演,得出新的模型更新量.通过这样的方式,有效实现了数据拟合与结构约束的平衡,实现了基于交叉梯度联合反演的目标.新的联合反演策略不需要对原来单独反演程序修改即可实现联合反演,减小了联合反演实现的难度,极大地提高了联合反演的易实现性,而且避免了联合反演矩阵存储及结构过于复杂难以求解的问题.基于新的策略,本文首次实现了基于交叉梯度结构约束的三维地震走时与直流电阻率联合反演.合成模型测试表明,与单一成像相比,联合成像减少了地震走时反演中出现的干扰异常并提高了电阻率反演的分辨率.

     

地震背景噪声互相关方法应用研究综述

利用地震台记录的背景噪声数据,进行台站对之间数据互相关以获得反映地下介质信息的格林函数,是目前地震学领域理论研究和实际应用方面的前沿和热点。首先介绍了噪声互相关应用的发展历史,之后对其在面波成像、体波信号提取与体波成像、监测地下介质波速变化与衰减、地震定位、噪声源分析与时移校正等多个方面的应用进行了阐述,最后针对目前背景噪声互相关应用的发展进行了分析与讨论。     

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.

     

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.

     

长三角地区地壳P、S波速度结构模型

利用收集到的瑞利面波频散数据和区域地震台网震相数据,分别采用面波层析成像和体波走时层析成像方法反演了长三角地区地下速度异常分布,获得了该区地壳P、S波速度结构.层析成像结果表明速度结构模型与地质特征基本一致,研究结果有助于深化对长三角地区沉积盖层和地壳结构以及强震活动深部环境的认识.     

宽频带远震体波波形反演方法与青藏高原岩石圈速度结构研究

本文系统地研究了宽频带远震体波波形反演的理论与方法 ,发展了较频率域除法运算稳定、精度高、分辨好的 ,从远震 P波波形中提取接收函数的时间域反褶积方法 ;并利用青藏高原中美合作研究计划获得的准确可靠的PASSCAL宽频带数字化远震波形数据 ,得到了可信的台站接收函数 ,反演了青藏高原的岩石圈速度结构 ,获得了对深部构造的新认识 ,为揭示青藏高原的动力学演化过程、建立大陆动力学理论提供了可靠的地球物理证据。主要工作简述如下 :(1 )系统回顾了用天然地震研究地壳上地幔构造的两种主要方法 :即体波走时反演方法和体波波形模拟方…     

首都圈地壳结构的拟波形层析成像研究

地震层析成像是研究地球内部结构的主要方法.文章利用首都圈区域内3231个地震挑选出来的29839条直达P波走时和29972条直达S波走时数据,首次使用拟波形层析成像方法对首都圈地区地壳的P波和S波速度,以及泊松比进行反演成像,获得了该区域三维高分辨率VP、VS以及泊松比结构.成像结果表明,首都圈地壳结构非均匀性强烈,地...     

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.     

基于面波走时的三维结构面波直接成像：方法综述与应用

利用面波频散数据进行各向同性和各向异性横波速度结构成像是研究全球和区域构造变形、获取地壳上地幔和近地表精细结构的一种非常有效的方法.传统的基于频散数据的面波成像通常采用两步法,即首先反演二维相速度或群速度分布图,然后再基于格点的纯路径频散反演格点下方的一维横波速度模型,之后再拼合成三维速度模型.在本文中我们较为详细地综述新发展的基于面波频散走时的三维面波直接成像方法体系,即面波一步法成像.该方法体系包括通过所有路径、不同频率的面波频散走时直接反演三维各向同性横波速度结构的方法（DSurfTomo）、直接反演三维方位各向异性横波速度结构的方法（DAzimSurfTomo）,以及直接反演三维径向各向异性横波速度结构的方法（DRadiSurfTomo）.新的面波直接成像方法计算不同周期的面波射线路径,从而更好地考虑复杂结构下面波射线路径弯曲对成像精度的影响.随后我们介绍面波直接成像方法的应用实例,包括地壳上地幔及地壳浅部的多尺度各向同性和各向异性横波速度结构的成像,这些成像研究为认识区域构造演化、孕震构造、断裂带浅部结构、成矿构造、城市地下结构等提供了重要的约束.最后我们讨论面波直接成像方法...     

海底水合物OBS数据全波形反演数值例子

海底地震仪(OBS)广泛应用于海底天然气水合物的调查研究中.通过走时反演获得含水合物沉积层的速度结构是利用OBS数据研究水合物的常用方法.受限于射线理论的高频假设,走时反演结果的分辨率较低.全波形反演方法能够提供高分辨的速度结构.理论上,低频、大偏移距的OBS数据非常适合于全波形反演.但OBS观测方式存在接收点较为稀疏以及接收点位置不确定的问题,OBS的稀疏性以及位置误差可能会影响反演的可靠性以及稳定性.利用南海北部陆坡水合物勘探区的信息建立了数值模型,根据实际的OBS观测参数模拟地震数据,利用频率域全波形反演方法对模拟数据进行全波形反演.结果表明:(1)利用稀疏的OBS数据(OBS间距200 m)进行全波形反演,可以获得稳定的反演结果;(2)全波形反演的结果分辨率较高,能够显示出含水合物沉积层的速度异常;(3)OBS的位置误差对全波形反演的结果影响较大,在我们的数值例子中,当位置误差为12.5 m时,反演结果与真实模型接近,而当位置误差达到25 m时,反演结果中出现较多的高频假象.     

波动方程初至波多信息联合反演方法

地震初至波中包含着丰富的近地表速度结构信息,如何分阶段、分尺度地利用这些信息进行近地表速度建模是地震勘探中的一个关键问题.在速度反演的不同阶段,综合利用初至波中的不同信息（如走时、包络和波形等）进行联合反演,可以有效地降低反演对初始模型的依赖程度,提高近地表速度模型的反演精度.为此,本文提出了一种统一基于波动方程正演引擎的初至波多信息联合反演方法,该方法同时匹配观测和模拟的初至波走时、包络和波形信息.在不同的反演阶段选择不同的权重因子调节不同信息的权重,这样不仅降低了反演对初始速度模型的依赖,而且自然地实现了多尺度反演.在每轮反演迭代中,一次正演模拟的波场同时应用于初至波走时、包络和波形匹配,无需额外的射线追踪.同时,联合反演方法在一定程度上缓解了串联反演中目标函数漂移问题,提高了近地表速度建模的精度.

     

基于密集流动台阵构建的川滇地区高分辨率公共速度模型2.0版本

川滇地区位于青藏高原东南缘,构造运动强烈,深大断裂交错展布,地震活动性较强,地震灾害严重. 21世纪以来,川滇地区发生的几次7.0级及以上地震均造成了巨大的人员伤亡和经济损失,尤其是2008年汶川Ms8.0级地震.目前,地震监测与震源参数反演、强震危险性分析、地震灾害评估等仍是川滇地区地震学研究的重点.区域高精度三维公共速度模型是这些研究的重要基础.本文通过收集该区域的固定台站及多个密集流动台阵观测资料,利用人工智能到时拾取和背景噪声互相关方法,获得了约706万条体波走时数据(包括绝对到时和地震对双差走时)和约10万条瑞利波相速度频散数据(周期5～50s).利用这些数据,在川滇公共速度模型1.0版本(SWChinaCVM-1.0)的基础上,采用考虑地形的体波和面波走时联合反演方法,获得了川滇地区地壳及上地幔顶部三维V_p及V_s模型(川滇地区公共速度模型2.0版本, SWChinaCVM-2.0).相较于SWChinaCVM-1.0,新模型在横向分辨率及数据拟合上都有较大提升.新模型显示:地壳浅部的速度异常存在较强的横向不均一性;中下地壳存在两个...     

中国东北地区上地幔P波方位各向异性研究

地震体波走时层析成像是以地震体波到时作为观测数据,反演地下介质的地震波传播速度分布的一种反演技术方法.基于弱各向异性介质的假定,通过在走时反演方程中引入各向异性参数,可以同时进行介质的速度扰动和各向异性属性的联合反演.对三维介质的各向异性分析,有利于对区域结构构造演化、深部物质变形、动力学模式等问题的进一步解释.本文基...     

数据域特征波反射走时反演

地震波的运动学信息（走时、斜率等）通常用于宏观速度建模.针对走时反演方法,一个基本问题是走时拾取或反射时差的估计.对于成像域反演方法,可以通过成像道集的剩余深度差近似计算反射波时差.在数据域中,反射地震观测数据是有限频带信号,如果不能准确地确定子波的起跳时间,难以精确地确定反射波的到达时间.另一方面,如果缺乏关于模型的先验信息,则很难精确测量自地下同一个反射界面的观测数据同相轴和模拟数据同相轴之间的时差.针对走时定义及时差测量问题,首先从叠前地震数据的稀疏表达出发,利用特征波场分解方法,提取反射子波并估计局部平面波的入射和出射射线参数.进一步,为了实现自动和稳定的走时拾取,用震相的包络极值对应的时间定义反射波的到达时,实现了立体数据中间的自动生成.理论上讲,利用包络极值定义的走时大于真实的反射波走时,除非观测信号具有无限带宽（即delta脉冲）.然而,走时反演的目的是估计中-大尺度的背景速度结构,因此走时误差导致的速度误差仍然在可以接受的误差范围内.利用局部化传播算子及特征波聚焦成像条件将特征波数据直接投影到地下虚拟反射点,提出了一种新的反射时差估计方法.既避免了周期跳跃现象以及串层等可能性,又消除了振幅因素对时差测量的影响.最后,在上述工作基础之上,提出了一种基于特征波场分解的新型全自动反射走时反演方法（CWRTI）.通过对泛函梯度的线性化近似,并用全变差正则化方法提取梯度的低波数部分,实现了背景速度迭代反演.在理论上,无需长偏移距观测数据或低频信息、对初始模型依赖性低且计算效率高,可以为后续的全波形反演提供可靠的初始速度模型.理论和实际资料的测试结果证明了本文方法的有效性.