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.     

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.     

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.     

反射地震数据的逐层波形反演

本文针对层状介质并结合梯度法波形反演,提出逐层波形反演的方法. 首先给出介质扰动响应的概念,并在此基础上分析了梯度法波形反演方法. 波形反演实质上是将实测地震记录和预测地震记录的波形残差信息转化为实际地质模型和预测地质模型的模型残差信息. 波形反演的优点是利用大量振幅相位信息得到高分辨率的反演结果, 其缺点是运行耗时大;当初始模型和实际模型相差较大时,迭代算法容易陷入局部极小点,这是因为目标函数和初始模型同实际模型间的差异是非线性的关系. 逐层波形反演方法是使自上而下每一层的目标函数最小,这样总的目标函数也是最小的. 利用二分法速度扫描确定每一层速度不仅提高了运算速度也避免了迭代算法陷入局部极小点的问题. 结合介质扰动响应和目标函数值变化可以更为准确迅速地确定每一层速度和该层界面位置.     

二维无限频率初至走时反演井间地震实际资料

使用Zelt和Barton的方法,通过一个计算效率高的有限差分求解eikonal方程,正演计算走时和射线路径.使用最小二乘QR分解法,求解稀疏线性系统方程组.使用正则化层析反演,结合用户给定的最小的、最平坦和最平滑的扰动限制,每一个加权因子随深度变化.结合数据残差和模型粗糙度的最小化,为数据残差提供一个最平滑的近似模型.该反演方法为非线性反演,需要一个初始模型,在每一次迭代时,需要计算新的射线路径.使用二维初至走时数据,对某油田二维井间地震实际资料进行无限频率初至走时层析反演.将反演所得到的速度与井的测井速度曲线相比较,二者吻合程度较高,表明该反演方法所得速度的分辨率比较高.证实了二维无限频率初至走时层析反演可以为全波形反演提供一个分辨率较高的长波长速度模型,从而为全波形反演井间地震实际资料提供了一个比较可靠的初始速度模型.     

区域尺度地震体波和面波走时联合成像：进展与展望

如何利用观测到的地震图上尽可能多的信息来约束地下结构以及地震震源本身一直是地震学研究的前沿课题.近年来,随着计算机计算能力的提高,使用基于全波形反演的方法已被用于不同尺度结构成像中,并取得了良好的效果.但如何减小全波形反演对计算资源的巨大需求以及其反演的高度非线性仍是目前急需解决的问题.此外,对于区域以及全球尺度成像,全波形反演的波形的拟合仅限于相对较低的频率.目前,基于波形层析成像在区域尺度最高能拟合的频率大约为0.5 Hz,在全球尺度能拟合的频率更低,所以获得的波速模型的分辨率还有一定的改进空间.地震学体波和面波联合反演是另一种可以综合利用更多信息的成像方法.该种方法主要利用高频体波的走时信息以及面波的频散信息来约束地下结构.由于只需要求解高频近似下的波动方程,其效率较全波形反演有较大提高.相比于体波和面波数据单独反演,联合反演能利用体波和面波对地下结构约束的互补性来获得能同时拟合不同数据的波速结构模型.此外,体波和面波数据联合反演能获得更为准确的泊松比模型,因此可以更好地约束岩性、孔隙度、熔融程度等.鉴于目前海量的基于机器学习获得的不同震相的走时数据以及越来越多的密集流动地震观测...     

时间二阶积分波场的全波形反演

通过对波场的时间二阶积分运算以增强地震数据中的低频成分,提出了一种可有效减小对初始速度模型依赖性的地震数据全波形反演方法—时间二阶积分波场的全波形反演方法.根据散射理论中的散射波场传播方程,推导出时间二阶积分散射波场的传播方程,再利用一阶Born近似对时间二阶积分散射波场传播方程进行线性化.在时间二阶积分散射波场传播方程的基础上,利用散射波场反演地下散射源分布,再利用波场模拟的方法构建地下入射波场,然后根据时间二阶积分散射波场线性传播方程中散射波场与入射波场、速度扰动间的线性关系,应用类似偏移成像的公式得到速度扰动的估计,以此建立时间二阶积分波场的全波形迭代反演方法.最后把时间二阶积分波场的全波形反演结果作为常规全波形反演的初始模型可有效地减小地震波场全波形反演对初始模型的依赖性.应用于Marmousi模型的全频带合成数据和缺失4Hz以下频谱成分的缺低频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,数值试验显示缺失4Hz以下频谱成分数据的反演结果与全频带数据的反演结果没有明显差异.     

频率多尺度全波形速度反演

以二维声波方程为模型,在时间域深入研究了全波形速度反演.全波形反演要解一个非线性的最小二乘问题,是一个极小化模拟数据与已知数据之间残量的过程.针对全波形反演易陷入局部极值的困难,本文提出了基于不同尺度的频率数据的"逐级反演"策略,即先基于低频尺度的波场信息进行反演,得出一个合理的初始模型,然后再利用其他不同尺度频率的波场进行反演,并且用前一尺度的迭代反演结果作为下一尺度反演的初始模型,这样逐级进行反演.文中详细阐述和推导了理论方法及公式,包括有限差分正演模拟、速度模型修正、梯度计算和算法描述,并以Marmousi复杂构造模型为例,进行了MPI并行全波形反演数值计算,得到了较好的反演结果,验证了方法的有效性和稳健性.     

初至波相位走时层析

近地表速度结构通常是利用射线走时层析或菲涅尔体走时层析等反演方法得到的,但它们的目标函数仍利用射线走时残差构建,导致反演精度不高.为此,本文提出了基于散射积分算法的初至波相位走时层析成像方法.该方法的核心是:(1)提出了依赖于频率的相位走时概念;(2)利用依赖于频率的相位走时信息,而非单一的无限频率射线走时;(3)发展了一种改进的相位展开方法,即通过监测相位不连续性和2π周期判定来消除相位折叠现象;(4)考虑了地震波传播的有限频特征,即基于波动理论而非传统的射线路径或有限空间的菲涅尔体构建核函数.通过利用Overthrust模型的数值实验及与传统射线走时层析和菲涅尔体走时层析的对比表明:本文提出的方法是一种有效的初至波走时反演方法.同时,基于Overthrust模型的数值试验还证明了下列结论,即通过挖掘更多的走时信息的确可以获得更高的反演精度和分辨率.     

上地壳纵横波速度结构相关反演成像方法

基于纵横波初至走时数据的层析成像方法越来越广泛地被应用于揭示不同构造域壳幔速度结构特征.我们从同一地质体的纵横波速度属性相关这一基本思想出发,提出一种相关反演成像的方法:纵横波速度反演交替进行,在迭代反演过程中每通过一次反演获得相应的纵波速度(或横波速度)结构后,更新相应的纵横波速度比模型以及相应的横波(或纵波)速度反演的初始模型,然后继续开展后续横波(或纵波)速度反演工作.在反演过程中依据纵横波速度的相关性信息和射线路径长度将走时残差以不同权重分配到射线路径经过的单元,依据网格节点周围平均的慢度扰动更新速度模型.正反演过程分别基于有限差分走时计算方法和反投影成像方法.两种典型模型试验表明,该技术应用于上地壳速度结构反演成像过程,可有效提高反演结果的可靠性,在很大程度上避免了常规单独反演纵波和横波速度过程容易带来的畸变和失真.该方法应用于重建青藏高原西部札达—泉水沟深地震测深(DSS)剖面下方的上地壳速度结构,揭示出与青藏高原西缘板块碰撞相关的上地壳速度结构特征.     

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.     

Seismic envelope inversion: reduction of local minima and noise resistance

Waveform inversion met severe challenge in retrieving long‐wavelength background structure. We have proposed to use envelope inversion to recover the large‐scale component of the model. Using the large‐scale background recovered by envelope inversion as new starting model, we can get much better result than the conventional full waveform inversion. By comparing the configurations of the misfit functional between the envelope inversion and the conventional waveform inversion, we show that envelope inversion can greatly reduce the local minimum problem. The combination of envelope inversion and waveform inversion can deliver more faithful and accurate final result with almost no extra computation cost compared to the conventional full waveform inversion. We also tested the noise resistance ability of envelope inversion to Gaussian noise and seismic interference noise. The results showed that envelope inversion is insensitive to Gaussian noise and, to a certain extent, insensitive to seismic interference noise. This indicates the robustness of this method and its potential use for noisy data.     

基于非规则网格声波正演的时间域全波形反演

全波形反演是地震资料处理中速度建模的有力工具,相比层析成像等速度建模方法它能够得到速度场的更高频成分.本文给出了基于声波方程格子法正演的时间域全波形反演方法,该方法用非规则、非结构化的三角网格来离散计算区域及模型参数,能实现网格粒度与反演分辨率在空间上的自动匹配,内存需求少,计算效率高;采用L-BFGS优化方法,以分频段变网格的方式实施多尺度反演.以二维Overthrust模型进行了速度反演数值测试,显示了该方法的高效性和潜力.     

Wave equation tomographic velocity inversion method based on the Born/Rytov approximation

This paper discusses Born/Rytov approximation tomographic velocity inversion methods constrained by the Fresnel zone. Calculations of the sensitivity kernel function and traveltime residuals are critical in tomographic velocity inversion. Based on the Born/Rytov approximation of the frequency-domain wave equation, we derive the traveltime sensitivity kernels of the wave equation on the band-limited wave field and simultaneously obtain the traveltime residuals based on the Rytov approximation. In contrast to single-ray tomography, the modified velocity inversion method improves the inversion stability. Tests of the near-surface velocity model and field data prove that the proposed method has higher accuracy and Computational efficiency than ray theory tomography and full waveform inversion methods.     

一种新的预条件伴随状态法初至波走时层析

伴随状态法初至波走时层析是基于最优化理论的一种层析成像方法,该方法不必进行射线追踪,用两次正演的计算量便可以获得梯度,具有计算效率高、内存占用小等优点,但是其一阶方向在初始模型或观测孔径不理想的情况下往往无法获得正确的反演结果,而二阶方向的实现又比较困难且费时.在伴随状态法的基础上,将走时差替换为定值,再次进行反演,便可以得到类似于射线密度的矩阵,用该矩阵的逆可以方便地进行预条件.基于该方法,本文提出了一种简单易行的预条件伴随状态法初至波走时层析的实现方法.理论模型和实际资料处理结果都表明,该方法既保留了伴随状态法初至波走时层析的优点,又可以克服一阶方向的局限,获得良好的反演效果.     

测井约束地震波形反演的同伦摄动法

测井数据和地震数据是地震勘探中两种最重要的资料. 测井约束地震波形反演是在非线性波形反演的基础上,利用已知测井资料详细的垂直分辨能力和地震资料均匀密集的水平采样特点, 通过迭代反演来求取一个具有较高分辨率的速度参数.本文建立了测井约束反演模型,研究了测井约束下地震波形反演的同伦摄动求解方法.同伦摄动法作为一种新的、求解数学物理中各种非线性问题的有效方法,具有计算速度快、计算精度高的优点.这对于提高反演的精度和效率是十分有益的. 为了表征该方法的有效性和稳定性,分别对水平层状介质模型和逆冲断层带模型进行了数值模拟,并与Landweber迭代法相对比,结果表明该算法具有更好的收敛性,能够取得更为满意的反演效果.     

基于对数目标函数的跨孔雷达频域波形反演

波形反演在探地雷达领域的应用已有十余年历史,但绝大部分算例属于时间域波形反演.频率域波形反演由于能够灵活地选择迭代频率并可以使用不同类型的目标函数,因而更加多样化.本文的频率域波形反演基于时间域有限差分(FDTD)法,采用对数目标函数,可在每一次迭代过程中同时或者单独反演介电常数和电导率.文中详细推导了频率域波形反演的理论公式,给出对数目标函数下的梯度表达式,并使用离散傅氏变换(DFT)实现数据的时频变换,能够有效地减少大模型反演的内存需求.在后向残场源的时频域转换过程中,提出仅使用以当前频点为中心的一个窄带数据,可以消除高频无用信号的干扰,获得可靠的反演结果.为加速收敛,采用每迭代十次则反演频率跳跃一定频带宽度的反演策略.实验证明适当的频率跳跃能够在不降低分辨率的基础上有效地提高反演效率.通过两组不同情形下合成数据反演的分析对比,证明基于对数目标函数的波形反演结果准确可靠.最后,将该方法应用到一组实际数据,得到较好的反演结果.