相位空间内的解缠绕相位反演

全波形反演方法是一种数据域高精度反演方法,该方法通过匹配观测数据与模拟数据的地震波形,利用梯度法准确反演地下介质参数的分布情况.由于观测数据普遍缺少低频信息,该方法易受周期跳跃现象影响.特别是当地下存在大尺度强反射界面的构造时,地下介质的反演转化为强非线性问题求解.该情形下,即使观测数据包含充足的低频信息,全波形反演也难以给出准确的反演结果.一般可以通过减弱反演对初始模型参数的依赖性来克服上述问题,具体表现为使用新变量(例如瞬时相位、包络等)代替目标函数中的采样后波场,以增强新目标函数的凸性.但是,对该新目标函数进行反演时,伴随状态方程中存在关于新变量和波场的一个链式微分项,该项保留了反演问题的非线性,导致新的反演方法难以处理包含大尺度构造的强非线性反演问题.此外,基于新变量的反演问题依然在波场空间中计算模型梯度,难以充分利用新变量与模型参数之间的弱非线性关系.因此,本文提出用频率域波动方程的相位形式代替传统的波动方程来消除伴随状态方程中的链式微分项,用解缠绕的相位代替目标函数中采样前波场并在相位空间进行反演.该方法可以最大程度地利用地下介质参数和解缠绕相位之间的弱非线性关系,从而削弱反演的非线性性.由于基于频率域波场计算得到相位有严重的缠绕问题,本文采用基于振幅排序的多聚类算法来对相位进行解缠绕.虽然将介质参数到波场的映射替换为介质参数与解缠绕相位的映射,会导致反演结果的分辨率有所下降,但该方法可以在相位空间恢复介质参数的大尺度低波数分量.Marmousi模型测试证明了该方法的有效性和准确性,针对部分BP模型的测试也证明了该方法处理强非线性问题的能力.     

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.     

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.     

一种基于拟相位信息目标泛函的反射波波形反演方法（英文）

反射波波形反演(RFWI)通过交替更新模型的中低波数和高波数成分,为传统的全波形反演(FWI)提供较为准确的初始速度场。但是由于低频信息的缺失和振幅信息的复杂性,传统的反射波波形反演存在极强的非线性。将振幅与相位信息的分离能够有效提高RFWI的线性程度,然而传统的相位计算方法具有严重的相位跳变(wrapping)问题。基于此,本文首先给出一种拟相位信息的计算方法,利用地震数据的包络信息,以避免传统相位信息的跳变问题。然后利用拟相位信息构建反射波波形反演的目标泛函,并给出相应的伴随震源和梯度表达式。理论分析证明了拟相位信息的计算方法能够保证相位信息的稳定和准确性,并且基于拟相位信息的目标泛函具有更广的全局收敛域。将本文方法应用到部分Sigsbee2A模型并与传统的目标泛函对比结果表明:与传统的全波形反演方法相结合,新的RFWI能够在初始模型不准确情况下得到较为准确的反演结果。除此之外,本文方法对含噪音数据和低频数据缺失情况具有一定的适用性。     

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.     

基于地震数据子集的波形反演思路、方法与应用

地震数据与地下介质物性参数之间的复杂关系,决定了地震全波形反演在理论方法上面临着强烈的非线性难题.地下不同物性参数的不同分量在地震数据上具有不同的表现,勘探的不同阶段对地下介质模型的精度也具有不同的要求,这就决定了在地震全波形反演过程中不必时刻追求地震数据全部信息的匹配,部分信息的匹配就有可能解决现阶段的某些问题,还可以一定程度上规避匹配全部地震信息所遇到的强烈非线性难题.基于这样的考虑,我们提出了利用地震数据子集进行波形反演的思路,给出了统一的反演方法,并通过基于包络数据子集以及反射波数据子集的波形反演的理论模型与实际资料反演试验,证明了所提出的波形反演思路和方法的正确性.     

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.     

基于归一化能量谱目标函数的全波形反演方法

基于L2范数的常规全波形反演目标函数是一个强非线性泛函,在反演过程中容易陷入局部极小值.本文提出归一化能量谱目标函数来缓解全波形反演过程中的强非线性问题,同时能够有效地缓解噪声和震源子波不准等因素的影响.能量谱目标函数是通过匹配观测数据与模拟数据随频率分布的能量信息来实现最小二乘反演的,其忽略了地震数据波形与相位变化的细节特征,这在反演的过程中能够有效缓解波形匹配错位等问题.数值测试结果表明,基于归一化能量谱目标函数在构建初始速度模型、抗噪性和缓解震源子波依赖等方面都优于归一化全波形反演目标函数.金属矿模型测试结果表明,即使地震数据缺失低频分量,基于归一化能量谱目标函数的全波形反演方法在像金属矿这样的强散射介质反演问题上同样具有一定的优势.     

时间域平面波全波形反演

全波形反演同时利用地震波的振幅和相位信息,基于最小二乘思想反演介质参数,具有高分辨率、高精度等优点.但是,在地震数据的处理过程中运用全波形反演的运算成本非常高.为了解决这个问题,本文通过线性时移函数将多个炮记录压缩为若干个平面波记录,实现了一种基于平面波编码的时间域多尺度全波形反演方法.通过对Marmousi模型的反演测试以及与常规全波形反演对比分析,验证了本文方法的较高的运算效率和较强的抗噪声能力.     

低频缺失情况下的弹性波包络反演（英文）

多分量地震数据中低频缺失是弹性波全波形反演中的一大难题,低频的缺失导致全波形反演无法有效恢复介质的长波长成分进而使反演陷入局部极值。为此,本文提出了反演介质纵横波速度长波长分量的弹性波包络反演方法。该方法利用包络算子具有的解调多分量数据中隐含的低频信息的能力,构造多分量地震数据的包络目标函数进行反演,用以恢复地下介质纵横波速度的长波长成分。一系列数值试验表明,即使在多分量地震数据中缺失低频信息、并且初始模型缺少先验信息的情况下,这种弹性波包络反演方法能够有效降低波形反演的非线性,可以为后续的常规弹性波全波形反演或者深度偏移提供足够精确的初始模型,且该方法对横波速度长波长分量的重建尤为有效。Mamousi-2模型的高精度纵横波速度的反演结果表明,利用该方法反演的纵横波速度作为常规弹性波全波形反演的初始模型,可以显著提高反演结果的精度。此外,本文对弹性波包络反演方法的适用性也进行了初步的研究与讨论。     

基于自适应非稳态相位校正的时频域多尺度全波形反演

本文提出非稳态相位校正时频域目标函数,通过缩小观测数据与模拟数据在波形相位上的差异来缓解全波形反演过程中对应波形匹配错位的问题（周波跳跃）.同时引入自适应相位校正因子,可以根据观测数据与模拟数据的差异来调整相位校正量的大小.在构建非稳态相位校正时频域全波形反演目标函数的基础上,利用链式法则详细推导了对应的伴随震源,并从理论上证明了该方法的可行性与优越性.数值测试过程中结合了低通滤波多尺度反演策略,进一步缓解全波形反演过程中的强非线性问题.缺失低频分量测试结果表明,利用自适应非稳态相位校正时频域多尺度全波形反演方法结合常规全波形反演方法在缺失7 Hz以下低频分量的地震数据中仍然能够得到高精度的反演结果.震源不准确测试结果表明,即使震源子波相位差异较大,利用非稳态相位校正方法仍然能够一定程度上缓解周波跳跃现象.测试结果综合证明了本文提出的方法在构建初始速度建模,缓解周波跳跃等方面具有一定的优势.     

波动方程偏移成像阴影的照明补偿

受地下复杂构造和地震数据采集系统的影响,使地震波对地下目标的照明出现不均匀性,地震采集系统难以有效地获取地下某些目标的反射信息,进而使数据偏移成像在这些目标体上出现成像阴影. 根据波场和Green函数的窗口Fourier框架展开,利用角度域波动方程偏移成像和波动方程照明分析,并结合波动方程反演理论,提出一种角度域波动方程偏移成像阴影照明补偿方法. 这种补偿方法能同时考虑地震数据采集系统和波场传播路径对偏移成像的影响,消除复杂构造区的偏移成像阴影,改进波动方程叠前深度偏移成像在复杂构造区的成像效果.     

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。     

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.     

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。     

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.     

一种时间域全波形反演中的地震子波估计方法

全波形反演具有高精度成像能力,然而由理论走向实际应用还存在很多问题.全波形反演通过匹配波形来更新模型,数据的波形与地震子波有直接的关系.本文介绍了一种针对时间域波形反演的子波估计方法,并将其应用到全波形反演中.由于在频率域子波反演可表示为一个线性优化问题,因此本文先给定一个试探子波,在时间域通过有限差分法正演得到地震波场,并在频率域与观测数据比较分析,反演得到预测子波.此外,本文还简要地介绍了如何使用伴随状态法计算全波形反演的梯度.数值实验证明,本文方法反演得到地震子波与真实子波具有很好的吻合度,并在全波形反演中取得了不错的效果.相比不依赖于子波的方法,提前进行子波估计可提高反演效率.此外,本文方法适用于全波形反演中常使用的多尺度反演策略.     

基于新的惩罚因子算法的波场重构反演

全波形反演是一种高精度的反演方法,其目标函数是一个强非线性函数,易受局部极值影响,而且反演过程计算量较大.波场重构反演是近几年提出的一种改进的全波形反演理论.该反演方法通过将波动方程作为惩罚项引入到目标函数中,通过拓宽解的寻找空间减弱了局部极小值的影响,而且反演过程不需要计算伴随波场,提高了计算效率.但该反演方法一直缺少准确的惩罚因子算法,直接影响到该方法的准确度.本文将波场重构反演拓展到时间域并利用梯度法进行波场重构.频率域的惩罚因子用来加强波动方程的约束,而时间域惩罚因子表现为调节模拟波场和实际波场的权重因子.为此,我们根据约束优化理论,在波动方程准确以及重构波场与反演参数解耦的假设下,提出以波动方程为目标函数的新的惩罚因子算法.根据波形反演在应用时普遍存在的噪音干扰、子波错误和低频信息缺失的情况下,应用部分Sigsbee2A模型合成数据对本文提出的算法进行实验.数值实验结果表明：基于新的惩罚因子算法,在其他信息不准确的情况下,波场重构反演可以给出高精度的反演结果.     

全波形反演在缝洞型储层速度建模中的应用

速度是地震偏移成像准确与否的关键所在.全波形反演综合利用地震波场运动学和动力学信息,能够得到相比传统速度建模方法更高频的成分.全波形反演的理论比较成熟,但实际应用成功的例子相对较少,特别是对于陆上地震资料.塔里木盆地地震地质条件复杂,为了实现缝洞型储层的准确成像,本文开展了针对目标靶区的全波形反演精细速度建场研究.采用一种时间域分层多尺度全波形反演流程:首先通过层析成像建立初始速度模型;其次利用折射波反演浅层速度模型;最后利用反射波反演中深层速度模型.偏移成像结果表明基于全波形反演的速度建模技术能有效改善火成岩下伏构造的成像精度,显示了全波形反演在常规陆上采集资料的应用潜力.     

频率域全波形反演中关于复频率的研究

Laplace-Fourier域全波形反演可以利用简单的初始模型,从缺失低频信息的地震数据中得到长波长速度模型.Laplace-Fourier域全波形反演等价于本文的复频率全波形反演,但二者的实现方式不同,因此研究复频率全波形反演,可以为二者的对比研究并发展更有效的方法奠定重要基础.本文首先比较用线性增加模型作为初始模型时几个包含不同高低频成分的频率组的反演效果,再比较结合复频率之后各个频率组的反演效果,从简单模型和复杂模型的测试中都可以看出这种复频率+频率反演的方式对反演效果有明显改善.