海水速度结构的OBS透射走时层析反演

近年来,海洋高分辨率地震勘探领域取得了显著进展,对地震资料反演的精度要求日益严苛.为了提升后续处理的效率和准确性,获取更为精确的海水速度分布显得至关重要.然而,传统的走时层析方法在利用有限偏移距的海面拖缆数据时,往往难以达到理想的垂向分辨率,从而限制了海水速度建模的精确性.鉴于此,本文提出了一种基于OBS(海底地震仪)观测系统的透射波走时层析方法.该方法采用伴随状态法走时层析作为反演工具,利用OBS观测系统声压分量中的海水透射波走时信息,对海水速度结构进行精确反演.理论模型和实际资料实验结果表明,该方法能够准确建立海水速度模型,提高海水以下地层的成像效果.

基于声波测井资料的波动方程走时层析反演速度建模

地震勘探目标逐渐由浅层(<2000 m)转向中深层(2000~3500 m),高精度速度建模是实现精确地震成像的关键手段之一.目前,初至波或早至波速度层析建模方法已较为成熟,然而对深层速度建模更为重要的反射波层析建模方法依然面临走时拾取困难及计算量大等难题.针对当前中深层走时层析速度建模方法面临的难题,本文提出了一种基于声波测井资料的波动方程全波走时层析速度建模方法及策略.该方法首先通过早至波层析反演获得浅层及大尺度速度信息;其次,通过提取初次成像剖面的构造倾角信息,利用声波测井资料进行稀疏反演,进一步获得更高精度的速度模型;最后,以此为初始模型,进行全波层析反演获得最终偏移速度模型.数值结果表明,本文所提出的速度建模方法及策略不仅可以避免传统反射波层析建模方法因采用Born近似反偏移所带来的大计算量问题,且大幅提高了中深层速度建模的精度,进而能有效地提高中深层复杂构造区域的地震成像质量.

全球非均匀模型中的远震走时层析成像

远震走时层析成像是研究地球内部结构的重要工具.通常,远震走时层析成像使用一维地球参考模型计算研究区域外地震射线.由于地球存在广泛非均匀结构,传统远震走时层析成像在计算射线时忽略了研究区域外非均匀结构对射线的影响,最终导致对研究区域内的成像结果产生影响.为了减小模型外地球非均匀结构对远震走时层析成像的影响,本文利用迎风差分格式数值求解程函方程,得到全球非均匀模型中的远震射线,以此为基础发展了基于全球非均匀模型的远震走时成像方法.为了检验本文成像方法提升成像精度的有效性,选取青藏高原东北缘为研究对象.合成测试和实际数据成像结果显示,在考虑地球非均匀结构以后,成像结果更精确,结果展现更多成像细节.

海底地震仪与拖揽观测系统的联合走时层析海水速度建模

在海洋地震勘探过程中,如果不考虑海水的非均匀性将会在后续层析成像过程中引入伪影,因此准确的海水速度建模是非常有必要的.海底地震仪(OBS)记录数据中的透射波具有较大的射线角度,能够为海水建模提供垂向分辨率;而拖缆观测可以补充OBS分布稀疏造成的横向欠采样,同时可以定位海底深度并更新OBS位置信息.综合利用OBS和拖缆观测系统可以克服各自的局限性,提高海水速度建模的精度.为此,本文提出了一种基于OBS与拖缆观测系统的海水透射波、海底反射波联合走时层析方法,同时反演海水声速分布和海底深度.二维理论模型实验和实际资料处理结果表明,该方法能够准确反演海水声速分布和海底深度,提高震相走时的匹配程度,为后续成像提供准确的非均匀海水模型.

基于走时层析成像的全波形反演算法识别混凝土内部缺陷

该文提出一种基于走时层析成像的全波形反演算法并应用于混凝土构件内部缺陷位置和尺寸识别。通过多个数值算例进行验证,结果表明:基于走时层析成像的全波形反演算法不仅能够较好地识别混凝土板内部缺陷的具体位置和尺寸大小,而且其成像精度相对于既有的走时层析成像算法也有较大的提升。

自动拾取的成像空间域走时层析速度反演

本文研究了一种成像空间域走时层析速度反演方法,利用波动方程双平方根算子叠前深度偏移提取的角度域共成像点道集(ADCIGs)作为速度分析道集,并基于剩余曲率自动拟合策略获取高精度的走时差。文中不仅给出ADCIGs道集剩余曲率自动拟合拾取的主要思路,而且给出成像空间域层析反演的实现。模型和实际资料试算验证了该方法具有较高的反演精度和计算效率。

速度差对井间走时层析成像质量的影响及其改进方法

在井间地震初至走时层析成像中,随着相邻地质体速度差的增大,使得射线分布不均匀,以及网格剖分不合适,导致层析成像结果不理想.物理和数值模型的井间走时层析成像表明：当速度差超过30.0%时,层析结果畸变较大;在30.0%～15.0%之间时,层析结果较好;低于15.0%时,层析结果好.在此基础上,提出了井间多尺度初至走时层析成像方法,即对同一模型采用多种网格剖分来同时进行层析成像,以获得研究区域的速度图像.数学和物理模型的井间多尺度走时层析结果表明：该方法很好地兼顾了层析成像的分辨率和精度,极大地改善了井间地震层析成像的质量.即使速度差超过30%,其多尺度的层析结果仍然较好.因此,这种方法具有实际应用的潜力.

各向异性TI介质qP反射波走时层析成像

地震走时层析成像是反演地层各向异性参数分布的有效方法,但是关于地震各向异性介质走时层析成像的研究并不多,其技术远远没有达到成熟的阶段.在野外数据采集时,地表反射波观测方式相对井间和垂直地震剖面观测方式的成本更低,利用qP反射波走时反演各向异性参数具有更加广泛的实用价值.本文实现的TI介质地震走时层析成像方法结合了TI介质反射波射线追踪算法、走时扰动方程和非线性共轭梯度算法,它可以对任意强度的TI介质模型进行反演,文中尝试利用qP反射波走时重建TI介质模型的参数图像.利用qP反射波对层状介质模型和块状异常体模型进行走时反演,由于qP波相速度对弹性模量参数和Thomsen参数的偏微分不同,所以可以分别反演弹性模量参数和Thomsen参数.数值模拟结果表明:利用qP反射波可以反演出TI介质模型的弹性模量参数与Thomsen参数,不同模型的走时迭代反演达到了较好的收敛效果,与各向同性介质走时反演结果相比较,各向异性介质走时反演结果具有较好的识别能力.

基于高斯束传播算子的成像域走时层析成像方法

层析反演是速度建模中最重要的方法之一,结合偏移成像在成像域进行走时层析速度反演是当前比较成熟有效且广泛应用的技术.本文从高斯束偏移成像条件出发,在波动方程的一阶Born近似和Rytov近似下,推导了成像域走时扰动与速度扰动的线性关系,建立了成像域走时层析方程及其显式表达的层析核函数.该核函数的本质是有限频层析核函数,利用该核函数替换常规射线层析核函数可以明显提高层析反演精度.该核函数的计算关键是背景波场格林函数的计算,本文利用高斯束传播算子计算格林函数进而得到走时层析核函数,实现方式灵活高效且计算精度较高.基于高斯束传播算子的偏移成像与层析成像相结合进行深度域建模迭代,体现了速度建模与偏移成像一体化的思想.数值计算及实际数据应用证明了基于高斯束传播算子的成像域走时层析方法的有效性.

伴随状态法初至波走时层析

初至波走时层析成像方法通常被用来反演近地表速度结构。传统的射线层析成像方法计算效率低,且在复杂模型计算中存在不稳定性问题。为了快速、稳定地进行初至波走时层析,本文基于程函方程的有限差分形式,利用快速扫描算法实现初至波走时的快速计算。在此基础上,采用伴随状态法计算目标函数的梯度,进而实现伴随状态法初至波走时层析。将该方法与传统射线层析成像方法应用于理论模型实验和实际资料的处理,结果表明基于程函方程的伴随状态法初至波走时层析可以取得与传统射线层析近似的反演结果,但计算效率得到大幅提升。

起伏地形下的高精度反射波走时层析成像方法

全球造山带及中国大陆中西部普遍具有强烈起伏的地形条件.复杂地形条件下的地壳结构成像问题像一面旗帜引领了当前矿产资源勘探和地球动力学研究的一个重要方向.深地震测深记录中反射波的有效探测深度可达全地壳乃至上地幔顶部,而初至波通常仅能探测上地壳浅部.为克服和弥补初至波探测深度的不足,本文基于前人对复杂地形条件下初至波成像的已有研究成果,采用数学变换手段将笛卡尔坐标系的不规则模型映射到曲线坐标系的规则模型,并将快速扫描方法与分区多步技术相结合,发展了反射波走时计算和射线追踪的方法.进而利用反射波走时反演,实现起伏地形下高精度的速度结构成像,从而为起伏地形下利用反射波数据高精度重建全地壳速度结构提供了一种全新方案.数值算例从正演计算精度、反演中初始模型依赖性、反演精度、纵横向分辨率以及抗噪性等方面验证了算法的正确性和可靠性.

浅谈反射地震走时层析中的正则化

反射地震走时层析本质上是一个病态问题,而正则化是改善问题病态程度的有效手段.反射地震走时层析最终可归结为线性方程组的求解,本文讨论了在线性方程组求解过程中正则化的作用和方式.正则化的作用有:(1)用超定分量约束欠定分量和零空间分量;(2)用先验信息约束欠定分量和零空间分量;(3)对射线的不均匀覆盖进行阻尼;(4)对数据的不准确性进行阻尼.正则化的加入方式有:(1)加法型(将正则化矩阵补在层析矩阵后面,包括导数型正则化和零阶正则化,一阶导数型正则化对应最平坦解,二阶导数型正则化对应最光滑解,零阶正则化对应紧约束解);(2)乘法型(将正则化矩阵与层析矩阵相乘,主要包括阻尼型正则化).并利用简单的模型对正则化的效果进行了试验,发现经各种正则化约束后,与未加任何正则化约束得到的速度模型比较,尽管恢复的异常体的幅度不如后者大,但得到的速度剖面要平滑得多,更利于后续的射线追踪正演和层析反演.

初至波走时层析成像中的正则化方法

波场的等效性、观测数据的有限性和观测误差等因素导致地球物理反演本身具有严重的多解性,降低这种多解性的一种重要途径就是对反演过程进行约束。传统的初至波走时层析成像方法,通常是在外部对模型空间施加显式的约束和平滑处理,这样就会破坏模型参数与传播算子之间的相关性,难以达到有效利用先验信息的目的,甚至会影响反演的稳定性。针对这一问题,本文将先验信息分为三类,在此基础上阐述了通过正则化手段将各种先验信息纳入到反演方程当中,替代传统的外部约束模式。理论试验结果表明,正则化方法比外部约束方法有效地提高了反演的精度和分辨率;将该正则化方法应用于实际二维资料处理,也得到了比较好的反演结果。

基于初至波走时层析成像的Tikhonov正则化与梯度优化算法

初至波走时层析成像是利用地震初至波走时和其传播的射线路径来反演地下介质速度的技术.该问题本质上是一个不适定问题,需要使用正则化方法并辅之以适当的最优化技巧.本文从数值优化的角度介绍了初至波走时层析成像的反演原理,建立了Tikhonov正则化层析成像反演模型并提出求解极小化问题的加权修正步长的梯度下降算法.该方法可以从速度模型的可行域中迭代找到一个最优解.数值试验表明,该方法是可行和有应用前景的.

走时层析成像的迭代Tikhonov正则化反演研究

针对反问题求解常遇到不适定的困难,采用奇异值分析的方法探讨了层析成像反演方程的不适定特征,研究了利用迭代Tikhonov正则化方法求解二维走时层析成像问题.该方法是一种拟线性化的反演算法,采用 L曲线法确定最优正则参数,拟定了四个有效的反问题迭代收敛准则,得到在残差范数和解的范数之间取最优折衷的解.核心异常数值化模型的计算结果表明,该方法比传统的联合迭代重建算法(SIRT)收敛快、精度高.

反射地震走时层析成像中的大型稀疏矩阵压缩存储和求解

反射地震走时层析成像是一种精度较高的速度求取方法,最终可归结为线性方程组的求解.方程组具有很大的维数,常规解法需要很大的存储量和计算量.本文考虑到当投影函数取为走时残差,图象函数取为慢度残差时,灵敏度矩阵中的元素表示射线经过网格的长度的特殊物理意义,采用行索引的压缩存储方式,在射线追踪正演模拟过程中直接压缩存储灵敏度矩阵,在层析反演过程中利用压缩后的矩阵进行求解,大大降低了存储量和计算量.

基于程函方程的VTI介质初至波走时层析反演

VTI介质初至波走时层析是反演各向异性参数的有效方法,其难点是初至波走时的计算和各向异性参数的联合反演。本文用垂直速度、动校正速度和非椭圆系数三个参数表征介质各向异性参数,使用基于Runge-Kutta算法的射线追踪,并根据相应的群慢度近似表达式推导了上述三个参数的敏感核函数表达式;利用最小二乘正交分解算法,分别用两种参数选择方法进行联合反演;数值模拟结果表明本文参数选择方法比传统Thomsen参数选择方法具有更高反演精度,从走时层析角度也证明了基于Runge-Kutta算法的射线追踪方法适用于VTI介质。

一阶Rytov近似有限频走时层析

传统的波动方程走时核函数(或走时Fréchet导数)多基于互相关时差测量方式及地震波场的一阶Born近似导出,其成立条件非常苛刻.然而,地震波走时与大尺度的速度结构具有良好的线性关系,对于小角度的前向散射波场,Rytov近似优于Born近似.因此,本文基于Rytov近似和互相关时差测量方式,导出了基于Rytov近似的有限频走时敏感度核函数的两种等价形式:频率积分和时间积分表达式.在此基础之上,本文提出了一种隐式矩阵向量乘方法,可以直接计算Hessian矩阵或者核函数与向量的乘积,而无需显式计算和存储核函数及Hessian矩阵.基于隐式矩阵向量乘方法,本文利用共轭梯度法求解法方程实现了一种高效的Gauss-Newton反演算法求解走时层析反问题.与传统的敏感度核函数反演方法相比,本文方法在每次迭代过程中,无需显式计算和存储核函数,极大降低了存储需求.与基于Born近似的伴随状态方法走时层析相比,本文方法具有准二阶的收敛速度,且适用范围更广.数值试验证明了本文方法的有效性.

地震走时层析成像反演在速度模型中的应用

基于在均匀介质中的波射线传播理论,应用直射线追踪方法进行了射线走时正演计算,并选用了SIRT算法根据不同的点源和不同的检波点的走时观测值进行快速反演成像,并对不同的反演结果进行比较,获得了在不同走时观测值所反演得到速度异常区域的位置。

三角网格参数化在反射地震走时层析成像中的应用

矩形网格参数化是反射地震走时层析成像中的传统参数化方式,然而这种参数化方式本身的缺点(如剖分的灵活性差,对速度界面的描述精度差)却在层析成像的正反演过程中产生了很多不利因素:正演模拟和层析反演时存储量大、计算量大、计算耗时久,层析反演的方程性态差、求解难度高等。鉴于矩形网格参数化层析成像的上述缺点,将三角网格参数化应用到反射地震走时层析成像中,研究发现三角网格参数化本身的优点(如剖分的灵活性强,对速度界面的描述精度高)在层析成像的正反演过程中产生了诸多有利因素,大大减少了网格的数目,在正演模拟和层析反演时大大减少了存储量、计算量和计算时间,并改善了层析反演的方程性态,降低了求解难度。因此,三角网格参数化与矩形网格参数化相比在反射地震走时层析成像中更有优越性,模型试验表明两种参数化方式得到的层析反演结果具有可比性。