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。

基于声波方程的有限频伴随状态法初至波旅行时层析

根据有限频理论,对于特定震相的观测信息,不仅射线路径上的介质对该信息具有影响,路径以外的其它区域对接收信息也具有影响,这种影响可以用核函数来表达。传统核函数的计算是基于"波路径"的,计算繁琐且效率低。而基于射线理论的伴随状态法虽然可以在很大程度上提高反演效率,却没有考虑地震波传播的有限频特性,这就导致了反演过程中低波数信息的缺失。本文基于伴随状态法,同时考虑地震波传播的有限频特性,研究并实现了基于声波方程的有限频伴随状态法初至波旅行时层析成像。将该方法应用于表层速度结构反演,理论模型实验表明,该方法比传统非线性射线旅行时层析成像具有更高的反演精度。

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.

改进的伴随状态法初至波走时层析成像方法

目前,有关伴随状态法初至波走时层析成像方法的文献,基本上都是基于面积分来定义目标函数,由此得到的伴随方程也都依赖于地表的法向量.这样,一方面会因为伴随变量计算的不准确而造成梯度的不合理,另一方面也无法合理地处理井中观测问题.本文从理论或数值试验角度指出了这些问题,并提出了不依赖地表法向量的改进的伴随状态法走时层析成像方法.主要改进包括:(1)采用体积分定义目标函数,避免了传统方法不能较好处理井中观测数据的缺陷,可以适应任意地表或井中观测系统.(2)采用摄动法得到了新的伴随方程,克服了传统方法中伴随场计算需要依赖于地表法向量的缺陷,使得检波点处的走时残差可以正确地反传播至地下,进而得到更加合理的速度修正方向,提高了速度反演的精度.

基于伴随状态法二维时间域勒夫波全波形反演研究

高频面波技术作为一种先进的地球物理勘探技术可被用来估计近地表横波速度.然而,基于频散曲线反演的高频面波技术对于非层状复杂的地质模型是不适用的.为此,本文对勒夫波进行时间域全波形反演以估计近地表横波速度.有别于经典的伴随状态法,本文基于一阶勒夫波伴随状态法求取模型参数梯度,该伴随状态法可以求取精确的伴随源.为削弱震源与近自由地表的耦合作用,本文对梯度进行适当的预调节.采取共轭梯度算法优化目标函数,并通过三点抛物法确定最优步长.分别对两个模型的无噪声和噪声勒夫波数据,应用本文方法测试.结果表明:经过50次迭代后,真实模型的主要异常已经被精确重建;噪声会加强震源与近自由地表的耦合作用,在近自由地表附近产生假异常;基于伴随状态法的全波形反演对于异常体的边界刻画能力较弱.

反演近地表物性参数的地震层析成像方法综述

针对反演近地表物性参数的地震层析成像方法的发展历程开展了论述。首先,阐述了传统的联合代数重建法(SIRT)、最小二乘QR分解(LSQR)等求解方程组的方法以及最新发展的局部最优化算法(包括伴随状态法与改进的散射积分法)的模型更新方式;其次,从简单到复杂论述了层析成像方法在射线理论、有限频理论、波动理论下的发展历程;再次,从初至波到时频率依赖的初至波到时初至波波形反演方面阐述了反演精度逐步提升的技术关键;然后,介绍了目前对地下物性参数要求提升的情况下,地震层析成像方法从单参数速度到各向异性等多参数反演的最新研究动态;最后,分析了地震层析成像这种高度非线性的反演过程的模型参数化、反演策略、Hessian矩阵利用等问题。综上所述表明:地震层析成像在实际应用中仍具有不可替代的作用;通过不断挖掘数据中更多的信息,其理论方法与实现方式正在向全波形反演靠拢。

基于垂直构造梯度优化的全波形反演方法

伴随状态法是全波形反演的主流梯度计算方法,该方法对水平构造反演效果较好,但是不易反演垂直构造.对此,本文以有效反演垂直构造为目标,提出了一种基于垂直构造梯度优化的全波形反演方法.首先基于波场传播特征,分析了伴随状态法在垂直构造梯度计算方面的局限性.在此基础上,通过构建模拟数据和观测数据之间残差逆传波场的自相关项,实现了垂直构造位置处的梯度补偿;并将其以自相关梯度项能量最大值为归一准则与伴随状态法所得梯度相结合,以保证在有效反演垂直构造的同时兼顾水平构造反演效果.单层、双层阶梯模型测试表明本方法可以有效反演垂直构造,同时提升水平构造反演效果;局部Marmousi模型测试证明了本方法同样可以改善倾斜构造的反演效果.

基于逆散射成像条件的转换波弹性波动方程自动偏移速度分析

在地震偏移成像过程中,成像精度依赖于速度模型,因此偏移速度分析对高精度叠前偏移成像至关重要。基于高频近似下的逆散射成像条件,提出了基于剩余曲率分析的转换波弹性波动方程偏移速度分析方法。首先基于高频近似下的逆散射成像条件,采用逆时偏移近似估计转换S波散射位,然后结合入射P波和转换S波散射位,重构得到上行转换S波,最后利用伴随状态法导出剩余时差关于波速的梯度。基于逆散射成像条件,有效保证了弹性波动方程偏移速度分析中梯度的稳定求解。数值实验表明该方法导出了高质量的梯度。初步测试表明反演的速度模型有效地校平了共成像点道集,改善了成像质量。此外,剩余时差曲率智能识别等技术简化了中间处理流程,构建的智能化速度分析框架有望提升计算效率。

三维声波全波形反演的实现与验证

全波形反演利用叠前地震波场的运动学和动力学信息重建地下地球物理参数,具有揭示复杂地质背景下构造细节及岩性的潜在能力。介绍了频率域反演联合时间域正演的优化算法的三维声波全波形反演方法及算法实现。该算法的正演实现使用了伪保守形式的一阶速度-压力场声波方程。应用三维SEG/EAGE模型反演实例验证了三维声波全波形反演方法的有效性。

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.

三维一阶速度—应力声波方程全波形反演

基于时间域三维一阶速度—应力声波方程,采用基于摄动理论的伴随状态法,推导出时间域三维一阶速度—应力声波方程的伴随方程及相应的纵波速度的梯度计算公式,并采用交错网格有限差分法计算正向传播波场及逆时外推的伴随波场,进而计算出纵波速度的梯度,在此基础上采用共轭梯度法更新纵波速度模型,实现了基于一阶速度—应力声波方程的三维全波形反演方法。由于基于一阶速度—应力声波方程,该方法能够方便地采用交错网格有限差分法求解。由于基于GPU在时间域实现,波场正向传播及逆时外推时较直接、快速。模型测试结果证明了方法的可行性和有效性。

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7Hz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.

基于一阶速度-应力方程的VTI介质最小二乘逆时偏移

地下地层普遍存在各向异性,忽略介质各向异性会导致速度估计不准确,成像精度下降.基于二阶声波方程的最小二乘逆时偏移忽略了介质各向异性及密度变化的影响,致使模拟地震数据与实际观测数据不匹配,影响收敛速度和反演成像质量.VTI介质一阶速度-应力方程能较好适应各向异性变密度情况,为此,本文首先从VTI介质一阶速度-应力方程出发,进行波动方程线性化;其次推导了相应的扰动方程和伴随方程,并通过伴随状态法得到梯度更新公式;最终形成基于一阶方程的LSRTM算法理论及实现流程.在实现算法的基础上,通过数值试算及成像结果对比,验证了本文算法在处理变密度和VTI介质时的有效性和优越性.偏移速度以及各向异性Thomsen参数误差的敏感性测试及误差收敛曲线对比结果进一步表明:速度及Thomsen参数对成像结果存在明显影响,其中速度敏感性最强,参数epsilon次之,参数delta的敏感性最弱.

一维速度结构的地震波全波形反演理论测试

为了验证地震学研究中全波形反演方法的有效性,并研究其收敛特点,编写基于共轭梯度法的一维地震波全波形反演程序。首先使用单个震源和台站反演出一维非均匀速度结构,然后通过改变此过程中的各个条件,讨论不同因素对反演结果的影响。结果显示,全波形反演在数据较好的情况下能够得到很精确的反演结果;震源和台站是影响反演的最主要因素;多尺度反演以及更好的初始模型能够有效地提高反演的稳定性;观测数据的噪声可使结果产生小尺度的波动,但在大尺度上对结果的影响相对较小。

复杂声速剖面约束下的深海水层速度反演

为对复杂声速剖面进行反演,笔者采用速度分析建模与伴随状态法层析成像反演建模相结合的方法获得声速剖面沿垂向速度。采用Munk公式描述水层速度垂向变化,并引入随机声速剖面复杂速度建模。在此基础上,使用海底反射走时伴随状态法层析成像反演复杂声速剖面。将声速剖面较准确的速度分析结果作为初始迭代,通过求解伴随偏微分方程得到非线性目标函数的梯度,避免了对Fréchet导数的大量计算。较准确叠加速度初始模型的引入提高了迭代效率与计算精度。最终得到了与真实模型速度吻合的结果。

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.