基于局部存储策略的声波全波形反演方法

全波形反演作为一种高精度地下速度模型建模方法,自提出以来就受到了地震勘探领域的广泛关注.然而在时间域全波形反演中梯度计算需要存储或恢复震源波场,这会导致存储大量数据或额外的震源波场重构计算,使得全波形反演的实用化受到波场重构的制约.为此,本文提出了一种基于局部存储策略的声波全波形反演方法.依据奈奎斯特采样定理设置存储间隔,通过存储每个空间网格点有限时间区间内的有效波场来计算梯度,达到减少存储震源波场数据量、避免波场重构进而提升效率的目的.与其他方法相比,本方法无需波场重构且所需内存大小与正演模拟的差分精度和记录时长均无关.二维和三维推覆体模型合成数据的反演测试均表明:本方法能够在不重构波场的情况下保证反演结果的精度和信噪比,有效提高计算效率并显著降低对计算机内存的需求.

海洋可控源电磁法与地震全波形二维联合反演研究

为降低单一地球物理反演方法的局限性以及反演中所存在的多解性等问题,开展了海洋可控源电磁法(MCSEM)与地震全波形的二维联合反演研究。MCSEM采用数据空间OCCAM反演算法,地震全波形采用梯度法反演算法,引入交叉梯度函数实现两种物性参数结果的相互耦合;开发出一套二维联合反演算法,并通过3组理论模型算例验证了算法的准确性。研究结果表明:MCSEM联合反演结果相对于单方法反演结果有显著改善和提升,主要体现在异常体的形态刻画、结构构造以及物性数值的恢复,这说明全波形的反演方法能够提高MCSEM反演结果的可靠性。

海洋拖缆与海底节点资料联合全波形反演

全波形反演(FWI)能够建立地下介质的高精度速度模型。受检波器制约,海洋拖缆资料通常缺少可靠的低频成分,因此基于拖缆资料的FWI容易发生周期跳跃,导致目标函数收敛于局部极值。海底节点(OBN)资料含有比拖缆资料更丰富的低频成分,联合使用OBN资料与拖缆资料进行波形反演,能够弥补低频缺失问题。然而,拖缆资料与OBN资料的震源子波不同,而波形反演结果受震源子波的严重约束。为此,提出一种不依赖震源子波的拖缆与OBN资料联合波形反演方法。在构建目标函数时将模拟数据和观测数据分别与对方的平均道进行褶积,以消除联合波形反演中的震源子波误差,达到不依赖震源子波的反演效果。使用Marmousi模型合成的拖缆资料与OBN资料进行了模型测试,验证了所提方法的可行性和有效性。

基于指数相位相关性目标函数的全波形反演

全波形反演(FWI)已成为获取浅地表高分辨率S波速度(VS)的有效方法。为了克服FWI在野外应用中的一些挑战,文中引入了一种基于指数相位相关性的目标函数,该函数不依赖于测量和模拟数据的振幅信息。文中采用伴随状态方法高效计算目标函数相对于模型的梯度,并分析了新目标函数的形状。使用受随机噪声污染的模拟数据,证明了该目标函数对随机噪声的鲁棒性。此外,使用在考古遗址上采集的地震数据作为基准数据集,测试了基于指数相位相关性的全波形反演方法在真实野外环境中的性能,同时还添加了随机噪声以进一步评估目标函数对噪声的鲁棒性。文中所得反演结果与该遗址已有的速度结构非常相似,并已通过独立的考古挖掘验证。因此,基于指数相位相关性目标函数的FWI具有在实际野外情况下显著提高浅地表成像准确性的潜力。

面向深层干热岩体的全波形速度反演建模方法

随着勘探深度增加,地震信号衰减严重,常规速度建模方法精度较低,无法满足深层干热岩体高精度勘探的需求。为提高速度建模的精度,采用全波形反演方法,但受局部优化算法的限制,其应用存在收敛速度慢、反演深度浅以及容易陷入局部极值等问题。为此,对梯度应用预条件处理和平滑处理,并使用共轭梯度优化算法,以解决地下照明不均匀问题,提高反演深度、精度和收敛速度。同时,为缓解局部极小值问题,引入局部相似性全波形反演方法来更新初始模型,并对构建的干热岩模型进行数值测试。结果表明:即使在初始模型极不准确的情况下,该方法仍能避免周波跳跃的不利影响,实现稳健的迭代更新;该方法能够显著增加反演深度和精度,并且对高速岩体有较好的刻画,最终能获得浅、中、深全层系高精度速度模型;提出的全波形反演方法为深层高温花岗岩体的勘探提供了一个切实可行的建模流程。

钻孔瞬变电磁法拟地震全波形反演

钻孔瞬变电磁法是将发射与接收装置布置于钻孔中,因距离目标体近,探测精度得到提升,有利于煤矿钻孔周围含水体精细探测.常规的钻孔瞬变电磁法通过多分量响应近似判断异常体方向,难以对异常体的边界位置进行刻画,而且因瞬变电磁场的扩散特征,常规的反演方法对地质异常体的边界位置分辨率偏低.针对以上问题,结合钻孔瞬变电磁法扫描探测定位方法,通过波场转换将钻孔瞬变电磁法数据转换成虚拟波场数据,然后进行全波形反演与成像.针对虚拟波场直达波能量较强且属于干扰波,采用剪切波变换去除虚拟波场直达波,避免了虚假界面;其次由于波场转换过程中核函数病态性强的特点,引入虚拟电导率,降低了虚拟波场速度,从而降低了波场转换核函数病态性;为了对虚拟波场进行高精度反演与成像,分别采用阻尼最小二乘法和伴随状态法实现虚拟波场全波形反演.结合钻孔瞬变电磁法探测的数值实验得出阻尼最小二乘全波形反演方法的反演结果更加准确,可以实现对钻孔孔壁外围地层信息的精细刻画,提高了钻孔瞬变电磁法扫描探测的效果.

基于变差分系数的变网格弹性波全波形反演

全波形反演充分利用地震波传播的振幅、相位和旅行时等信息,相较于旅行时层析能够获得分辨率和精度更高的反演结果。当浅层介质速度较低时,为了保证正演模拟精度,通常需要使用较细的网格对低速层进行采样。然而,对整个模型用细网格剖分会导致巨大的计算量以及存储量,同时模型的高速区域也会产生过采样现象,这些问题会在全波形反演过程中被进一步放大。为了避免这些问题,引入了一种基于变差分系数的变网格弹性波动方程有限差分正演模拟方法。首先,基于Taylor展开式推导了变网格波场模拟的差分系数,实现了变网格波场模拟;其次,将变差分系数正演模拟方法应用于全波形反演中的正演模拟、残差反传和波场重构中,实现了基于变差分系数的变网格弹性波全波形反演。在全波形反演时,分别采用多尺度反演策略和常规的共轭梯度法迭代求解。使用细网格剖分速度较低的浅部低速层和粗网格剖分速度较高的中深层,既可以保证浅层的反演精度,又可以避免中深层的过采样。模型数据反演结果表明,基于变差分系数的变网格全波形反演相较于均匀粗网格全波形反演可以更有效实现低速异常体的准确刻画。含噪数据测试表明,提出的全波形反演方法具有较强的抗噪性。

时移跨孔地震全波形反演方法在水泥搅拌桩检测中的应用研究

水泥搅拌桩是处理沿海地区软土地基的常用手段,然而在实际工程中存在偷工减料、成桩质量不稳定等问题.目前的搅拌桩检测手段成本高,抽检比例低且可能对桩身完整性造成永久破坏,亟需无损、准确的检测方法.本文将跨孔地震、全波形反演及时移地震勘探相结合,提出了三种时移跨孔地震全波形反演方法(分别反演、连续反演和双差法反演),并将其应用于新加坡樟宜机场扩建项目中,分析比较了各种方法的检测效果.试验结果表明:跨孔波速测试易受环境干扰,难以反映出桩基的实际深度.背景场对全波形反演分辨率有一定影响,早先注浆失败残留的浆液会导致反演结果中搅拌桩的整体轮廓相对模糊.连续反演可以有效凸显桩基的位置和范围,双差法反演可以在连续反演的基础上进一步弱化背景场的影响,从而提高成像精度.研究成果可为水泥搅拌桩的无损检测提供重要指导.

混合域特征波全波形反演速度建模质控方法

常规的速度建模方法速度模型精度低,往往不能改善断层阴影带成像质量,通过采用混合域特征波全波形反演技术能加快全波形反演运算速度和收敛。同时提出成像剖面叠合分析、收敛性分析、测井速度与全波形反演速度对比分析、实际炮集与正演炮集波形对比分析、全波形反演模型与观测记录相似系数对比分析五步法全波形反演速度建模质控方法 ,并建立了目标泛函收敛是判断全波形反演是否收敛最直观的参数,目标函数不下降表明反演不收敛;全波形反演速度趋势与测井趋势要相吻合;正演炮集与实际炮集特征波对比越接近,目标泛函数值越小;正演炮集与实际炮集相似系数越大越一致,表明反演速度越精确等混合域特征波全波形反演速度建模质控主要标准。应用该质控方法,在较为准确的背景速度基础上应用构造约束混合域特征波全波形反演技术,引入较为准确的断层信息,建立精度更高的速度模型,提高了断层阴影带成像质量,有效改善了断层阴影带下盘构造成像畸变现象。

三维地震全波形反演技术在煤矿综采工作面的应用

煤岩界面的识别是煤矿智能化建设的关键一环,为解决此难点,以三维地震全波形反演技术为研究基础,采用建立目标函数和寻找最优化方法进行分析,对某矿工作面煤岩界面进行了详细探查。结合实际工作面地震资料,通过理论分析与实际计算,得到研究区全波形反演三维速度结构模型,并与巷道揭露情况进行误差对比分析,其结果表明:1)三维地震全波形反演可在井工煤矿下观测系统进行实际应用,可较为准确地反演出煤层顶底板界面三维空间形态特征;2)相较于地面三维地震的垂向精度5~30 m,该方法实际揭露计算误差纵波速度模型结果垂向平均误差为±1.3 m左右,横波速度模型结果垂向平均误差为±1.8 m左右,精度明显提升;3)三维纵波速度模型对煤层顶底板界面识别效果优于三维横波速度模型结果,对于横波结果,纵波结果识别精度平均提升27.78%;4)通过三维纵波速度模型可最终构建煤层顶底板三维空间特征,为煤层顶底板界面识别提供一种思路。

基于近似解析离散化算子的频率域弹性波全波形反演方法

全波形反演是一种利用地震波传播的动力学特征来获取地下介质物性参数的反演方法,可为揭示地下精细结构提供重要依据。本文以弹性波方程作为数学模型来模拟地震波传播规律并进行相应的反演方法研究。为提高计算效率与反演结果的准确性,可将近似解析离散化(NAD)算子用于频率域弹性波方程的正演模拟。本文在频率域NAD离散的基础上推导阻抗矩阵的稀疏分块结构与反演目标函数对模型参数的梯度计算公式,由此建立基于NAD算子的频率域弹性波全波形反演方法。为验证该方法的有效性,文中通过数值实验对多种典型介质模型进行反演计算,均得到了理想的反演结果。

基于Sigmod数据规则化的2-Wasserstein全波形反演方法

作为一种有效解决传统全波形反演(FWI)中周波跳跃问题的方法,基于2-Wasserstein距离的全波形反演(OT-FWI)通常需要采用适当的数据规则化方法。为此,将Sigmoid函数作为数据规则化方法引入OT-FWI,形成基于Sigmoid的OT-FWI方法。Sigmoid函数可以限制数据的取值范围,将小于0的部分映射到接近0的值。与常用的数据规则化方法如仿射尺度规则化和指数归一化规则化方法相比,Sigmoid函数可以更好地利用地震数据中小于0的相位信息,从而进一步提高反演精度。1D Ricker子波测试结果表明,基于Sigmoid数据规则化的2-Wasserstein全波形反演方法可以有效提高目标函数的凸性,并增加共轭震源中的低频信息。将该方法应用于胜利模型数据和中国东部某勘探区实际地震数据进行测试,结果表明,相对于传统的数据规则化方法,基于Sigmod数据规则化的2-Wasserstein全波形反演方法可以进一步提高模型反演的精度。

主动源全波形反演在内蒙古居延海坳陷多资源勘查中的应用

主动源全波形反演(Full Waveform Inversion,FWI)是一种基于波形匹配的高分辨率成像方法,近年来在近地表高分辨率成像中得到了较多的实际应用.然而,由于周期跳跃等因素导致的强非线性特征使得该方法对初始模型的准确性和地震数据的质量具有较高的依赖性.初始模型与地下实际结构较大的偏差、数据中的噪声及低频成分缺失等问题都会导致反演过程中陷入局部极小值,从而难以收敛到真实的速度结构.目前,FWI主要用于处理海上数据,在短偏移距陆地数据的应用中仍面临着较大挑战.内蒙古居延海坳陷拥有丰富的煤和油气资源,勘探开发潜力很大,但由于地质条件较为复杂,构造不清,迫切需要对地下进行高精度、高分辨率成像以进行细致研究.本研究利用该地区采集的可控震源地震勘探数据,采用多目标函数FWI获得了2 km以浅的高精度纵波速度结构.同时,通过波形对比验证了速度模型的准确性,并基于波形反演获得的速度模型进行Kirchhoff叠前深度偏移,获得了高分辨率的深度域反射剖面.成像结果揭示了研究区域的4套主要沉积地层,为后期对该区域的进一步研究提供了重要依据,并通过程序开源共享为国内大量主动源活动构造探测提供了一套可靠的高分辨率反演成像流程.

嫦娥四号着陆区次表层介电特性全波形反演与仿真验证

介电特性是决定雷达波在物质中传播速度的重要参数.嫦娥四号测月雷达提供的高垂向分辨率次表层雷达剖面信息有助于加深对月球次表层物质介电特性的理解与认识.全波形反演法充分利用雷达波场的运动学和动力学信息,根据雷达波模拟结果与真实数据的差异计算更新参数,迭代初始介电模型实现对次表层介电剖面的反演.本文结合嫦娥四号测月雷达数据与时域有限差分方法下均质模型和随机等效介质模型的雷达回波特性,确定随机等效介质模型能够更好地模拟嫦娥四号着陆区次表层物质的介电特性.全波形方法反演的介电模型与真实模型在大部分区域的相对介电常数误差小于0.2,为反演月壤厚度及构建次表层温度模型提供了重要的数据支撑.

井工煤矿全波形反演的初始模型构建探究

为提高全波形反演在井工煤矿工作面的运算效果,探究了三维程函方程求解时间场的方法,由透射初至走时反演刻画出初始模型,通过建立含断层的复杂地质模型理论计算正反演来验证算法可靠性。依据小保当二号煤矿工作面实际数据,通过折射横纵波有效信息,初步刻画煤岩分界,改进初始模型,提升全波形反演梯度结果,研究成果可用于煤矿工作面的高精度探测,建立更优全波形反演系统。

全波形反演在复杂地表三维地震资料处理中的应用——以HQ工区为例

由于HQ工区目的层埋深浅,受复杂地表影响存在较大范围的空炮段,故在三维地震资料处理中常规速度建模方法得到的速度模型精度低、成像效果差。通过总结分析全波形反演数据准备与常规数据处理的差别,将基于armousi模型的全波形反演技术于HQ工区三维地震资料处理中进行测试应用,并开展应用效果评价。应用结果表明,全波形反演技术可以准确还原复杂地表条件下地下介质的结构和性质,建立较高精度的地下速度模型,对应的叠前深度偏移成像效果具有明显提高。研究结果证实了全波形反演技术的优越性,对于全波形反演技术于复杂地表地区的应用具有一定的参考价值。

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。

多瞬时属性联合全波形反演方法研究

全波形反演(FWI)在实际中难以得到精度较高的深层速度模型,作者提出了一种基于一阶近似指数频率的时间域声波FWI方法来提高深层反演结果,但依然存在部分低频成分的缺失的问题。为此,本文利用瞬时振幅低频和保幅的优势为一阶近似指数频率的时间域声波FWI方法解决部分低频成分的缺失的问题,并形成了一套多瞬时属性联合反演流程。模型测试证明了该方法的可行性和有效性。

一种基于改进共轭梯度法的弹性波全波形反演速度分层建模方法

陆上地震资料由于低频信息缺失、波场复杂等问题,加剧了反演的非线性。基于改进共轭梯度法的时间域多尺度分层反演方法有效重建了纵、横波速度场。研究结果表明:(1)利用时窗筛选早至波信息,使用小炮检距早至波数据自低频至高频多尺度重建浅层速度场,可以减少中深层反射波及噪声的强非线性影响;固定浅层速度,采用全波场的全偏移距数据可重建中深层速度场。(2)整个反演过程均利用基于移动加权平均的改进共轭梯度法进行速度场的迭代更新。改进的共轭梯度法可增强反演的稳定性,提高深层速度建模质量,同时反演收敛更快;分层反演策略可兼顾浅层低速和深层高速,采用大小不同的有限差分网格,保证波场模拟精度的同时减少了计算量,提高了反演计算效率;改进共轭梯度法的多尺度分层反演策略可有效降低陆上实际资料带来的非线性影响,使共成像点道集拉平程度更好,纵、横波速度场均得到有效恢复。

基于常分数阶拉普拉斯算子的黏声方程重建速度与衰减参数的全波形反演方法

地震波在地下介质传播过程中由于非弹性衰减的存在将导致能量损失和相位变化,精确的速度与衰减参数建模对油气识别、提高强衰减介质中地震波成像的质量都起着至关重要的作用.常分数阶拉普拉斯算子黏声方程由于完全分离的速度频散项与振幅衰减项的优势,以及在强非均质衰减介质中可以高精度求解的特点,已被应用于速度与衰减参数的建模中.本文将二阶常分数阶拉普拉斯算子黏声方程拆分为等价的一阶方程组,并在此一阶方程组的基础上推导出新的梯度公式与伴随方程,建立了一种新的速度与衰减参数同时重建的全波形反演方法.相较于原二阶常分数阶拉普拉斯算子黏声方程建立的全波形反演流程,数值实验表明,新建立的反演流程可以有效避免原梯度数值计算中的噪声,尤其是可以有效提高衰减参数梯度的反演精度,从而显著提高反演的收敛速度与反演精度.