基于弹性波动方程的局部尺度走时反演

弹性波全波形反演(EFWI)充分利用了地震波的运动学和动力学信息,通过最小化目标泛函来反演地下高精度的纵横波速度参数.但是,当地震数据缺失低频分量时,EFWI易产生周期跳跃问题,严重影响纵横波速度参数的反演精度.为此,本文提出基于弹性波动方程的局部尺度走时反演方法(ELTI),来同步恢复纵横波速度模型的低波数分量,进而实现缓解EFWI周期跳跃的目标.该方法充分利用了弹性波全波场的局部尺度走时信息,能够对纵横波速度参数进行同步反演,很好地解决了常规波动方程走时反演方法只能获得纵波速度参数的缺陷.此外,由于ELTI方法同时利用了弹性波全波场的走时信息,可以有效获得深部区域纵横波速度模型的低波数分量,并为EFWI提供较好的初始速度模型.本文首先,利用局部尺度分解来提取弹性波全波场数据的局部尺度走时信息,并利用观测数据与模拟数据的局部尺度走时差构建ELTI目标函数;其次,结合链式法则和伴随状态法详细推导了ELTI目标函数对应的纵横波速度参数梯度算子;最后,结合L-BFGS优化算法同步更新纵横波速度模型.Marmousi模型测试结果表明,基于弹性波动方程的局部尺度走时反演方法可以很好地获得地下纵横波速度参数的低波数分量,从而缓解EFWI的周期跳跃问题.

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.

利用走时和波形拟合迭代反演阿拉善地壳速度结构及2015年阿拉善左旗5.8级地震震源机制

据中国地震台网测定,北京时间2015年4月15日15时39分,在内蒙古自治区阿拉善左旗(39.8°N,106.3°E)发生MS5.8地震,震源深度为10km.地震发生后多家机构对其开展了研究,本文使用喜马拉雅Ⅱ期布设在南北地震带北段的台站观测数据,通过走时反演和波形拟合反演的迭代,获得了该地区地壳一维速度结构,接着利用直达P波观测与理论走时差对震中位置重定位,然后反演地震的最佳双力偶解以及震源深度,最终得到了区域速度结构、地震的三维坐标、发震时刻以及震源机制解.结果显示,此次地震发生于世界时2015年4月15日7时39分26.718s,震中(39.7663°N,106.4304°E),震源矩心深度18km,矩震级MW5.25,节面Ⅰ走向176°,倾角85°,滑动角-180°,节面Ⅱ走向86°,倾角90°,滑动角-5°.结合该区域断裂带构造运动分析,本文认为此次地震是左旋走滑破裂,略带正断分量,断层面是节面Ⅱ,走向为NEE(近E-W)向,发震构造为震中附近的E-W向隐伏断裂.

基于互相关目标函数的反射波波形反演

在速度—密度参数化模式下,传统全波形反演(FWI)得到的密度结果存在严重的偏移效应,即无法恢复模型中的低波数信息。反射波波形反演(RWI)能够反演密度模型的低波数分量,将其与FWI结合能够更准确地反演密度模型。为此,提出基于互相关目标函数的速度—密度双参数RWI方法。首先回顾了传统声波变密度方程双参数反演,并利用辐射模式分析了密度反演的偏移特征;然后在实施RWI过程中借助速度和密度高度耦合性,通过Gardner公式同步更新速度和密度参数;再将最终的反演结果作为输入模型进行传统速度—密度双参数FWI;最终建立了基于RWI+FWI的速度—密度双参数反演流程。简单双层模型和重采样的Sigsbee 2A模型测试结果表明,RWI可克服反演局部极值并减弱密度偏移特征,在实施RWI过程中利用Gardner经验公式同时对速度和密度进行更新,可精确地恢复速度、密度的低波数信息。

不依赖子波、基于包络的FWI初始模型建立方法研究

地震全波形反演(FWI)从理论走向实际面临着诸多难题,其中之一就是需要一个较高精度的初始模型,另一个难题就是需要一个较为精确的震源子波,初始模型和震源子波的准确程度严重影响着全波形反演的最终结果.为此,本文提出了不依赖子波、基于包络的FWI初始模型建立的方法,建立了相应的目标函数,推导出了反演的梯度,给出了伴随震源的表达式,理论上分析了不依赖子波FWI的可行性.在数值试验中,讨论了参考道的选取方式,通过分析归一化目标函数收敛速率,认为近偏移距参考道优于远偏移距参考道,在地震数据含干扰噪音时,平均道作为参考道要优于最小偏移距参考道.通过包络、包络对数、包络平方三种目标函数反演结果的比较,发现包络对数目标函数对深层的反演效果最好.通过不同子波的试验进一步验证了本方法的正确性.

基于反射地震数据的时频域包络反演

包络信号含有丰富的低频分量,即使在地震数据缺失低频条件下,包络目标函数也能有效缓解全波形反演的周期跳跃现象.但是,当初始速度模型较为平滑时,观测数据中的反射地震事件在模拟数据中没有与之相对应的波形,导致包络反演初期无法很好地利用反射波信号进行速度建模.本文提出基于反射地震数据的时频域包络反演方法,通过结合反射波全波形反演理论,构建反射波时频域包络目标函数,来提高包络反演的速度建模精度.本文首先利用Gabor变换获取时频域地震数据,并提取振幅信息,即为时频域包络信号.然后,推导反射波时频域包络反演的伴随震源和梯度算子.Marmousi模型数据测试结果表明,基于反射地震数据的时频域包络反演方法可以为全波形反演提供一个较好的初始速度模型.

地震全波形反演及其探测壳-幔结构的研究进展

地球介质的物理属性(如速度)隐含了地球内部结构和演化信息,因而获取高精度的地下介质模型是探测内部结构的重要目标之一.全波形反演方法利用地震观测记录的振幅、相位等全波信息来重建速度和密度等介质参数模型,被认为是建立高精度地下介质模型的最有潜力的研究方法之一,其不但是石油勘探地震成像的主要研究方向,而且在结构地震学获得了较高关注和初步应用.随着该理论的完善以及计算机技术的发展,全波形反演方法已被应用于大陆尺度以及全球尺度的壳-幔结构探测,并成为探测地球深部结构的研究方向之一.本文首先简述了全波形反演理论研究及应用进展,包括地震波场正演模拟方法、目标函数构建、迭代优化方法、初始模型建立等;然后介绍了全波形反演方法在澳大利亚、东亚、欧亚大陆以及全球尺度的上地幔结构研究,并分析其探测壳-幔结构的效果;最后给出算法的优化策略(例如地震波场正演模拟、目标函数、寻优算法等),时间域或频率域的多尺度反演策略,结合其他反演方法(如走时反演)的多手段联合反演策略以及高性能计算技术将是全波形反演方法突破计算瓶颈并在内部结构成像广泛应用的可能途径.