三维TI介质中多波走时层析成像

传统的各向异性层析成像是在弱各向异性假设下,主要利用走时信息进行线性反演,忽略了介质横向变化,反演结果可信度不高。为此,研究了三维TI介质中多波走时层析成像技术。将各向同性介质中的分区多步不规则最短路径算法推广至三维TI介质中,实现多次透射、反射以及转换波的追踪计算,采用各向同性地震多震相走时层析成像技术,结合有关群速度、相速度偏导数计算,通过联合多波走时同时反演5个各向异性弹性参数。无论是射线路径和走时的追踪计算,还是反演方程的建立,或是雅克比矩阵的计算,该方法都未假设介质为弱各向异性,并且每次迭代都重新追踪射线路径和走时,并计算雅克比矩阵元素。因此,适用于TI介质多波走时层析成像。数值模拟结果表明,多波走时资料的联合反演可有效提高成像的空间分辨率。     

快速射线寻迹井间走时层析成像算法及其应用

本文给出一种迭代射线走时层析成像算法。在该算法中,采用三角网格节点值的线性插值计算速度。利用此法进行正演计算,射线轨迹和走时都有解析表达式,从而可节省大量的计算时间;在反演计算中,射线轨迹点处的慢度可用三次多项式基函数予以计算。在线性化处理后,走时与某一未知模型参数的偏导数为走时与该模型参数的线性关系系数,从而加快了Jacobi矩阵的运算。由本算法对物理模型及野外井间地震资料进行层析成像结果表明,该算法快速、稳定、适用。     

三维层状介质中基于走时梯度的多次波射线追踪

本文结合分区多步思想改进初至波走时梯度射线追踪算法(MTG),使之能适用于三维层状介质中多次波射线追踪计算。在计算过程中按照射线类型和速度分界面将三维模型分为不同的计算区域,根据多次波的传播顺序从震源开始在对应的区域内采用网格剖分线性插值法计算波前走时场。然后从检波点开始根据多次波的类型在对应的计算区域内沿走时梯度方向分步追踪多次波射线路径。在计算多次波波前走时场的过程中,为提高计算效率加入了逐次网格剖分技术,使分界面上波前新的震源位置更加精确;在多次波射线追踪的过程中根据走时梯度方向追踪射线路径,在速度分界面区域内采用局部追踪策略求取下一个追踪点以提高多次波的射线精度。本文在多层层状介质模型及扩展到三维的Marmousi模型中进行试验,计算结果表明,改进的MTG算法结合分区多步技术计算多次波时具有常规MTG法计算初至波时的优点,计算精度高、算法简单、计算效率高,验证了MTG算法在复杂的三维模型中计算多次波的有效性。     

表驱Kirchhoff叠前时间偏移角度域成像方法

为解决垂向变速介质中的射线弯曲效应问题,获得可直接用于AVO分析和反演的角度域共成像点道集,提出了一种基于射线追踪的表驱Kirchhoff叠前时间偏移方法.方法实现的基本原理是:首先基于横向均匀介质中的反射时距关系,利用改进的两点射线追踪算法建立走时和反射张角的数值表;然后在偏移过程中利用该数值表得到成像孔径内各反射路径对应的双程走时与入射角信息;进而通过脉冲响应叠加方法得到角度域共成像点道集和偏移成像剖面.由于加权函数部分考虑了射线弯曲效应的影响,因此更有利于振幅的相对保真.角度域共成像点道集波形拉伸效应的时不变特征也有利于后续的波形恢复处理.理论模型和实际地震资料验证了该方法的可行性.     

双相各向同性介质伪谱法地震波场数值模拟

伪谱法是一种模拟精度和计算效率都较高的地震波场数值模拟方法.该方法通过对空间坐标的快速傅里叶变换实现数值计算,在时间域直接采用差分运算代替导数的求解,避免了求偏导数;不存在有限差分和有限元等方法对高频成分限制的问题,可以实现全频带地震波场模拟;对内存容量的需求远远低于有限元法.利用伪谱法实现双相各向同性介质地震波场数值模拟的基本原理是:首先基于Biot模型给出双相各向同性介质弹性波波动方程;然后推导出二维双相各向同性介质的伪谱法计算公式;最后对给定的介质模型进行模拟试算.模拟结果表明,弹性波在双相各向同性介质中以快纵波、横波和慢纵波3种方式传播.基于模拟结果,分析了各类波的传播规律,讨论了耗散系数和孔隙度对地震波传播的影响.     

起伏层状TI介质中多次波射线追踪

现有的TI介质中的射线追踪算法很少涉及多次波的追踪计算,加之大多数算法又是建立在规则网格（或单元）模型划分的基础上,不利于追踪不规则界面下的多次波射线路径和相应走时。本文在模型参数化时引入不规则网格（或单元）划分,在主节点上对TI介质的6个参数（五个弹性参数,外加介质对称轴倾角）进行采样,计算得到三种类型 （qP,qSV,qSH） 波的群速度,通过单元主节点的群速度值线性插值得到次级节点上的群速度值。然后采用网格（或单元）波前扩展的方法进行分区波前扫描（射线追踪）,实现了起伏层状TI介质中多次（透射、反射、及转换）波的追踪计算。均匀各向异性介质中的计算结果表明,数值解与解析解吻合,验证了算法的有效性;模型数值模拟结果表明,该算法可以有效地模拟起伏地表和速度间断面,具有较高的计算精度和较快的CPU运行时间,能够适用于任意倾角的TI介质中的多次波射线追踪。     

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。     

三维最短路径法射线追踪及改进

射线追踪技术在地震学领域有着广泛的应用，其中以最短路径算法在复杂介质中走时计算稳定性最好。理论上最短路径法的误差来源为速度模型采样误差、空间离散化误差和角度离散化的误差，由此造成网格稀疏时射线路径呈之字形，计算走时比实际走时偏大。弯曲法追踪精度高，但是射线追踪速度受初始路径与真实射线路径逼近程度制约，在复杂介质中可能找不到全局最小走时路径。最短路径法追踪出来的网格射线路径，可以作为较理想的初始路径，供弯曲法迭代优化。将最短路径法和弯曲法结合，通过射线在初始路径附近的扰动得到Fermat原理约束下的最短路径。文章对常速模型的试算，显示了改进方法对射线路径优化的作用，在模型网格稀疏的情况下效果尤其明显。本算法适用于计算三维任意复杂介质中初至波走时和射线路径，可应用于三维走时层析成像等领域。     

速度横向变化对小幅度构造解释的影响

本文通过构造几种速度呈横向变化的小幅度构造二维模型,用射线追踪法计算反射旅行时和相应的合成地震记录,从中分析速度的横向变化对小幅度构造解释的影响程度及规律。文中实例说明,在速度研究和变速作图过程中,不仅要重视速度场在已知点( 井点)的纵向精度,还应重视速度场平面分布趋势的合理性。     

四面体网格剖分下速度与反射界面的同时反演

针对含起伏地表、不规则反射界面及速度异常体的复杂模型的走时正、反演问题,本文采用四面体单元进行模型参数化,实现多震相地震射线的追踪计算,且推导了四面体单元下走时关于速度、走时关于反射点深度的偏导数计算公式;结合共轭梯度法求解带约束的阻尼最小二乘反演问题,实现了多震相走时联合及同时反演成像;通过在同时反演中对不同种类Jacobi偏导元素做归一化处理,有效解决了不规则界面存在散射而导致的散射点所在区域射线过密、速度和界面过度更新问题。数值模拟结果表明：采用四面体单元进行模型参数化,复杂模型正演计算结果具有较高精度;同时反演可准确刻画不规则反射界面和速度异常体。因此,本文提出的走时成像方法具有有效性和实用性。     

一种改进的三维旅行时梯度射线追踪方法

最大旅行时梯度射线追踪（The Maximum Traveltime Gradient Ray Tracing,MTG）法利用三次B样条插值计算旅行时场的最大旅行时梯度,从而追踪初至波射线路径。但由于三次B样条插值是连续光滑的插值函数,在射线通过速度突变区域时,计算次级源点的旅行时和梯度会产生一定的误差。在分析MTG算法计算误差来源的基础上,提出了一种改进的B样条/线性联合插值的三维射线追踪（The Modified Maximum Traveltime Gradient Ray Tracing,简称MMTG）算法,即在速度均匀变化的区域采用B样条插值计算旅行时梯度确定下一个次级源点,在速度变化剧烈的区域利用线性插值法在网格界面上找出旅行时最小的入射点作为次级源点,从而保证射线在速度分界面上折射产生的不连续性。数值实验结果表明,MMTG算法在保持MTG算法优点的同时进一步提高了射线路径的计算精度,能够适应更复杂的速度介质模型。     

多频组合胖射线旅行时层析成像方法

基于射线理论的地震波旅行时层析成像是重建地下速度分布的有效工具,然而传统的射线层析建立在无限高频近似的基础上,导致反演问题产生严重的不适定性,从而影响层析成像的效果。针对传统射线层析存在的问题,本文提出了基于第一菲涅尔带的多频率组合的胖射线层析方法。该方法通过第一菲涅尔带拓宽射线,并利用权重影响因子修改层析核函数,有效降低了反演矩阵的稀疏性,解决了射线层析的不适定性问题。同时由于多个频率的引入,在迭代反演过程中,有效地提高了层析的分辨率与精度。同时该方法不需计算射线路经,因而提高了计算效率。模型试算结果证明了本方法的有效性与稳定性。     

基于Chebyshev多项式的三维射线追踪

采用快速匹配追踪（FMM）算法计算旅行时场；根据函数逼近和正交多项式的定义，利用Chebyshev正交多项式逼近旅行时场，从而使误差在最小二乘意义下达到最小，起到一定的平滑作用；然后直接对Chebyshev插值函数施以微分运算计算旅行时场的梯度，并最终得到射线路径。数值实验表明该方法提高了射线路径计算的精度和效率。     

一般TI介质中多震相旅行时层析成像——以井间成像为例

传统的各向异性介质中的正、反演研究大多基于弱各向异性假设下的VTI介质,且主要是有关初至波的射线追踪和相应的旅行时反演。然而,随着勘探精度要求的不断提高,一般普适的(含强)TI介质中的多震相射线正、反演方法,则成为急需解决的问题。鉴于此,本文将基于各向同性介质多震相分区多步最短路径射线追踪算法推广到一般各向异性TI介质,结合相、群速度导数的一阶旅行时扰动方程,采用共轭梯度求解带约束的阻尼最小二乘问题,进而提出了一种利用多震相旅行时进行一般TI介质弹性参数反演的方法。井间地震数值实验结果表明,多震相旅行时联合反演可有效提高成像分辨率,验证了方法的有效性和正确性。     

动态网络最短路径射线追踪

当前广泛使用的最短路径射线追踪算法,用预先设置好的网络节点的连线表示实际波传播路径,在网络节点稀疏时,获得的射线路径呈之字形,计算出的旅行时比实际旅行时系统偏大。本文在波前扩展过程中,通过在每个矩形单元内对已知旅行时节点进行插值,并利用Fermat原理即时求出从该单元边界上到达某一节点的最小旅行时及其子震源位置和射线路径,发展了相应的动态网络算法,克服了原最短路径射线追踪算法的缺陷,大大提高了最小旅行时和射线路径的计算精度。     

快速行进法射线追踪提高旅行时计算精度和效率的改进措施

快速行进法(FMM)是一种基于网格的新型射线追踪方法,其旅行时计算精度和效率受差分格式及网格剖分大小的影响。本文针对传统FMM旅行时的精度和效率存在的问题,给出三项改进措施: ①加入角点计算; ②细化并补充改进一阶差分计算公式; ③引入Vidale差分方法,并采用双重网格技术与三者结合。模型试算结果表明:第一项改进措施可提高一阶差分格式及其计算精度,后两项改进措施可不同程度地提高FMM旅行时计算的精度和效率,增强了FMM的适用性,有利于基于网格的射线追踪法的应用。     

基于薄层模型的有限频率地震波射线追踪

基于Fermat原理的射线追踪方法都是假定地震波的频率为无限，从而求取最小旅行时所对应的路径。然而实际地震波的频率是有限的，地震波主要在Fresnel带内沿尽可能短的路径进行传播。为了使得到的射线路径更符合实际情况，在原弯曲射线法的目标函数中加入一项与射线长度有关的惩罚项，实现了基于薄层介质模型的有限频率地震射线近似追踪。理论例子表明，该方法简单，计算速度快，效果良好。     

多次回溯高精度快速射线追踪方法研究

射线追踪的速度和精度直接影响地震资料的静校正和偏移成像的质量。针对复杂构造和不均匀介质中的地震波传播问题,提出了多次回溯高精度快速射线追踪方法。该方法基于费马原理,首先从震源出发选择目标点,以目标点为中心选定矩形计算网格,计算各网格点到目标点的旅行时,选择震源到网格点再到目标点的最小旅行时作为该目标点的传播时间,同时记录该点前一节点的坐标,这样介质中各目标点均有一条指向震源的射线路径;然后对射线进行回溯,对射线上的任意节点根据追踪半径确定回溯网格,计算地震波从震源到回溯网格中任意网格点再到目标点的传播时间,如果该时间比原目标点的传播时间短,则用该网格点替代原节点。根据精度要求选择合适的回溯次数更新节点信息,获得地震波传播的射线路径。模型试算结果表明,多次回溯高精度快速射线追踪方法是一种有效的初至波射线追踪方法。     

Automatic estimation of traveltime parameters in VTI mediausing similarity-weighted clustering

Compared with hyperbolic velocity estimation methods,nonhyperbolic methods(such as shifted hyperbola) are better choices for large offsets or vertical transverse isotropy(VTI) media.Since local seismic event slope contains subsurface information,they can be used to estimate zero-offset two-way traveltime and normal moveout velocity.The traditional velocity estimation methods require a great deal of manual work and are also prone to human error.In order to estimate the traveltime parameters for VTI media automatically,in this paper,we propose to use predictive painting and similarity-weighted clustering to obtain traveltime parameters.The predictive painting is used to estimate zero-offset two-way traveltime,and the shifted-hyperbola traveltime equation is used to obtain velocity and anisotropy attributes.We first map local slopes to zero-offset two-way traveltime and moveout-parameters domain and then use similarity-weightedk-means clustering to find the maximum likelihood anisotropy parameters of the main subsurface structures.In order to demonstrate that,we apply the similarity-weighted clustering method to synthetic and field data examples and the results are of higher accuracy when compared to the ones obtained using multiparameter semblance-based method.From estimation error section,it can be seen that the estimation error of multiparameter semblance-based method is about 3-5 times that of the proposed method.