基于小振幅波方程的起伏海面构建及其对地震波场传播特性的影响

海面起伏状态对波场传播以及模型空间成像有着非常重要的影响,在常规海洋地震数据采集和处理中,都是将海面作为水平界面处理,实际海洋地震数据采集中,由于海水受风浪、洋流等的影响,海面呈现高低起伏状态,这样来自底层反射界面的反射波经过海水起伏界面反射后会引起波场的强烈散射,从而造成地震记录反射波同相轴抖动和畸变,最终影响成像效果.为了更加深入了解起伏海面存在对波场传播以及偏移成像的影响,本文首先基于流体力学小振幅波方程,从边界条件出发,给出包含海浪谱信息的动态边界条件,并在此基础上构建起伏海面速度模型;然后在构建的起伏海面速度模型上通过冻结不同时刻海面开展波场传播特征分析,研究起伏海面在不同冻结时刻下波场传播规律以及对反射地震记录和偏移成像的影响.研究结果表明,不管是对于简单的层状介质模型还是海底较为复杂的大水深模型,海面不同形态的起伏变化直接影响着波场记录以及波场快照形态,同时会对偏移成像结果造成较大影响,随着海水深度的增加,该影响对于简单模型影响逐渐变小,但对于复杂模型,影响依然很严重.     

一种起伏地表条件下的照明补偿方法

起伏的地表条件限制了采集孔径范围并造成深层地震照明不足,为改善该类地区的成像质量,本文提出了一种起伏地表条件下的照明补偿方法.首先,基于小波束波场延拓算子和逐步累加的外推方法在波场延拓过程中解决起伏地表面的影响,并引入空间滤波函数压制虚拟层内的偏移噪音;其次,利用局部指数标架对上、下行波场分解,得到局部角度域成像和照明补偿因子.再次,利用计算出的成像值和照明补偿因子,在局部倾角域完成照明补偿.SEG起伏地表模型测试证明了本方法的有效性,深层构造照明度明显加强,不同角度成像振幅更加均衡,该技术为提高起伏地表地区的成像品质提供了新的手段.     

起伏地表QR径向基函数有限差分及其在弹性波逆时偏移中的应用

弹性波逆时偏移不受倾角和偏移孔径的限制,能够实现任意复杂构造的高精度多波成像,是目前最精确的多分量资料偏移成像方法之一.逆时偏移算法的核心是波场延拓,传统波场延拓以水平基准面为边界条件,基于固定采样步长进行规则网格剖分,采用阶梯近似法处理起伏地表和复杂构造界面时会产生台阶散射,严重影响起伏地表复杂构造的成像精度.基于无网格节点模型,定量分析了弹性波模拟中径向基函数有限差分法的频散关系和稳定性条件.基于此,提出一种基于QR径向基函数的高精度有限差分方法,并提出一种优化的起伏地表自适应节点剖分方法,推导了精确的无网格自由边界条件和弹性波无网格混合吸收边界条件,形成了新的基于无网格的起伏地表弹性波数值模拟方法.此外,本文将此无网格径向基函数有限差分方法应用于精确的纵横波场矢量分解公式,实现了起伏地表弹性波逆时偏移成像.通过对高斯山丘模型,起伏凹陷模型和起伏地表Marmousi-2模型进行数值试算,验证了本文方法的有效性和可行性.     

一种基于逆时偏移的高效照明补偿成像方法

对地震波偏移成像而言,由于观测采集系统不规则、不完备采样以及地下复杂构造对波场传播的影响,在成像点处通常存在照明不均匀的现象,对偏移成像结果进行照明补偿是提高地质体成像精度的有效方法.本文给出了一种基于逆时偏移实现的高效照明补偿成像方法.在高频近似下,本文首先定义了衡量地下照明均匀程度的雅克比矩阵,并以此为基础给出照明补偿算子.通过波场的边界积分表达式,进一步将照明补偿算子利用外推波场进行表达,避免了照明补偿算子中高频格林函数的显式计算,以此构造出高效的照明补偿成像算法.合成数据和实际数据的数值实验结果验证了本文提出方法的正确性.     

波动方程偏移成像阴影的照明补偿

受地下复杂构造和地震数据采集系统的影响，使地震波对地下目标的照明出现不均匀性，地震采集系统难以有效地获取地下某些目标的反射信息，进而使数据偏移成像在这些目标体上出现成像阴影. 根据波场和Green函数的窗口Fourier框架展开，利用角度域波动方程偏移成像和波动方程照明分析，并结合波动方程反演理论，提出一种角度域波动方程偏移成像阴影照明补偿方法. 这种补偿方法能同时考虑地震数据采集系统和波场传播路径对偏移成像的影响，消除复杂构造区的偏移成像阴影，改进波动方程叠前深度偏移成像在复杂构造区的成像效果.     

基于双程波动方程的多次波照明分析方法研究

地震照明分析是地震数据采集和实际资料处理解释中的一种辅助手段,指在给定地下地质构造时,采用数值模拟的方法模拟出地震波在地下介质中的能量分布形态.自由表面相关多次波是海上地震数据中重要的波场信息,传统地震数据处理方法一直都将其视为干扰信息而进行去除,错失了很多有意义的构造信息.本文采用基于时间域有限差分法的双程波动方程进行波场数值模拟,将多次波能量考虑到波场照明中,通过单一透镜盐体模型试算表明,与传统一次波照明相比,多次波照明方法的波场信息更丰富、盐下构造照明更清晰、照明阴影区域更小.将多次波照明分析应用到Pluto速度模型,对比分析可以看出多次波照明分析方法更能适应复杂地质构造目标.通过多次波照明分析方法,我们能够对复杂地质构造的采集系统进行评价和优化,并预测地震偏移成像的质量.     

不同阶次自由表面相关多次波预测与成像方法

海水与空气间的强波阻抗界面使得海洋地震数据普遍发育自由表面相关多次波,多次波信息的利用是提高海洋地震资料成像品质的新突破点.近年来发展了一系列多次波成像方法,干涉假象是制约其应用推广的关键问题之一.为了避免假象影响,本文提出了不同阶次自由表面相关多次波预测与成像方法,首先,修改了传统SRME(表面相关多次波衰减)方法中的边界条件,通过多次波升阶次与匹配相减的方法预测出不同阶次自由表面相关多次波;其次,基于单程波偏移算子和"面炮"偏移策略,以一次反射波或第(N-1)阶自由表面相关多次波为下行波场正向延拓,以第1阶多次或第N阶多次波为上行波场逆向延拓,并在每一层互相关成像得到第1阶或N阶多次波单独成像.本方法避免了低阶多次波和高阶多次波产生的相关假象,且相对于全波算子的偏移方法具有较高的计算效率,增强了多次波成像方法的实用性.单层模型和三层模型测试验证了本方法的正确性,并在我国某深海探区实际资料处理中得到了成功应用.相对于传统一次波成像,分阶次多次波成像具有更高的照明均衡度、垂向分辨率和信噪比.本研究表明,海洋多次波成像是一次波成像的有力补充,对于稳定海底沉积的深海地区,具有一定的应用前景.     

起伏层状介质中曲线交错网格有限差分弹性波逆时偏移成像

采用曲线网格有限差分法描述复杂起伏地形(或不规则波阻抗界面)时,波场正演中可以避免因阶梯近似导致的虚假散射,进而波场逆时偏移可对起伏地表模型进行准确成像.文中以弹性波逆时偏移理论为基础,求解一阶速度-应力方程,推导出了弹性波正向传播和逆时传播的曲线网格差分格式,使用完全匹配吸收边界压制边界反射,采用互相关成像条件,实现了起伏层状介质中的波场逆时偏移.三层起伏、尖灭模型,以及起伏地表条件下的部分盐丘模型结果表明:曲线网格有限差分法逆时偏移法是一种高效、准确的逆时偏移法.     

数据自相关多次波偏移成像

在常规偏移方法中一般都需要压制地震数据中的多次波,仅利用一次波信息成像,把自由表面反射的多次波视为噪声,但是在多次波中也包含着地下结构信息,应该将其充分利用到成像中来.事实上,已经有不少成像方法试图利用多次波信息,但是大部分方法都需要对多次波进行预测.本文提出了基于傅里叶有限差分偏移算子的数据自相关偏移方法.在这种偏移方法中,对含有一次波和多次波的地震数据,分别进行下行和上行延拓,然后直接利用常规的互相关成像条件成像.由于波场延拓采用了傅里叶有限差分算子,其计算效率高,能够很好地对复杂介质中的地震数据进行延拓.在数值试验中,使用了一个含散射点的三层模型和Marmousi模型.合成数据测试结果表明,这种方法可以对更大范围的地下构造成像,比常规的只利用一次波的傅里叶有限差分法照明度更好,并且在浅层可以提供更高的分辨率.我们提出的数据自相关策略易于实现且避免了繁杂的多次波预测,这对于复杂地下构造成像可能有着重大意义.     

VSP上下行反射波联合成像方法研究

VSP资料上下行波场发育丰富.本文在分析VSP直达波、上行反射波、下行反射波传播路径及其照明范围的基础上,指出了常规VSP波动方程偏移方法缺陷,进而通过修改波场延拓方式,提出了上下行反射波联合成像方法,并在高频近似下分析了该方法的成像原理.该方法不需要进行VSP上下行反射波场分离,能够同时对VSP资料中的一次反射波、自由表面多次波、层间多次波进行成像,比常规成像剖面具有更宽的成像范围和更好的成像效果.该方法能够对下行一次反射波进行成像,从而可以实现常规偏移方法难以处理的高陡倾角构造成像.模拟资料和实际资料处理证明了本文方法的正确性.     

面向目标的起伏地表组合震源延时参数计算方法

组合震源技术通过调节延迟激发时间和震源埋藏深度能够实现地震波场的定向传播,提高地震波的照明能量和地震数据信噪比.然而,目前国内外对基于特定目标的组合震源最佳聚焦方向的选取以及起伏地表组合震源定向理论的研究相对较少.在聚焦方向选取方面,目前基本是利用多种不同延时参数的组合震源分别进行试验,从而确定较好的组合震源延时参数.本文则利用爆炸反射面原理,在目的层界面上均匀布置震源同时激发地震波,能够产生垂直于地层界面传播的平面波,当初至波传播至地表时进行地表方向统计.根据互易性原理,以初至波传播方向的反方向为聚焦方向,激发产生的地震波主波束方向将垂直入射到目的层界面上,从而精确的计算出组合震源的最佳聚焦方向.在组合震源定向方面,目前主要是利用组合震源方向因子公式进行计算,但该方法要求震源布置在同一条直线上,并不能满足起伏地表的应用要求.本文以惠更斯-菲涅尔原理为理论基础,提出通过炮点向量在聚焦方向上的投影来确定组合震源传播至虚拟波前的走时,从而确定任意起伏地表组合震源的延迟激发时间.该方法不仅能够计算出沿给定地质模型的目的层界面垂直入射的组合震源聚焦方向,也能够确定任意起伏地表情况下形成沿该聚焦方向定向传播地震波场的组合震源延迟激发时间.因此,本文提出的面向目标的起伏地表组合震源延时参数计算方法对组合震源数据采集具有理论与实践意义.     

Seismic wavefield modelling in two-phase media including undulating topography with the modified Biot/squirt model by a curvilinear-grid finite difference method

In this paper, we deduced the corresponding first-order velocity–stress equation for curvilinear coordinates from the first-order velocity–stress equation based on the modified Biot/squirt model for a two-dimensional two-phase medium. The equations are then numerically solved by an optimized high-order non-staggered finite difference scheme, that is, the dispersion relation preserving/optimization MacCormack scheme. To implement undulating free-surface topography, we derive an analytical relationship between the derivatives of the particle velocity components and use the compact finite-difference scheme plus a traction-image method. In the undulating free surface and the undulating subsurface interface of two-phase medium, the complex reflected wave and transmitted wave can be clearly recognized in the numerical simulation results. The simulation results show that the curvilinear-grid finite-difference method, which uses a body-conforming grid to describe the undulating surface, can accurately reduce the numerical scattering effect of seismic wave propagation caused by the use of ladder-shaped grid to fit the surfaces when undulating topography is present in a two-phase isotropic medium.     

起伏地表下基于改进BISQ模型双相介质中曲线网格有限差分法波场模拟

本文以基于改进BISQ模型的二维双相各向同性介质一阶速度-应力方程为基础,推导出了曲线坐标系下对应的方程,然后采用低频散、低耗散的同位网格MacCormack有限差分法来离散方程,并采用紧致的单边MacCormack差分格式结合牵引力镜像法来施加自由地表边界条件,实现了地震波场数值模拟.曲线网格有限差分法采用贴体网格来描述自由表面,地表的网格线紧贴地形,避免了台阶近似造成的数值散射.数值模拟结果表明,在双相介质起伏自由地表和分界面处,各类波型复杂的反射透射规律可以清晰展现,曲线网格有限差分法可以精确地解决地震波在含起伏地表的双相各向同性介质中的传播问题.     

控制照明与面向目标成像的观测系统设计

常规地震观测系统设计方法基于地下水平层 状介质的假设,通常不能适应复杂构造情况。我们 从控制照明的思想出发,提出了一种面向目标成像 的地震观测系统设计方法,该方法需要一个由初步 地震解释得到的速度模型。利用单程傅立叶有限差 分波场传播算子将目标层的平面源延拓到地表,通 过分析从目标层延拓到地表的波场能量的分布,可 以确定目标层成像所需要的炮点或者检波点的位置。 利用SEG-EAGE盐丘模型数值试算结果表明,该方法 用于设计面向目标成像的特定地震采集系统。     

Directional‐oriented wavefield imaging: a new wave‐based subsurface illumination imaging condition for reverse time migration

The key objective of an imaging algorithm is to produce accurate and high‐resolution images of the subsurface geology. However, significant wavefield distortions occur due to wave propagation through complex structures and irregular acquisition geometries causing uneven wavefield illumination at the target. Therefore, conventional imaging conditions are unable to correctly compensate for variable illumination effects. We propose a generalised wave‐based imaging condition, which incorporates a weighting function based on energy illumination at each subsurface reflection and azimuth angles. Our proposed imaging kernel, named as the directional‐oriented wavefield imaging, compensates for illumination effects produced by possible surface obstructions during acquisition, sparse geometries employed in the field, and complex velocity models. An integral part of the directional‐oriented wavefield imaging condition is a methodology for applying down‐going/up‐going wavefield decomposition to both source and receiver extrapolated wavefields. This type of wavefield decomposition eliminates low‐frequency artefacts and scattering noise caused by the two‐way wave equation and can facilitate the robust estimation for energy fluxes of wavefields required for the seismic illumination analysis. Then, based on the estimation of the respective wavefield propagation vectors and associated directions, we evaluate the illumination energy for each subsurface location as a function of image depth point and subsurface azimuth and reflection angles. Thus, the final directional‐oriented wavefield imaging kernel is a cross‐correlation of the decomposed source and receiver wavefields weighted by the illuminated energy estimated at each depth location. The application of the directional‐oriented wavefield imaging condition can be employed during the generation of both depth‐stacked images and azimuth–reflection angle‐domain common image gathers. Numerical examples using synthetic and real data demonstrate that the new imaging condition can properly image complex wave paths and produce high‐fidelity depth sections.     

基于波场延拓的变换坐标转换波静校正

常规的转换波静校正的基本思想都是从地震波的运动学特征出发,基于地表一致性假设.在地表条件复杂和地表高程相差较大的地区,它不仅无法解决严重的静校正问题,反而会带来新的畸变.本文基于频率波数域波动方程偏移原理,采用波场延拓方法实现转换波静校正,其关键点在于时间空间域和频率波数域的相对应.文中通过坐标变换将起伏地表转化为新坐标系下的水平地表,把炮点和检波点映射到同一水平面上,然后在新坐标系下推导频率域波动方程延拓公式,接着对下行波P和上行转换波SV分别利用近地表速度向上延拓到基准面,恢复起伏地表到基准面之间的真实波场,最后转换到原始坐标系取出基准面数据完成转换波静校正.通过对模拟和实际数据处理,证明该方法是正确和有效的.     

单向传播子的局部平面波分解以及在定向照明分析和目标特征成像中的应用

本文基于波场的局部平面波分解，得到空间和方向都具有局部性的局部平面波小波束，并由此对Fourier有限差分传播算子进行局部平面波分解.这种用小波束分解的单向传播算子，可被用来对采集系统进行定向照明分析和采集倾角响应估算，以分析采集系统布局和上覆结构对面向目标的叠前偏移成像质量的影响.进而，利用局部平面波成像矩阵及其成像相册，根据目标结构的主倾角方向，抽取并叠加部分局部平面波像，可以进行目标结构定向化特征成像.最后，对具有速度强横向变化上覆结构的陡倾角目标断层的复杂二维SEG-EAGE盐丘模型数据，进行采集系统目标照明分析和目标结构定向化特征成像.     

基于动力有限差分法的典型海域自由场二维地震反应分析

以我国近海海域工程场地为研究对象,充分考虑上覆海水的自重影响,构建典型的饱和海底自由场计算模型,运用动力有限差分法开展二维地震反应分析,探讨以不同幅值的SV波、P波作为基底输入条件下上覆海水厚度对海底地震动峰值和反应谱的影响,总结上覆有水和无水场地的地震动结果差异,并分析差异产生的原因。结果表明:当基底输入SV波时,上覆有水场地海床表面峰值加速度小于上覆无水场地地表峰值加速度,海水层厚度对峰值加速度的影响可以忽略;当基底输入P波时,上覆有水场地海床表面峰值加速度大于上覆无水场地地表峰值加速度,且随着海水层厚度的增大,海床表面峰值加速度逐渐减小。      

面炮成像、控制照明与AVA道集

基于波场延拓的叠前深度偏移是实现复杂构造地质体成像的最可靠方法,但存在着计算量大、对观测系统适应性差等缺点.面炮偏移是波动方程实现精确叠前成像的另一类方法,具有较高的计算效率,不存在偏移孔径问题,而且可以通过控制照明方法,解决平面波在目标区域的能量补偿问题.本文采用面炮成像技术进行叠前深度偏移,通过对面炮震源下行波场的质量控制和优选射线个数和范围,以达到最佳的成像效果.采用控制照明技术,较大地提高了目标地层的成像精度.与此同时,得到振幅随入射角变化(AVA)道集,有利于叠前振幅解释和储层岩性预测.数据实验表明面炮成像技术是一种快速有效的方法,其成像精度与单平方根算子的共炮点道集偏移和双平方根算子的共中心点道集偏移相当,但在计算速度上要快得多,而且易于并行计算.