频率域全波形反演方法研究进展

全波形反演方法利用叠前地震波场的运动学和动力学信息重建地下速度结构,具有揭示复杂地质背景下构造与岩性细节信息的潜力.根据研究需要,全波形反演既可在时间域也可在频率域实现.频率域相对于时间域反演具有计算高效、数据选择灵活等优势.近十几年来频率域全波形反演理论在波场模拟方法、反演频率选择策略、目标函数设置方式、震源子波处理方式、梯度预处理方法等方面取得了进展.目标函数存在大量局部极值的特性是影响反射地震全波形反演效果的重要内在因素之一.如果将Laplace域波形反演、频率域阻尼波场反演、频率域波形反演三种方法有机结合,可以降低反演的非线性程度.     

基于新的惩罚因子算法的波场重构反演

全波形反演是一种高精度的反演方法，其目标函数是一个强非线性函数，易受局部极值影响，而且反演过程计算量较大.波场重构反演是近几年提出的一种改进的全波形反演理论.该反演方法通过将波动方程作为惩罚项引入到目标函数中，通过拓宽解的寻找空间减弱了局部极小值的影响，而且反演过程不需要计算伴随波场，提高了计算效率.但该反演方法一直缺少准确的惩罚因子算法，直接影响到该方法的准确度.本文将波场重构反演拓展到时间域并利用梯度法进行波场重构.频率域的惩罚因子用来加强波动方程的约束，而时间域惩罚因子表现为调节模拟波场和实际波场的权重因子.为此，我们根据约束优化理论，在波动方程准确以及重构波场与反演参数解耦的假设下，提出以波动方程为目标函数的新的惩罚因子算法.根据波形反演在应用时普遍存在的噪音干扰、子波错误和低频信息缺失的情况下，应用部分Sigsbee2A模型合成数据对本文提出的算法进行实验.数值实验结果表明：基于新的惩罚因子算法，在其他信息不准确的情况下，波场重构反演可以给出高精度的反演结果.     

多主频波场的时间阻尼全波形反演

低频成分缺失和地下速度强烈变化会导致严重的周期跳现象,是地震数据全波形反演的难题.通过对地震数据加时间阻尼和时间积分降主频处理,提出了一种可有效去除周期跳现象的多主频波场时间阻尼全波形反演方法.由浅到深的速度不准确会造成波形走时失配和走时失配的累积.浅部速度的准确反演可有效地减小深部波形走时失配与周期跳现象.对地震数据施加时间阻尼得到时间阻尼数据,利用不同阻尼值的时间阻尼地震数据实现由浅到深的全波形反演.低主频波场的周期跳现象相对高主频波场的要弱.对地震波场进行不同阶的时间积分以得到不同主频的波场,把低主频波场的全波形反演结果作为高主频波场全波形反演的初始模型.应用缺失4 Hz以下频谱成分的二维盐丘模型合成数据验证所提出的全波形反演方法的正确性和有效性,数值试验结果显示多主频波场的时间阻尼全波形反演方法对缺失低频成分地震数据和地下速度强烈变化具有很好的适应性.     

基于Born波路径的高斯束初至波波形反演

为了提高表层速度反演精度,本文提出了一种新的波形反演方法.该方法只利用初至波波形信息以减少波形反演对初始模型的依赖性,降低反演多解性与稳定性.由于只利用初至波波形信息,所以该方法利用高斯束计算格林函数和正演波场,以减少正演计算量.为了避免庞大核函数的存储,该方法基于Born波路径,利用矩阵分解算法实现方向与步长的累加计算.将此基于Born波路径的初至波波形反演方法应用于理论模型实验,并与声波方程全波形反演和初至波射线走时层析方法相对比,发现该方法的反演效果略低于全波形反演方法,但明显优于传统初至波射线走时层析方法,而计算效率却与射线走时层析相当.同时,相对于全波形反演,本文方法对初始模型的依赖性也有所降低.     

基于伴随方法的线性台阵背景噪声面波和远震体波联合成像研究

伴随层析成像（Adjoint Tomography）通过求解全波方程来准确模拟地震波在复杂介质中的传播,并利用波形信息来反演地下结构,是新一代的高分辨率成像方法.其中3-D伴随层析成像需要庞大的计算资源,而2-D反演相对更具计算效率.面波和远震体波是研究地壳上地幔速度结构的重要方法,它们对S波速度及Moho面的敏感度不同,通过联合反演,可以得到更为准确的S波速度结构及Moho面.通过两种数据的高度互补性,本文提出基于伴随方法的线性台阵背景噪声面波和远震体波联合成像方法,同时约束台阵下方S波速度结构及Moho面形态.我们将该方法应用到符合华北克拉通岩石圈典型结构特征的理论模型上,测试结果表明联合反演方法优势明显,相比于面波伴随层析成像,能获得更高分辨率的S波速度结构,同时能精准约束Moho面形态.相比于体波伴随层析成像,联合反演能有效压制高频假象,降低波形反演过程中的非线性化程度.本研究有望提供一种更为高效精准的线性台阵成像方法,搭建联合伴随层析成像理论框架,提升岩石圈成像分辨率,并为后续其他类型波形数据的引入提供思路和方法.     

基于波场重构的早至波波形反演

初至波走时反演难以得到复杂的地下构造,而早至波波形反演在处理远偏移距地震记录时易产生周期跳跃现象,只能利用近偏移距数据进行反演.但近偏移距的早至波所携带的信息较少,难以实现对地下介质的高精度速度建模.为解决上述问题,并充分利用远偏移距的早至波信息,本文提出基于初至波波场重构的早至波反演方法.该方法将早至波波动方程作为惩罚项,加入到传统的全波形反演的目标函数中.新的反演问题转化为一个选择优化问题,可以用变量映射法对该问题进行求解:首先给定初始速度,在早至波波形空间寻找合适的早至波解;在准确重构早至波场之后,利用早至波场与近地表速度的近线性关系,实现对近地表速度场的高精度建模.该方法不包含观测数据的匹配过程,可以更好的处理远偏移距信息并避免周期跳跃.模型测试验证了本文方法的准确性和有效性.     

相位空间内的解缠绕相位反演

全波形反演方法是一种数据域高精度反演方法,该方法通过匹配观测数据与模拟数据的地震波形,利用梯度法准确反演地下介质参数的分布情况.由于观测数据普遍缺少低频信息,该方法易受周期跳跃现象影响.特别是当地下存在大尺度强反射界面的构造时,地下介质的反演转化为强非线性问题求解.该情形下,即使观测数据包含充足的低频信息,全波形反演也难以给出准确的反演结果.一般可以通过减弱反演对初始模型参数的依赖性来克服上述问题,具体表现为使用新变量(例如瞬时相位、包络等)代替目标函数中的采样后波场,以增强新目标函数的凸性.但是,对该新目标函数进行反演时,伴随状态方程中存在关于新变量和波场的一个链式微分项,该项保留了反演问题的非线性,导致新的反演方法难以处理包含大尺度构造的强非线性反演问题.此外,基于新变量的反演问题依然在波场空间中计算模型梯度,难以充分利用新变量与模型参数之间的弱非线性关系.因此,本文提出用频率域波动方程的相位形式代替传统的波动方程来消除伴随状态方程中的链式微分项,用解缠绕的相位代替目标函数中采样前波场并在相位空间进行反演.该方法可以最大程度地利用地下介质参数和解缠绕相位之间的弱非线性关系,从而削弱反演的非线性性.由于基于频率域波场计算得到相位有严重的缠绕问题,本文采用基于振幅排序的多聚类算法来对相位进行解缠绕.虽然将介质参数到波场的映射替换为介质参数与解缠绕相位的映射,会导致反演结果的分辨率有所下降,但该方法可以在相位空间恢复介质参数的大尺度低波数分量.Marmousi模型测试证明了该方法的有效性和准确性,针对部分BP模型的测试也证明了该方法处理强非线性问题的能力.     

全波形反演初始模型建立策略研究综述

全波形反演充分利用叠前地震波场中的运动学和动力学信息估计地球内部介质的弹性参数,是一种高精度的速度建模方法和油藏描述的手段.但是对于实际资料,尤其是陆地资料,全波形反演很难收敛到正确的结果上,往往无法实现其建立高精度速度模型的目标,需要较准确的初始模型来降低误差泛函的非线性性.研究与调研认为,建立全波形反演初始模型的方法主要有三种:走时层析、偏移速度分析和Laplace域反演.本文首先分析了全波形反演对初始模型的严重依赖性,其次对全波形反演初始模型建立策略进行简要的介绍与分析,最后给出了建立全波形反演初始模型的认识及建议.     

一种基于高效迭代解法的频率域全波形反演

巨大的计算量是制约全波形反演（FWI）生产实用化的难题之一.为此，本文提出了一种高效的波场迭代解法，将其应用于频率域常密度声波方程FWI，并给出了详细的反演流程.通过建立用于波场迭代的目标函数，推导相应梯度、步长公式，新方法将反演中波场正传和残差波场反传过程转化为无约束优化问题，从理论上分析了新方法的计算效率显著高于常规FWI.在数值试验中，本文方法通过几次迭代便能获得高精度的正传、残差反传波场，收敛速度明显高于未经预处理的GMRES方法.进一步引入高效编码策略，新方法的计算时间约为常规编码FWI的1/8，与理论分析结果吻合（波场迭代次数为8，模型未知量个数约为7万），且波场迭代次数为6时，反演效果已与常规编码FWI相近.     

基于各向异性全变分约束的多震源弹性波全波形反演

多震源编码技术可以提高全波形反演的计算效率，但同时会引入串扰噪声使反演结果质量降低. 全变分约束可以有效地压制层内噪声并突出模型界面，其与多震源技术的结合，能在大大提高弹性波全波形反演效率的同时提高反演质量. 本文提出了一种高效的动态多震源全波形反演策略，可以在离散串扰噪声的同时保证照明的均匀性. 根据残留串扰噪声的分布特征，构建了与之匹配的基于各向异性全变分约束的弹性波全波形反演方法. 为了减少周期跳跃效应，将基于稀疏约束的低频重构算法应用于弹性波地震记录，给出了利用快速梯度投影算法求解各向异性全变分约束的全波形反演流程. 模型数据测试结果表明本文的方法不仅能有效地抑制多震源方法导致的串扰噪声，同时也能降低观测数据中的噪声对反演结果的影响.     

山西大同数字遥测地震台网记录的震相特征

从地球及地壳的分层结构出发，使用较成熟的理论，从地震波传播的基本原理入手，结合多年的震相观察分析工作实践，选取了山西大同数字遥测地震台网近年来的一些典型震相进行了分析，得出本台网记录到震中距小于100km的地方震震相有Pg，P11，Sg，S11震中距在100km～500km的近震震相有Pn，Pg，P11，Sn，Sg,S11对比分析了在本台网内及周边地区发生的爆破与天然地震在震相上的差异性，并对其特征作了较详细的描述。     

兰州地震研究所发展的三段历史回顾

对兰州地震研究所的三段历史作回顾,分别为国家地震局、中国地震局兰州地震研究所的体制沿革变迁,中国科学院地球物理研究所;中国科学院兰州地球物理研究所观象台早期创建;兰州地震研究所硕士点早期阶段。     

Evaluation of Negative Economic-Environmental Externalities of Overextraction of Groundwater

In recent decades, increased extraction of groundwater for human and agriculture consumption has led to a substantial drop in groundwater level in large areas of across the world. Declining groundwater levels is a serious problem in itself and has multiple economic, social, cultural, political, security-related, and environmental externalities. The negative economic-environmental externalities of overextraction of groundwater in the Orzouiyeh plain in the Kerman Province, Iran, were evaluated using methods such as replacement cost, production function, market prices, shadow price, and the value of the input marginal product. After evaluating externalities, the Positive Mathematical Programming method was used to evaluate different water policies to reduce the consumption of groundwater. The total economic losses due to the externalities were calculated to equal 2.8 U.S. million dollars. The damages caused by environmental externalities were calculated to equal 436.1 U.S. million dollars. The results related to the positive planning model show that the best policy among different options, such as deficit irrigation policy or combined policies, involves implementation of pressurized irrigation systems.     

Methods of Investigation of the Metabolism of Anaerobic Microorganisms

At present the development together with an intensification of anaerobic processes calls for methods of observation and control. It is very important to know intermediate metabolites of anaerobic microorganisms and the activity of methanogenic ones. Presented analytical methods are GLC analyses of lower fatty acids, alcohols, aldehydes and ketones and components of biogas. The chromatography using steam as a mobile phase is also mentioned. The method of determining the fluorescent coenzyme F₄₂₀ was tested and modified. This coenzyme is specific for methanogenic microorganisms and is closely linked with their activity. The determination of the total activity of the hydrogenase system of anaerobic microorganisms by means of the rate of the consumption and evolution of molecular hydrogen was also presented. The applicability and effectivenes of these methods were verified on natural samples. All the methods mentioned above give satisfactory results with available equipment, materials and techniques.     

江西省地震局虚拟专用网(VPN)建设

叙述了在FreeBSD环境下构建基于PPTP的VPN网关的过程和技术，分析了基本概念、实现方式以及在江西省地震信息网的实际应用等。