横向各向同性介质中的初至波旅行时计算

本文直接采用Thomsen导出的横向各向同性介质中的相速度、群角与相角、群速度与相速度的精确函数关系,提出了一种新的具有任意各向异性强度的横向各向同性介质中的初至波旅行时计算方法,它不同于Faria等人给出的采用群速度近似公式(Byun)的仅适应弱各向异性的初至波旅行时计算方法。该新算法在计算具有任意各向异性强度的横向各向同性介质中的初至波旅行时时,并不显著地增大计算时间。分析对比由新算法得到的初至波旅行时的等值线图和由交错网格有限差分波场模拟得到的波场快照表明,无论是对弱各向异性还是对强弱各向异性,新算法都具有较高的精度;随着各向异性强度的增大,新算法的计算结果与采用近似公式计算结果的差值也随之增大。     

关于横向各向同性介质中的Thomsen参数取值的讨论

本文讨论了Thomsen给出的横向各向同性介质中的相速度、群速度、群角与相角的函数关系;定义了一个与垂直方向纵横波速度比有关的参数C0;说明了Thomsen参数ε、δ与C0并不是完全独立的,它们的取值范围是相互约束的。文中给出了Thomsen参数ε、δ及C0的取值范围在理论上应满足的相互约束关系;证明了q-P波的群角(θ)是相角θ的单调递增函数及q-P波的相速度和群速度关于相角θ具有一致的单调性;给出了q-SV波的群角(θ)关于相角θ单调的条件,并总结出q-SV波的相速度和群速度关于相角θ的单调不总是一致的。上述分析结果可为采用线性或非线性插值方法确定已知群角所对应的相角以及相速度和群速度提供理论依据。     

TI介质中的相速度和群速度及射线参数

根据横向各向同性(TI)介质中体波相速度的解析表达式,分析了不同各向异性参数条件下相速度曲线的特征.分析结果表明,随着各向异性参数所满足的条件不同,相速度曲线既可能单调递增,也可能单调递减,或在一定相角范围递增而在其它相角范围递减.相速度曲线的单调性决定群对相的偏离方向,当相速度递减时,群向TI对称轴方向偏离,群相偏离角为负;当相速度递增时,群向背离TI对称轴的方向偏离,群相偏离角为正.利用相表示的射线参数表达式和群相关系得出了群、相联合表示的射线参数表达式,并用数值算例进行了验证.     

三维TTI介质弹性波相、群速度的近似配方表征法

TTI介质弹性波相速度可以通过求解Christoffel方程得到,其精确式往往比较复杂,难以运用.为此,从Thomsen各向异性参数表征的TTI介质弹性波精确三维相速度表达式出发,利用近似配方法推导了 TTI介质qP波和qSV波三维相速度的近似公式;将其代入Berryman的群速度表征中,得到了qP波和qSV波群速度的...     

TTI介质qP波伪谱法正演模拟

基于Tsvankin的VTI介质qP波精确相速度公式,利用坐标变换的方法,导出了三维空间TTI介质qP波的精确相速度公式;结合Thomsen的弱各向异性假设以及泰勒展开式,简化了三维TTI介质qP波的精确相速度公式,建立了近似相速度公式;TTI模型的计算结果表明,近似相速度公式能较好地逼近精确相速度公式。从近似相速度公式出发,推导了三维qP波的频散关系以及时间-波数域波动方程,构建了纯qP波时间-波数域波场递推格式,分析了递推公式的稳定性条件。最后,基于伪谱法对三维均匀（VTI、TTI）模型、Hess VTI模型以及BP 2007 TTI模型进行qP波正演模拟。结果表明,利用所提方法得到的波场快照没有伪横波干扰,波场计算结果稳定。     

衰减性介质中的纵波速度:实验物理模型研究

弹性波速度通常是通过拾取传播脉冲特定特征(如初至波振幅最大值)的旅行时决定的。然而介质的衰减和散射改变了传播波形,从而使确定有意义的速度时出现问题。所以,这样得到的速度不能代表介质固有的波的相速度和群速度。通过实验,从由饱含甘油、未固结、随机充填玻璃珠子和石英砂组成的高衰减介质中得到相速度和群速度。我们的实验结果表明,在200～600kHz的有效频率带内速度的品质因素Q在2～6之间变化。把基本速度与更一般的简单速度估算值作比较。一般情况下,用比较简单的方法能估算出主频率误差为3％的群速度,但与其对应的相速度吻合很差,用第一探测脉冲旅行时得出的波速度(信号速度)与主群速度的差异达到12％。在波速随频率而增加的介质中,初至波速度至多为高频带的相速度提供了一个底界。然而,正如波至时间和传播距离间高质量的线性回归所显示的那样,每一种旅行时拾取方法都是自相一致的。     

TTI介质qP波方程频率—空间域加权平均有限差分算子

 波动方程有限差分方法能够较精确地模拟任意非均匀介质中的地震波场，但它本身存在着数值频散问题。在具有倾斜对称轴的横向各向同性介质(TTI介质)地震波正演模拟中，为了解决常规有限差分算子的数值频散问题，本文构造了频率—空间域qP波方程加权平均有限差分算子，求取了归一化相速度，并根据最优化理论中的高斯—牛顿法确定了加权平均差分算子的最优加权系数。利用常规差分算子和加权平均差分算子对归一化相速度进行了频散分析，并对均匀TTI介质(包括各向同性介质和椭圆各向异性介质)中的qP波地震波场进行了有限差分数值模拟。结果表明：加权平均有限差分算子具有较高的数值精度，能有效地压制常规有限差分算子的数值频散，为TTI介质频率—空间域qP波正演模拟奠定了基础。     

基于波前构建法的TTI介质射线追踪

射线(群速度)方向与旅行时梯度(相速度)方向不一致,使得TTI介质的射线追踪变得非常困难。传统的以弹性参数表示的各向异性射线追踪系统比各向同性条件下要复杂得多,而且在每一步都要求通过解特征值问题来计算极化矢量,使得整个射线追踪过程相当耗时。鉴于此,本文引入一种用相速度和群速度重构的射线追踪系统,该射线追踪系统与各向同性条件下的完全相似,从而简化了TTI介质的射线追踪问题。在综合考虑多种走时计算方法的优劣后,选择波前构建法进行射线追踪和波前传播的计算。将简化的射线追踪系统与波前构建法的优势相结合,得到了简单、高效的TTI介质射线追踪方法,并通过模型试算验证了此法的可行性。     

衰减性介质中的纵波速度：实验物理模型研究

弹性波速度通常是通过拾取传播脉冲特定特征（如初至波振幅最大）的旅行时决定的。然而介质的衰减和散射改变了传播波菜，从而使确定有意义的速度时出现问题。所以，这样得到的速度不能代表介质固有的波的相速度和群速度。通过实验，从由饱含甘油、未固结、随机充填玻璃珠子和瑛 砂组成的高衰介质中得到相速度和群速度。我们的实验结果表明，在200－600kHz的有效频率带内速度的品质因素Q在2－6之间变化。把基本速度与更一般的简单速度估算值作比较。一般情况下，用比较简单的能估算出主频率误差为3％的群速度，但与其对应的相速度吻合很差，用第一探测脉冲旅行时得出的波速度（信号速度）与主群速度的差异达到12％，在波速随频率而增加的介质中，初至波速度至多为高频带的相速度提供了一个底界。然而，正如波至时间和传播蹁间高质量的线性回归所显示的那样，每一种旅行时拾取方法都是自相一致的。     

TTI介质相速度对弹性模量参数的敏感性研究

速度敏感函数是相(群)速度对各向异性介质参数的偏微分表达式,它是各向异性介质走时扰动方程的重要组成成分,所以具有重要的研究价值。由于群速度是相速度的函数,所以利用相速度偏微分表达速度敏感函数更加简便。参考前人基于VTI介质模型的速度敏感函数计算方法,推导出了基于TTI介质模型以相速度偏微分表达的速度敏感函数计算方法,并对VTI介质和TTI介质的qP波、qSV波和qSH波分别模拟计算了速度敏感函数。对速度敏感函数的特性分析结果表明,不同弹性参数的速度敏感性不同,同一弹性参数不同观测角度的速度敏感性也不同,VTI介质的速度敏感函数存在对称性,而TTI介质的速度敏感函数相对复杂得多。最后利用TI介质反射波非线性走时反演算法对层间块状异常体模型进行了走时反演,反演结果验证了速度敏感函数计算方法的正确性,也证实了速度敏感函数对反演结果具有预测和指示作用。     

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。     

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。     

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。     

基于物理信息驱动神经网络的三维初至波旅行时计算方法

在地震勘探中,初至波旅行时的精确求取是偏移成像和旅行时反演等处理技术的重要基础。基于程函方程的有限差分算法在地震波旅行时求取中展现出良好的效果,但需要付出巨大的计算成本,尤其是对多震源、高密度网格的旅行时计算。为此,提出了一种基于物理信息驱动神经网络(PINN)的三维程函方程旅行时求取算法,由三维程函方程及其物理条件信息构成损失函数,再通过最小化该损失函数训练神经网络,最终输出满足程函方程的旅行时结果。不同速度模型的数值模拟实验结果表明,所提方法相对于传统算法具有更高的计算效率和更高的精确度。     

一种改进的地震波初至走时逆风差分算法

自Vidale提出有限差分解程函方程的初至波走时计算方法以来，由于最初算法的局限性，又有许多作者提出了改进的算法，主要包括基于波阵面的扩展以及逆风差分算法，这些改进的算法在井间走时计算方面是有效的。但是，在进行初至波走时层析成像研究的过程中发现，利用以往的算法对震源与检波点位于地表的模型进行计算的时候，如果存在速度差异较大的水平分界面时，在速度界面附近的走时计算结果会出现较大的误差，从而影响成像的精度。提出了一种改进的地震波走时计算的逆风差分算法，通过考虑首波和散射波的走时，能有效地减小速度值差异较大的近地表地质模型的走时计算误差，准确地描述速度界面上折射波的滑行描述，特别适用于近地表层析成像及地震勘探中的静校正问题。     

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。     

广义Rytov近似有限频初至层析

在传统的有限频层析理论中,采用Born或Rytov近似推导地震波旅行时对模型参数的一阶Fréchet微商,隐含了弱散射近似假设。对于强速度扰动,有限频层析正问题的线性化近似不再成立。近年来发展的广义Rytov近似理论可以较为精确地预测散射波的相位扰动,因此更适用于有限频旅行时层析。为突破弱散射近似的限制,将广义Rytov近似应用于传统的有限频层析理论,导出了基于广义Rytov近似理论的有限频旅行时敏感度核函数。由数值试验可知,对于前向小角度散射,无论速度扰动强度如何,新的旅行时核函数均可较为准确地预测地震波的旅行时扰动。针对旅行时层析反问题,提出了一种基于隐式矩阵向量乘的高斯—牛顿反演算法,具有准二阶收敛速度且无需显式计算和存储Hessian矩阵。复杂模型数据测试结果表明,提出的广义Rytov近似旅行时层析可以建立高精度的近地表速度模型,且收敛速度较快。