时间域跨孔雷达全波形反演及实际应用

通过对目标函数求导的方式详细推导了时间域全波形反演的梯度公式,并使用共轭梯度法同时迭代介电常数和电导率。将该方法应用到一组合成数据和实际数据中,合成数据结果表明全波形反演能够准确刻画地层结构,精确重建亚波长尺寸异常体的位置和参数信息。实际数据的反演结果证明全波形反演能够反映地层中的细微结构,提供高分辨率的反演结果,其波形比配结果也更准确。     

3维电磁跨孔反演

有效利用电磁法圈定和监测油气储，要求在其他方法的数据，臂如象地震数据和测井记录约束下的大的跨孔数据组的快速计算机化反演。理想条件下，一种反演算法可以对３维模型数据反演而不需要对模型的几何或电阻率分布有理论上限制。     

使用广义走时反演的跨孔层析成像

本文给出由跨孔数据确定速度模型的非线性反演方法，该方法是一种以波场相位为基础的Ｒｙｔｖ反演的变种，采用修改Ｒｙｔｏｖ范数对依赖于深度的速度模型进行重建。我们的结论是，在这种情况下，建立在走时基础上的误差范数类似于精确测定走时的范数，尤其是在出现许多直接到达的走时的情况。例如，在源和接收器位于一低速区的情况，这种方法有很重要的优点。     

基于探地雷达的路基地下异常体全波形反演

路面塌陷及地下空洞隐患往往较为隐蔽且事发突然,造成了人们生命和财产的巨大损失,对于道路塌陷及地下空洞隐患的检测分析显得至关重要。探地雷达(Groud Penetrating Radar, GPR)因其具有精度高、效率快、连续无损、实时成像等优点,是目前城市道路塌陷隐患探测的主要方法。针对GPR传统目标函数全波形反演(Full Waveform Inversion, FWI)中激励源子波估计不准确而导致反演准确性和可靠性降低的问题,提出了一种褶积型目标函数FWI算法。对于路面塌陷及地下空洞2种情况,通过建立合成数据模型,与传统目标函数FWI的反演结果进行对比,说明了褶积型目标函数FWI算法在激励源子波估计不准确的情况下依然可以得到良好的反演结果,验证了该算法的有效性;最后将该算法用于2组不同灾害类型的GPR实测数据中,分析反演得到的地下介质相对介电常数分布情况,验证了褶积型目标函数FWI算法对于实测数据的实用性,从而为路基地下异常体探测提供理论依据。      

变密度声波全波形反演中密度影响因素及反演策略

密度信息可预测储层流体饱和度,因此获取可靠的密度参数已成为全波形反演中首要考虑的问题。为了获得更稳定的反演密度,本文从频率、初始速度模型、初始密度模型和密度速度同时反演四个方面对密度的影响进行了研究。根据研究测试结果制定了稳定的反演策略：首先将密度固定,反演速度,此时波动方程中不再含有密度项,因而可以得到准确的速度模型;将其作为初始速度模型进行速度、密度同时反演,可以较好地减小速度对密度的影响。理论模型测试结果充分说明了策略的有效性。     

基于程函方程反演的跨孔地震岩溶探测数值模拟研究

岩溶探测对于岩溶发育地区的工程建设有重大意义,跨孔地震波探测是工程勘察有效的地球物理探测技术。本文旨在利用基于程函方程的初至旅行时层析方法,实现对跨孔地震波岩溶探测的反演,并通过多个工况的数值模拟验证其有效性,探索其适用性和局限性。首先,基于波动方程的时域有限差分对跨孔地震岩溶探测进行正演模拟;然后从模拟的地震记录中提取初至旅行时,最后以基于程函方程的初至层析方法反演得到钻孔间的地层速度模型。本文设置了单一溶洞,单一断层,溶洞断层组合及多溶洞组合4种工况,通过数值试验得到了地震记录、旅行时、反演图像、迭代残差等结果。结果表明基于程函方程的初至旅行时层析反演方法对溶洞位置、大小,断层的方位反演较为准确,对于复杂地质条件,多溶洞和裂隙组合反演较为稳定,相互之间干扰很小,能定性区分对溶洞填充物的速度与地层背景波速的高低。但岩溶异常体中的反演速度较真实速度有偏高,纵向分辨率比横向分辨率高。相比溶洞,该方法对断层较不敏感。考虑到基于程函方程的跨孔层析反演在多个岩溶地质体共存的复杂地质条件下依然保持高效和稳定,该方法可以为实际工程提供重要勘察信息。     

基于数字图像分割法的跨孔雷达走时层析成像

跨孔雷达走时层析成像主要利用雷达波的走时进行反演,走时提取的正确与否将直接影响到层析成像的效果。数字图像分割法基于凸集投影（POCS）方法,使用能量比彩色图像分割技术准确提取走时。数字图像分割法提取走时首先应用在折射地震波的数据处理中。笔者首次将数字图像分割法提取走时的方法应用到跨孔雷达走时层析成像中,使用迭代线性反演算法重建了雷达波速度场。反演过程中,使用最小二乘QR分解法（LSQR）求解线性方程组,利用弯曲射线追踪技术构建雅可比矩阵,走时的计算值则由多模板快速推进算法（MSFM）得到。为了验证数字图像分割法在走时层析成像中的效果,使用一组合成数据及一组实测数据分别对比了基于数字图像分割法和基于传统能量比法获得的层析成像反演结果。对比结果表明,使用数字图像分割法得到的层析成像结果更为精确,误差更小,能为判断地下雷达波速度场提供更为有力的帮助。     

基于共轭梯度法的全波形反演

全波形反演是一种全新的地震成像方法,主要利用全波形信息反演地下介质参数,通过非线性优化波场理论值和观测值的残差实现波形反演。基于时间域声波方程,建立了时间域波场残差目标函数,以分层模型为例,分别从波场精度、目标函数收敛性和运行时间3个方面,比较了共轭梯度（Conjugate Gradient,CG）算法和拟牛顿算法（Broyden-Fletcher-Goldfarb-Shanno,BFGS）反演的效果。同时,应用共轭梯度法对正、逆断层模型和Marmousi模型进行了速度结构反演。反演结果表明：共轭梯度法计算效率较高,反演得到的速度模型精度更高,反演效果较好,是一种有效的波形反演方法。     

基于梯度投影法的全变差正则化全波形反演

为降低地震全波形反演的不适定性,常用方法是引入未知模型的先验信息,从而将反演问题正则化。但是,传统正则化方法在包含多个先验信息的情况下,仍然面临挑战。本文提出一种扩展的全波形反演公式,其中包含对模型的凸集约束。本文以慢度平方作为反演的模型参数,展示了如何在施加全变差约束的同时,施加边界约束令其保持在一个物理意义上的可行范围内。为验证本文所提算法的适用性,分别开展简单模型及国际标准地质模型数值实验研究,结果表明,全变差正则化的引入可以提高光滑背景模型下高速扰动体的重构效果。     

影响跨孔雷达层析成像效果的几个因素

利用合成数据研究并讨论了影响基于射线的跨孔雷达走时层析成像的几个重要因素,包括射线覆盖角度、正则化因子以及测量装置排布等。对比不同射线覆盖角度下层析成像的结果表明,40°~70°为跨孔雷达层析成像的最佳角度。对比不同正则化因子情况下层析成像的结果表明,正则化因子太小或太大,都会导致反演结果与实际模型差别较大,因此选择合适的正则化因子对反演成像极其重要。通过研究水平和不同倾斜异常体的层析成像结果以及波场快照发现,由于发射和接收装置通常放置在2个平行的钻孔中,使得射线主要在近水平方向上传播,因此横向异常体的反演效果好,而纵向或高角度异常体的反演效果不佳,且反演出的异常范围要比实际尺度大。     

Layer-Stripping Full Waveform Inversion with Damped Seismic Reflection Data

Full waveform inversion(FWI) directly minimizes errors between synthetic and observed data.For the surface acquisition geometry,reflections generated from deep reflectors are sensitive to overburden structure,so it is reasonable to update the macro velocity model in a top-to-bottom manner.For models dominated by horizontally layered structures,combination of offset/time weighting and constant update depth control(CUDC) is sufficient for layer-stripping FWI.CUDC requires ray tracing to determine reflection t...     

基于L-BFGS算法和同时激发震源的频率多尺度全波形反演

全波形反演可以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。然而,庞大的计算量和存储空间需求,限制了全波形反演的发展。在频率多尺度全波形反演中将L BFGS数值优化算法与同时激发震源技术相结合的方法来改善这一现状。首先,对Marmousi模型进行了速度反演：在计算过程中明显发现对计算机内存的占用减少,最终反演结果与实际Marmousi模型的拟合误差为0.095 9,较小;采用10个频带单炮震源正演384炮所需时间约为32 640 s,而采用同时激发震源（384炮）正演一次所需时间仅约为700 s。然后,基于高速楔形体模型进行了抗噪能力研究：原始含噪地震记录信噪比为11.147 3 dB;对反演得到的速度模型进行正演,其地震记录信噪比为22.251 8 dB。最后,基于逆冲断层模型进行了反演速度扰动能力研究,反演得到的最终模型很清晰,与具有速度扰动特性的实际模型非常接近,拟合误差仅为0.036 0。数值模拟试验结果表明：此方法反演精度高,内存开销较小,能够显著提高计算效率,并且具有良好的抗噪能力,能够反演出具有速度扰动特性的介质。     

发射电流波形对瞬变电磁一维正反演的影响

本研究实现了考虑发射电流波形的瞬变电磁一维正反演算法。正演采用矩形回线源,通过Duhamel积分计算梯形波的感应电压;反演采用Occam反演方案,得到一个光滑的层状反演结果模型。理论模型合成算例的计算结果表明：上升沿时间、持续时间和下降沿时间不同程度地影响了垂直磁感应强度对时间的偏导数(dB/dt)响应以及电阻率反演结果。理论模型的正演结果显示,上升沿时间、持续时间和下降沿时间分别主要影响晚期、中晚期和早期的瞬变电磁响应,并且取值越大影响越大。理论模型合成数据的反演算例显示,不同上升沿时间对反演结果几乎没有影响,而下降沿时间和持续时间分别影响浅部和深部的反演结果。     

基于逐减随机震源采样法的频率域二维黏滞声波方程全波形反演

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。然而,巨大的计算量是阻碍其发展的一个瓶颈问题。为此,研究者们提出了震源编码技术来减少计算量,但是此方法在模型更新过程中会引进随机串扰噪声,降低反演结果准确性。所以,在保证计算精度的情况下,本文提出了采用逐减随机震源采样的方法来高效计算全波形反演问题。笔者将此方法应用于频率域二维黏滞声波波动方程全波形反演,开始了在频率域进行随机震源采样类方法的研究,计算过程中共使用了依次增大的8个频率段;并应用Overthrust模型来验证此类随机震源采样法的正确性。实验结果表明：基于逐减随机震源采样法的反演结果与实际Overthrust模型的拟合误差为0.065 65,而应用基于全部震源的全波形反演方法得到的反演结果与实际Overthrust模型的拟合误差为0.064 64,两者差别不大;但计算用时由740 min减少到291.2 min,即计算效率提高了2.54倍。为了更好地确定方法的有效性,将其应用于Marmousi模型进行试算。模型试算结果表明：基于逐减随机震源和基于全部震源得到的反演结果与实际Marmousi模型的拟合误差分别为0.080 12和0.078 97,相差不大;但计算用时由1 218.9 min减少到274.4 min,计算效率提高了4.44倍。综上,在保证反演精度的情况下,基于逐减随机震源采样法的频率域全波形反演方法大大减少了计算量,具有不可替代的计算优势,并且没有引进随机串扰噪声。     

基于U-Net网络的FWI地震低频恢复方法

由于实际地震资料中缺乏低频数据,使得全波形反演易陷入局部极小值,导致反演质量差,结果不可靠。为解决这一问题,本文利用数据驱动低频恢复映射思想,分别利用高通和低通滤波器从原始数据中分离出高频数据和低频数据,对其进行一系列数据预处理操作,将处理后的数据作为模型的训练集;利用U-Net网络为基础构建模型,建立高低频之间的映射关系。为了有效防止模型过拟合,本文在U-Net模型基础上添加了Dropout层和批处理层。利用训练后的模型从高频数据中预测对应低频数据并进行逆数据预处理,对比分析逆数据预处理后的预测低频数据和真实低频数据之间误差,并利用多尺度全波形反演在洼陷模型和Marmousi模型进行有效性验证。实验结果表明:训练与测试数据的预测低频与真实低频数据的平均相对误差为5.02%和13.32%,误差较小,数据吻合良好;洼陷模型、Marmousi模型以及实际数据的反演结果表明加入预测低频后反演质量得到显著提高,并且对处理含较大噪声的数据也有很好的效果。     

Crust and Upper Structure of Qinghai-Tibet Plateau and Its Adjacent Regions From Surface Waveform Inversion

CRUST AND UPPER STRUCTURE OF QINGHAI-TIBET PLATEAU AND ITS ADJACENT REGIONS FROM SURFACE WAVEFORM INVERSION     

初至反演近地表速度的建模方法分析与应用

近地表速度初至波或折射波建模是表层复杂地区静校正的关键因素.通过对比分析初至波层析反演方法与折射波解释方法的原理,认为复杂地区表层速度与结构在横向的极不稳定性已超出了折射波解释方法的条件,而初至波层析反演方法能很好地估计出稳定可靠的表速层结构.伊朗TB气田勘探线位于山脉的高峰,高差达1000m,且低降速带的横向不稳定性很强,在没有地质先验信息的情况下,折射波方法得到的低降速带底界多解性很难消除,而初至波层析反演得到的速度横向变化规律与表层构造高度一致(包括突变位置).实例表明这个地区基于层析反演速度模型静校正的效果优于折射波静校正.     

低应变动测中若干问题的讨论

本文讨论使用铁锤震源和速度传感器（地震检波器）在低应变动测中检测桩身完整性的频响问题。