VTI介质初至波多参数走时反演敏感核分析及反演策略

利用地震初至波走时信息建立近地表模型是地震勘探的关键步骤.由于近地表模型普遍呈现各向异性特征, 常规的各向同性近地表建模无法满足地震数据近地表校正和地下成像的需要, 因此, 发展各向异性介质的初至波走时多参数反演方法具有重要的理论意义和实际应用价值.本文基于Fomel群速(慢)度近似公式, 推导得到了声波VTI介质中16种参数化模式的走时多参数反演敏感核的解析解, 并详细分析了4种参数化模式下多参数敏感核随角度的变化特征.通过分析多参数的敏感核和多参数之间的耦合效应, 提出了在全方位和地表两种观测方式下最优的参数化方式和有效的多参数反演策略, 并通过理论分析和模型试验, 证明了所提出的反演策略的合理性和正确性.

     

摄动求解Fréchet导数的电阻率层析成像方法

针对电阻率层析成像 ,比较了求解Fréchet导数的 4种方法 ,并提出摄动方法计算该导数 ,使得每一次迭代过程只计算一次正演。井间电阻率成像的数值模拟结果表明了该方法的稳定性和高效性 ,实际资料的处理证明了方法的有效性。     

二阶Born近似有限频率走时敏感核

有限频率层析成像考虑了非均匀介质中波的散射、衍射、波前愈合等物理性质,使得其对速度异常体的分辨能力远大于射线层析成像.推导和计算有限频率敏感核是进行有限频率层析成像的关键,当前推导有限频率敏感核多借助一阶Born近似,但这只适用于弱散射介质的情况.本文基于二阶Born近似并利用傅里叶变换推导了三维均匀介质情况下有限频率敏感核的解析表达式,并将其推广到非均匀介质中得到了三维非均匀介质中有限频率敏感核.研究表明:当介质中速度扰动小于2%时,基于二阶Born近似的有限频率敏感核与基于一阶Born近似的有限频率敏感核差别很小,可近似认为相同;当介质中速度扰动大于5%时,基于二阶Born近似的有限频率敏感核与基于一阶Born近似的有限频率敏感核有较大不同,表明此时已不能忽略二次散射.     

各向异性TI介质qP反射波走时层析成像

地震走时层析成像是反演地层各向异性参数分布的有效方法, 但是关于地震各向异性介质走时层析成像的研究并不多, 其技术远远没有达到成熟的阶段.在野外数据采集时, 地表反射波观测方式相对井间和垂直地震剖面观测方式的成本更低, 利用qP反射波走时反演各向异性参数具有更加广泛的实用价值.本文实现的TI介质地震走时层析成像方法结合了TI介质反射波射线追踪算法、走时扰动方程和非线性共轭梯度算法, 它可以对任意强度的TI介质模型进行反演, 文中尝试利用qP反射波走时重建TI介质模型的参数图像.利用qP反射波对层状介质模型和块状异常体模型进行走时反演, 由于qP波相速度对弹性模量参数和Thomsen参数的偏微分不同, 所以可以分别反演弹性模量参数和Thomsen参数.数值模拟结果表明:利用qP反射波可以反演出TI介质模型的弹性模量参数与Thomsen参数, 不同模型的走时迭代反演达到了较好的收敛效果, 与各向同性介质走时反演结果相比较, 各向异性介质走时反演结果具有较好的识别能力.     

基于快速非支配排序遗传算法的VTI介质多分量叠前联合反演

在VTI介质中,由于引入了各向异性参数使得多分量多参数地震反演问题的非线性程度显著增加,因此采用传统的权重加权法构建单目标函数进行反演得到的反演结果往往并不理想.本文以反射率法为基础,结合快速非支配排序遗传算法研究了一种VTI介质的多分量叠前联合反演方法.该方法以反射率法为正演方程,应用互相关原理构建PP波和PSV波的多目标函数,进而采用快速非支配排序遗传算法全局寻优获得VTI介质的厚度、纵横波速度、密度和各向异性参数等多个参数.在正演的过程中,反射率法可以考虑几何扩散、吸收衰减、透射损失、多次波以及纵横波旅行时不匹配等地震波传播效应,更能精确地描述地震波在地下地层中的真实传播情况;在反演的过程中,快速非支配排序遗传算法可以在不引入权重系数的条件下同时优化多个目标函数,获得联合反演问题的Pareto最优解,既不添加权重系数影响又充分利用多分量地震数据.模型测试结果验证了该反演方法的有效性和可行性.

     

基于Born敏感核函数的VTI介质多参数全波形反演

本文基于VTI介质拟声波方程,利用散射积分原理,在Born近似下导出了速度与各向异性参数的敏感核函数,同时结合作者前期研究提出的矩阵分解算法实现了一种新的VTI介质多参数全波形反演方法.矩阵分解算法通过对核函数-向量乘进行具有明确物理含义的向量-标量乘分解累加运算实现目标函数一阶方向或二阶方向的直接求取,从而避免了庞大核函数矩阵与Hessian矩阵的存储,该方法同时可以大大降低常规全波形反演在计算二阶方向时的庞大计算量.为了克服不同参数对波场影响程度的不同,本文利用作者前期在VTI介质射线走时层析成像研究中提出的分步反演策略实现了多参数联合全波形反演.理论模型实验表明,本文提出的基于Born敏感核函数的各向异性矩阵分解全波形反演方法可以获得较好的多参数反演结果.     

初至波相位走时层析

近地表速度结构通常是利用射线走时层析或菲涅尔体走时层析等反演方法得到的,但它们的目标函数仍利用射线走时残差构建,导致反演精度不高.为此,本文提出了基于散射积分算法的初至波相位走时层析成像方法.该方法的核心是:(1)提出了依赖于频率的相位走时概念;(2)利用依赖于频率的相位走时信息,而非单一的无限频率射线走时;(3)发展了一种改进的相位展开方法,即通过监测相位不连续性和2π周期判定来消除相位折叠现象;(4)考虑了地震波传播的有限频特征,即基于波动理论而非传统的射线路径或有限空间的菲涅尔体构建核函数.通过利用Overthrust模型的数值实验及与传统射线走时层析和菲涅尔体走时层析的对比表明:本文提出的方法是一种有效的初至波走时反演方法.同时,基于Overthrust模型的数值试验还证明了下列结论,即通过挖掘更多的走时信息的确可以获得更高的反演精度和分辨率.     

VTI介质中的弹性阻抗与参数提取

弹性阻抗是波阻抗的扩展,可以更好的反映储层和流体性质.常规弹性阻抗方程忽略了各向异性的影响,不能正确地描述各向异性介质中弹性阻抗的性质.本文基于Ruger给出的VTI介质反射系数近似公式,结合Connolly推导弹性阻抗的思想,推导出了一种VTI介质中的弹性阻抗方程.通过引入归一化常数,对方程进行了标准化,消除了方程量纲随角度变化而变化的不足.结合常规弹性阻抗反演的流程,得出了VTI介质中弹性阻抗反演的流程.最后,开展了从VTI介质弹性阻抗数据体中提取岩石物性参数的方法研究.数值测试表明,所讨论的参数提取方法具有一定的理论和应用价值.     

基于二维VTI拟声波程函方程的椭圆各向异性立体层析反演

基于二维VTI介质拟声波程函方程,应用射线扰动理论建立了该方程控制下的数据空间各参数对于模型空间各个参数之间的线性关系,从而获得二维VTI介质拟声波程函方程的各向异性立体层析核函数.考虑到拟声波近似程函方程中η参数与ε和δ存在强烈耦合,本文首先探讨椭圆各向异性情形,为二维拟声波程函方程椭圆各向异性立体层析算法奠定了理论基础.同时也为日后推广到非椭圆各向异性情况提供了一种获得高质量初始模型的可靠途径.理论数据算例证实了Fréchet核函数求取的正确性以及在此基础上设计的工作流程实现两参数反演的可行性.

     

改进Moser方法二维初至波走时层析成像正演研究

地震层析成像是剖析地球内部结构与性质的主要手段之一。以二维初至波走时层析成像为研究方向,剖析Moser初至波走时层析成像的基本原理,指出在原始算法中走时计算误差较大和射线路径追踪存在的问题,讨论提出两种改进办法,分别是：（1）使用动态节点提高走时计算的精度;（2）使用多重链表散列改进波前节点的处理效率。通过均匀介质模型验证改进Moser方法在正演中比原始算法在计算精度上的大幅提高,其中五个动态节点模型相对误差可达0.1%,解决了原始方法存在的问题。另外实现了改进的Moser方法在Marmousi2复杂介质模型中的正演计算,从绘制的波前射线图中可以看出与理论预期的结果相符,从而证明了改进Moser方法的准确性。     

初至波菲涅尔体地震层析成像

根据地震波传播的有限频理论,对于某个特定震相的观测信息,不仅射线路径上的点对该信息具有影响,射线领域上的其他点对接收信息也具有影响,这种影响可以用核函数来表达.本文基于波动方程的Born近似与Rytov近似,给出了非均匀介质情况下初至地震波振幅与走时菲涅尔体层析成像单频、带限层析核函数的计算方法.通过对均匀介质情况下初至地震波菲涅尔体层析成像核函数解析表达式的理论模型实验与分析,给出了不同维度振幅、走时单频菲涅尔体的空间分布范围,进而给出了带限菲涅尔体边界的确定方法.将本文的走时菲涅尔体层析成像理论应用于表层速度结构反演中,理论模型试验与实际资料处理结果表明,初至波菲涅尔体地震层析成像方法比传统的初至波射线层析成像理论具有更高的反演精度.     

基阶与高阶瑞利波联合反演研究

研究了六层层状介质模型瑞利波基阶和高模式波相速度对横波速度、深度的敏感性,结果表明：基阶波较高模式波对7 m以内浅部地层的横波速度更敏感,敏感性频带在10～25 Hz范围内,峰值频带集中在18 Hz左右;高模式波较基阶波对深部地层的横波速度更敏感,敏感性频带宽,峰值分散.基阶波对浅层的敏感性和高模式波穿透深度更深的特点为近地表岩土层二维横波速度结构的联合反演提供了前提条件.利用阻尼最小二乘SVD（Singular Value Decomposition）算法联合基阶与高模式波对理论模型和实例数据进行横波速度反演,反演结果表明联合反演增强了反演的稳定性,提高了反演的精度.     

Joint inversion of high-frequency surface waves with fundamental and higher modes

Joint inversion of multimode surface waves for estimating the shear (S)-wave velocity has received much attention in recent years. In this paper, we first analyze sensitivity of phase velocities of multimodes of surface waves for a six-layer earth model, and then we invert surface-wave dispersion curves of the theoretical model and a real-world example. Sensitivity analysis shows that fundamental mode data are more sensitive to the S-wave velocities of shallow layers and are concentrated on a very narrow frequency band, while higher mode data are more sensitive to the parameters of relatively deeper layers and are distributed over a wider frequency band. These properties provide a foundation of using a multimode joint inversion to define S-wave velocities. Inversion results of both synthetic data and a real-world example demonstrate that joint inversion with the damped least-square method and the singular-value decomposition technique to invert high-frequency surface waves with fundamental and higher mode data simultaneously can effectively reduce the ambiguity and improve the accuracy of S-wave velocities.     

基于FCM聚类约束的直流电阻率法与地震走时成像法二维联合反演

通过引入模糊均值聚类(FCM)模型约束函数对电阻率与速度进行约束,开展二维直流电阻率法与地震初至波走时成像法联合反演研究.在地下浅层结构勘探中,通常低电阻率的地质体具有低速特征,较高电阻率的地质体表现为较高的地震波速度.直流电阻率法因为低电阻率区域吸引电流而对其敏感,地震走时成像法因为射线集中在高波速区而对高速体敏感,因此,两者联合成像能够大幅度提高反演效果.合成数据反演表明,直流电阻率法和地震初至波走时联合反演对于两类地质体的分辨能力均有提升,能够优势互补.尤其是引入FCM模型约束进行联合反演,根据已知物性进行监督学习,进一步提高了反演质量,改善了成像模型的分辨率.