三维最短路径法射线追踪及改进

射线追踪技术在地震学领域有着广泛的应用，其中以最短路径算法在复杂介质中走时计算稳定性最好。理论上最短路径法的误差来源为速度模型采样误差、空间离散化误差和角度离散化的误差，由此造成网格稀疏时射线路径呈之字形，计算走时比实际走时偏大。弯曲法追踪精度高，但是射线追踪速度受初始路径与真实射线路径逼近程度制约，在复杂介质中可能找不到全局最小走时路径。最短路径法追踪出来的网格射线路径，可以作为较理想的初始路径，供弯曲法迭代优化。将最短路径法和弯曲法结合，通过射线在初始路径附近的扰动得到Fermat原理约束下的最短路径。文章对常速模型的试算，显示了改进方法对射线路径优化的作用，在模型网格稀疏的情况下效果尤其明显。本算法适用于计算三维任意复杂介质中初至波走时和射线路径，可应用于三维走时层析成像等领域。     

一种多信息约束的初至波走时层析反演优化方法

初至波走时层析成像是准确获取复杂近地表表层速度结构的有效方法。对西部复杂山前带而言,近地表速度建模精度低,严重影响后续中深层速度建模和偏移成像质量。因此,研究一种高效、可适应复杂近地表条件的初至波走时层析算法非常重要。提出了一种基于Tikhonov正则化方法多信息约束的初至波走时层析反演的优化策略,通过多模板快速推进算法(MSFM)解程函方程计算网格单元走时,用迭代反演方法线性化计算非线性逆问题,避免大规模Frechet矩阵的求取和存储,提升了计算效率;根据微测井信息建立初始速度模型,利用视慢度等先验信息对层析反演目标函数进行约束,采用Tikhonov正则化来解决最小化数据差和模型平滑度的反问题,降低了目标方程的病态性,从而提高反演精度。起伏地表模型和西部实际资料应用结果表明,该方法通过对初至走时和走时-偏移距曲线联合拟合有效适应复杂地表条件,解决了三维地震资料初至波走时层析成像出现的“高速异常体”问题,提高了反演的稳定性和计算精度。     

确定三维地层速度结构的地震层析成像技术

观测数据与地层参数之间呈线积分关系的反演称作地球物理层析成像。本文介绍在连续曲界面均匀各向同性层状介质情形下,根据地震反射资料反演三维地层结构及地震速度的地震射线层析成像方法。正演模型射线追踪是根据Fermat原理实现的,即求解由时间最小原理列出的非线性方程组得到射线与界面的交点。反演的目标就是求解这样的地层模型,使其射线追踪走时与观测走时的残差为极小。具体做法是根据走时残差求取模型参数修正量的阻尼极小二乘解,循环迭代直至满足要求为止。 文中给出了两个合成资料反演的例子。一个是合成的P波走时数据(加随机噪声)的反演,其结果与真实模型能较好吻合。另一个例子则同时考虑P波及反射P—SV转换波走时,反演包括P波速度和SV波速度对三维速度结构。利用P—SV波进行P波和SV波速度结构的成像是本文的一个进步。     

反射走时及走时梯度联合层析速度反演方法研究

本文探讨了反射走时及走时梯度联合层析成像方法,该方法基于倾斜叠加原理实现了反射走时及走时梯度自动拾取,可以快速地为叠前深度偏移提供精确的宏观速度—深度模型。     

伴随状态法初至波走时层析

初至波走时层析成像方法通常被用来反演近地表速度结构。传统的射线层析成像方法计算效率低,且在复杂模型计算中存在不稳定性问题。为了快速、稳定地进行初至波走时层析,本文基于程函方程的有限差分形式,利用快速扫描算法实现初至波走时的快速计算。在此基础上,采用伴随状态法计算目标函数的梯度,进而实现伴随状态法初至波走时层析。将该方法与传统射线层析成像方法应用于理论模型实验和实际资料的处理,结果表明基于程函方程的伴随状态法初至波走时层析可以取得与传统射线层析近似的反演结果,但计算效率得到大幅提升。     

快速射线寻迹井间走时层析成像算法及其应用

本文给出一种迭代射线走时层析成像算法。在该算法中,采用三角网格节点值的线性插值计算速度。利用此法进行正演计算,射线轨迹和走时都有解析表达式,从而可节省大量的计算时间;在反演计算中,射线轨迹点处的慢度可用三次多项式基函数予以计算。在线性化处理后,走时与某一未知模型参数的偏导数为走时与该模型参数的线性关系系数,从而加快了Jacobi矩阵的运算。由本算法对物理模型及野外井间地震资料进行层析成像结果表明,该算法快速、稳定、适用。     

井间地震纵,横波走向层析成像处理方法

本文介绍了深井井间纵，横波资料的层析成像方法，该方法利用正演模型识别波场，用交互法拾取走时，采用界面网最小走时射线追踪法进行射线追踪，燕用反演样条系数代替反演慢度，最后合成速度场。实际资料处理结果表明，反演结果与测井曲线的相关性较好，几套高速砂层反映得比较清楚。     

井间地震纵、横波走时层析成像处理方法

本文介绍了深井井间纵、横渡资料的层析成像方法。该方法利用正演模型识别波场，用交互法拾取走时，采用界面网最小走时射线追踪法进行射线追踪，并用反演样条系数代替反演慢度，最后合成速度场。实际资料处理结果表明，反演结果与测井曲线的相关性较好，几套高速砂层反映得比较清楚。     

地面微地震监测资料静校正方法研究

针对地面微地震监测缺乏近地表速度资料和由于信噪比较低使得各条测线上初至走时拾取不全的问题,研究了利用射孔资料、声波测井资料及微地震事件监测资料进行地面微地震资料静校正的方法.讨论了初至拾取方法,对于不连续道的初至拾取,提出了用引导道方法拾取射孔事件和射孔点附近强微地震事件在各条测线的初至;通过声波测井资料建立基准面以下地层的初始速度模型,计算射孔事件的理论走时,进而求取初始静校正量;针对浅部和深部地层速度变化对初至影响程度的不同,设计了浅部二维速度模型和深部一维速度模型,根据射孔事件的实际初至运用反演方法校正初始速度模型,再用反演校正后的速度模型来正演射孔事件理论走时,求取总静校正量.最后,通过实际资料处理验证了静校正方法的应用效果.     

潜水波胖射线走时层析速度反演及其在深度偏移速度建模中的应用

探讨了潜水波胖射线走时层析速度反演的方法原理、处理流程以及关键步骤、关键参数和影响因素,给出了基于该技术建立深度偏移初始速度模型的方法。潜水波胖射线走时层析速度反演技术针对既定的观测系统,通过拓宽射线路径,降低了层析反演矩阵的稀疏性,提高了速度模型反演的稳定性,较常规折射波层析反演获得的近地表速度模型深度更大,将其与深层速度模型进行合理拼接,可以为深度偏移提供更为准确的初始速度模型。实际资料处理结果表明:采用该方法建立初始速度模型,可以明显改善深度偏移成像品质,消除浅层速度剧烈变化引起的构造假象,提高地震剖面的信噪比,降低井震误差。     

菲涅耳体地震层析

传统的走时地震层析方法都是建立在射线理论的基础上,而实际地震信号的能量是来自一个连接激发点和接收点的菲涅耳体,并非单纯地来自于一条假想的射线。本文的目的是把菲涅耳体的概念引入到层析成像中去,其优点是;①菲涅耳体层析成像会保持数据本身的分辨率;②增强射线覆盖量;③抗误差（在层析正演过程中由于初始速度场的不准确性造成的射线误差）能力强。理论模型测试证实了菲涅耳体层析成像的这些优点。在理论模型的制作中,我们发现了从理论记录上拾取的走时和直接计算的走时存在着差异：当射线穿过高速异常时,理论模型的走时往往小于计算的走时;反之,当射线穿过低速异常时,理论记录的走时又大于直接计算的走时。对于任何一种以射线走时为基础的层析方法,都将会受到这种走时异常的影响。     

基于薄层模型的有限频率井间地震波层析成像

地震射线层析成像需要进行旅行时和射线路径的计算，而复杂介质的地震射线追踪方法受到地震波频率有限的影响。为此，提出了基于薄层模型的有限频率井间地震波层析成像方法。给出了方法的基本原理，即在Fresnel带内寻找长度最短的路径，在弯曲射线追踪方法表示旅行时大小的目标函数中，加入一项与射线长度有关的惩罚项，把有限频率地震射线追踪问题转化为求解该目标函数无约束最优化问题，从而实现基于薄层介质模型的有限频率地震射线追踪，最后通过反演计算实现井间地震射线层析成像。该方法计算简单，易于实现，理论模型试算验证了方法的有效性。     

初至波与反射波旅行时多尺度渐进联合层析成像

针对应用单-波反演难以更准确、更全面地重构地下速度信息及层析正反演中网格剖分大小相互矛盾的问题,本文采用Humphreys等^[1]的数据加权算法,对模型空间和数据空间进行加权,并在反演中采用多尺度渐进层析反演;通过比较模型上各种波的理论旅行时与实际拾取的旅行时残差,更新模型速度及界面深度参数。模型资料试算结果表明,应用初至波与反射波旅行时联合层析整体上要优于单-波旅行时层析的结果;多尺度渐进层析反演能有效地解决层析正反演网格剖分大小的矛盾;在-定范围内,随着反演网格尺度的逐渐减小,反演精度也会逐渐提高。实际资料试算结果表明该方法是可行的,可以为高精度地震勘探提供精细的速度模型。     

基于旅行时线性插值的地震射线追踪算法

本文介绍并实现了一种由Ａｓａｋａｗａ提出的基于旅行时线性插值的地震射线追踪算法（简称ＬＴＩ算法），并在此基础上提出了反射波ＬＴＩ算法。ＬＴＩ算法基于网格单元模型，适用于任意变速介质，可以追踪包括直达波、折射波、透射波等多种射线路径。原ＬＴＩ算法处理初至类型的地震波，而本文将其推广到反射波情况，使其可以应用于计算地震反射波的旅行时及追踪反射波射线路径。通过计算试验及与物理模型实验结果对比表明，用该算     

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。     

最大熵走时波形层析成像

本文以LuoYi（1991）提出的波动方程走时反演（简称WT反演）方法为基础，将最大熵原理引入到WT反演方法中，形成了最大烟走时波形层析成像方法。在该方法中，利用n步重新开始的PRP共轭梯度法对理论走时与观测走时进行最小二乘意义下的最佳拟会。数值试验表明，这种方法抗噪声能力强，分辨率高，很适合于有限观测数据并且含有噪声的数据成像。对深地震测深观测资料进行了成像试验，并与射线CT的结果作比较，结果表明，该方法是行之有效的。     

高阶优化走时计算方法及在地震成像中的应用

本文根据水平层状介质中Snell定律的特点,提出了基于Taylor高阶展开式的优化走时计算方法。理论计算结果表明,本文所提出的高阶优化走时计算方法不仅适用于速度梯度为正的正常水平层状介质,同时,在出现负速度异常的水平介质中也有比一般Taylor展开式更高的计算精度。最后,利用本方法对川东北P区复杂山地三维地震数据进行叠前时间偏移处理,得到了较满意的结果。     

高斯束层析与全波形反演联合速度建模

基于叠前地震波场模拟的全波形反演（FWI）技术走向实用化充满挑战性。陆上地震资料的低信噪比、缺失低频、复杂近地表及三维数据的巨大内存需求和海量计算等因素都制约了FWI技术的应用推广。为此,研究并开发了高斯束层析速度建模技术,弥补了传统射线层析无法反演得到的中波数速度成分,为FWI提供了高精度宏观速度模型,有效避免了周波跳跃现象;利用基于相位匹配的互相关目标泛函取代L₂范数求解梯度,降低了反演对低频数据的依赖,有效解决了FWI海量计算难题;利用伪保守波动方程形成自伴随的正演算子,大幅度提升了基于伴随状态法的梯度计算能力,增强了反演对陆地数据的适应性,实现了陆地资料的FWI高分辨率速度建模能力。     

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。     

层速度谱

层速度是地震勘探中需要求取的一个重要参数。目前普遍采用的是由速度谱先求取叠加速度，然后再用Ｄｉｘ公式求取层速度；另外，还有新发展起来速度的层析技术。这两处方法都存在缺陷，不能满足实际工作的需要。为此本文提出了层速度谱方法，它是将层析技术与速度谱思想有机地结合起来，形成了一个求取层速度的崭新方法。它吸取了两法的优点，克服了它们各自缺点；充分利用了观测波场的旅行时信息和振幅信息，但不需要拾取旅行时，全