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。     

任意空间取向TI介质弹性波速度特征分析

相速度和群速度是表征地层介质物性特征的重要参数,在各向异性地震波传播理论研究和实际地震数据处理应用中都有重要作用。本文从本构坐标系下TI介质的弹性矩阵出发,通过Bond变换给出任意空间取向TI介质(ATI介质,Arbitrarily Transverse Isotropy)在观测坐标系下的刚度矩阵。联合弹性动力学的本构方程、柯西方程和牛顿运动微分方程,得到ATI介质的弹性波波动方程和Christoffel方程。通过本征值方法求解Christoffel频散方程,导出了ATI介质中3D相速度精确解析式;借鉴Crampin推导各向异性群速度公式的思路,推导出ATI介质中弹性波群速度公式。研究表明,本文给出的ATI介质弹性波速度解析式具有一般性,在特定条件下能退化成TTI、EDA介质,对各向异性射线追踪和偏移成像等具有重要意义。数值计算实例表明,ATI介质三维相速度和群速度曲面关于其对称轴对称,在观测坐标系下,不同类型TI介质的速度各向异性存在明显差异,据此可实现地下周期性细薄层或裂缝的走向识别。基于交错网格有限差分正演,在VTI、HTI、TTI、EDA和ATI五种TI模型介质中开展了地震波场正演模拟,对比分析了波场快照和群速度解析解,验证了ATI介质弹性波速度公式的正确性,同时明确了群速度控制着地震波场的波前形状。此外,还讨论了各向异性参数对地震体波相速度、群速度特征的影响。     

TTI介质弹性波相速度的一般性近似

弹性波速度是弹性波动力学研究的核心内容之一。倾斜横向各向同性(TTI)介质弹性波相速度的理论精确公式比较复杂。由于地球介质弱各向异性的普遍性,在理论研究和实际应用中常常采用弱各向异性假设进行简化,但是面对页岩等中强各向异性介质时,弱各向异性近似不能满足精度要求,甚至不再适用。基于前人的研究成果,从TTI介质弹性波相速度理论精确公式出发,利用近似的配方法将精确公式内的D项近似表示为两项的平方和,从而实现多项式的开方运算。在此基础上,推导了TTI介质qP波和qSV波相速度的一般性近似表达式。理论分析和数值计算结果表明:TTI介质弹性波相速度一般性近似表达式由于在推导过程中没有直接利用弱各向异性的假设,因此不仅适用于弱各向异性,也适用于中强各向异性的情况,即在较大范围内,一般性近似的精度高于弱各向异性近似的精度。并且对于同一种TTI介质,qP波的一般性近似式精度高于qSV波的精度。     

弹性波各向异性高斯束逆时偏移

弹性波高斯束逆时偏移是一种兼具计算效率和成像精度的多分量地震成像算法,具有面向目标成像的能力,但目前研究主要集中在声波各向同性、各向异性和弹性波各向同性介质,有关弹性波各向异性介质的研究较少.首先,基于地震波矢量特性,在震源点和检波点分别采用P波和S波进行射线追踪,发展了一种基于相速度的各向异性弹性波射线追踪算法,该算...     

TTI介质各向异性伪谱法逆时偏移

在Thomsen精确相速度方程和弱各向异性假设前提下,将VTI相速度方程拓展为TTI介质相速度方程,进而得到TTI介质的P波方程。利用伪谱算法对P波方程进行了正演和逆时偏移,并和各向同性F-X域深度偏移效果进行了对比,结果表明:①对于各向异性介质,利用各向同性的偏移算法得到的结果会有误差,成像结果有明显的畸变;②在考虑效率和精度的前提下,伪谱法由于其利用快速二维傅里叶变换解决空间导数的计算问题,这对于实际应用中计算成本颇高的逆时偏移是一个较理想的选择;③推导的近似方程在弱各向异性条件下可以较好地应用于TTI介质中。     

复杂介质常梯度射线追踪方法研究

射线追踪方法是研究地震波传播的重要手段。射线追踪有多种算法，相比而言，以Langan等人的算法最好，它不仅适用于复杂介质模型，而且能够保证计算精度及效率。本文对Langan(1985)提出的基于程函方程的常梯度速度射线追踪方法进行了深入的研究，并对该射线追踪方法的实现以及在复杂介质的速度建模中的应用进行了有益的探索。算法中考虑了反射波、透射波和临界反射。理论试算进一步表明，该射线追踪方法对复杂介质具有较好的适应性。     

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。     

各向异性介质共炮域高斯束偏移

在Zhu等提出的基于相速度的各向异性高斯束偏移方法的基础上,修改了运动学和动力学射线追踪方程,并且通过对射线追踪方程中的系数进行近似,简化了动力学射线追踪方程,实现了基于相速度的各向异性介质共炮域高斯束叠前深度偏移成像。通过各向异性水平层状模型分析了各向异性参数对本文研究方法的影响,证明各向异性介质偏移成像需要获得准确的速度场和各向异性参数场,这是实现各向异性偏移成像的关键。二维Hess VTI模型试算结果表明,本文方法能够对复杂的各向异性地质构造进行有效成像,充分证明了方法的有效性。与传统的基于弹性参数的各向异性介质高斯束偏移成像方法相比,本文方法在计算效率和适应性方面具有更多优势,更适合处理实际地震资料。     

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。     

VTI介质快速偏移速度分析

针对由反射数据难以同时估计垂向速度和各向异性参数,本文首先将地下介质近似为可分解VTI介质,其次通过介质参数更新和叠前深度偏移两步迭代进行偏移速度分析。为了解决应用中遇到的射线追踪精度与计算效率问题,本文依据可分解VTI介质,给出了-种射线追踪算法,可大幅度减少弹性模量空间求导运算;此外通过变旅行时步长样点方式,提高了点到面射线追踪计算炮检距的精度。数值模型应用表明,该方法能快速收敛于理论模型,且计算效率约是常规VTI介质偏移速度分析的4倍,是叠前深度偏移速度建模快捷且接近实际地质模型的-种方法。     

各向异性介质中高斯射束深度偏移

目前使用的高斯射束偏移(GBM)法,在处理各向同性非均匀介质问题时是有效的 该法以求解射线中心坐标波动方程为基础。本文将该法推广应用于求解各向异性非均匀介质的2D偏移问题,将高斯一射束法由各向同性介质推广到各向异性介质时,需要修改射线追踪的运动学特性。当各向异性介质中的旁轴展开的精度与各向同性介质中的旁轴展开相当时,其射线追踪要比在各向同性介质中慢得     

二维TTI介质的纯P波波动方程数值模拟

声波各向异性数值模拟对地震数据处理和解释起着重要的作用。基于Tsvankin提出的精确色散关系,通过平方根近似,在时间-波数域中推导出二维TTI介质纯P波声波波动方程,并利用快速展开法(Rapid Expansion Method,REM)进行了数值模拟。与传统的有限差分法求解二维TTI介质耦合方程和傅里叶有限差分法在时间上进行波场外推相比,该方法的模拟结果精度更高,计算速度更快,并且成功去除横波分量。     

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介质一阶qP波方程交错网格伪谱法正演模拟

受TTI声介质强各向异性和对称轴极化倾角急剧变化的影响,传统有限差分法正演模拟易出现不稳定现象。本文基于TTI介质二阶耦合准纵(qP)波方程,推导了TTI介质一阶速度-应力方程,构建了交错网格中基于完全匹配层(PML)吸收边界条件的高阶有限差分格式;通过引入基于PML原理的一阶qP波方程伪谱法递推格式,实现了TTI介质qP波波场的稳定延拓。对二维TTI介质Wedge和BP模型的正演模拟试算结果表明:基于伪谱法递推格式实现的TTI介质正演模拟法,能较准确且稳定地模拟强各向异性及倾角变化剧烈区域的地震波场,验证了本文方法的有效性和较强适应性。     

基于最佳平方逼近的TTI介质解耦qP波与qSV波逆时偏移

在实际地震资料处理中,若忽略各向异性影响、TTI介质对称轴倾角变化,会造成目标体成像位置偏差,甚至由焦散问题造成振幅不均衡。传统TI介质耦合拟声波方程正演模拟与逆时偏移存在伪横波干扰,且在各向异性参数ε<δ时数值模拟不稳定。为此,借鉴前人经验,首先使用最佳平方逼近（OQA）近似VTI介质精确相速度公式,分别得到较高精度的近似qP波、qSV波相速度公式。然后从近似相速度公式出发,推导了二维TTI介质解耦qP波、qSV波波动方程。为实现高效、稳定的数值模拟,使用有限差分-伪谱混合法求解波动方程。最终,建立了高精度、高效率、稳定的TTI介质正演模拟与逆时偏移成像算法。数值模拟实验表明,所提方法可实现复杂TTI介质偏移成像。     

常速度梯度射线追踪与二维层速度反演

速度问题是勘探地震学的核心 ,可以借助常速度梯度射线追踪方法 ,从反演的角度探讨速度建模问题。在射线追踪方面 ,从程函方程出发 ,将复杂的速度场剖分成小的矩形单元 ,并假设在每个矩形单元内速度具有常速度梯度 ,由此导出的一组常速度梯度射线追踪公式 ,可实现非均匀介质的射线追踪 ,具有适应性强、精度高和快速的优点。在层速度反演方面 ,采用相干速度反演的思想 ,根据各向同性介质中 ,零偏移距射线在界面处是法向入射的原理 ,建立了合成共中心点道集与射线深度偏移的正反演关系 ,由此利用合成共中心点道集与观测的共中心点道集逼近 ,采用层剥离方法进行层速度反演。通过理论推导与模型试算得到如下的认识与结论 :常速度梯度射线追踪具有较高的计算精度与效率 ,公式采用向量形式很容易推广到三维 ;确定层速度采用的是正反演相结合的方法 ,可得到稳定的速度场 ;该方法屏弃了基于双曲时矩关系确定层速度场的假设 ,使其能适应任意的速度分布。     

倾斜正交各向异性介质中多次反射qP波射线追踪

实际地层中常发育裂隙，表现出正交各向异性介质特征。为研究此类复杂介质中qP波的传播规律以及计算旅行时和射线路径，首先从Christoffel方程出发讨论了正交各向异性介质中qP波相速度和群速度的计算方法，并利用旋转矩阵求得倾斜正交各向异性介质的群速度分布，然后结合分区多步改进型最短路径算法，实现了在倾斜正交各向异性介质中追踪直达、反射和多次反射qP波。求取群速度分布时，引入了球面三角剖分算法确定近似均匀分布的相速度方向采样点，能够节省约一半的计算量；此外采用GPU并行计算技术可进一步提高计算效率。数值模拟结果表明，该算法旅行时计算相对误差不超过0.35%,具有较高的稳定性和计算精度，可应用于追踪复杂的多次波；效率分析结果显示，求取群速度分布是较为耗时的过程，串行程序中该过程约占总耗时的61%,采用GPU并行计算后，计算效率提高了近30倍。     

一种新的基于多模板快速推进算法和最速下降法的射线追踪方法

本文提出了一种新的射线追踪方法,该方法将射线追踪分为两个过程:首先使用多模板快速推进算法(MSFM)从源点开始计算已知速度场各网格节点的波前传播时间;然后使用最速下降方法从接收点开始向源点沿旅行时梯度最快下降方向追踪射线路径。与传统的快速推进方法(FMM)及其改进算法相比,多模板快速推进算法(MSFM)使用两个模板计算邻点旅行时,同时考虑了水平、垂直及对角线方向上的信息,能大大提高旅行时的计算精度和计算效率。为了验证新射线追踪方法的计算精度和计算效率,本文对两个速度模型进行了数值模拟,并将模拟结果与基于FMM和高精度快速推进方法(HAFMM)的最速下降射线追踪方法计算结果进行对比。对比结果表明,本文方法是一种有效的射线追踪方法,并且在计算精度和计算效率上都优于基于FMM和HAFMM的射线追踪方法。     

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。     

非均匀节点网格TI介质反射波射线追踪研究

地下介质不仅具有各向异性性质,还存在一定程度的复杂地质构造。运用均匀节点网格射线追踪方法计算旅行时要求网格单元的划分非常小以达到较高的旅行时精度,这种做法会产生大量的网格单元从而降低计算效率。基于均匀节点网格算法,研究了非均匀节点网格TI介质反射波射线追踪方法,采用较大的网格单元,通过在网格单元的每条边增加次一级节点来提高旅行时计算的精度与效率。首先讨论了qP,qSV和qSH波的群速度计算方法,然后给出了非均匀节点网格TI介质反射波射线追踪算法,最后分别求取了3种不同对称轴倾角的TI介质起伏地层模型qP,qSV和qSH反射波的射线路径和旅行时。结果表明:1非均匀节点网格射线追踪算法能够适用于复杂TI介质模型;2相同模型中不同波模式具有不同的反射路径和旅行时;3相同波模式在不同对称轴倾角模型中也具有不同的反射路径和旅行时。