三维高斯射线束正演的研究与实现

三维地震数值模拟在复杂地区的地震勘探中起着非常重要的作用,目前常用的正演方法是波动方程法和射线法,波动方程法精度高但效率很低,射线法效率高但精度低,都不能很好地满足复杂三维模型的正演需要.高斯射线束正演方法是一种快速的地震记录合成方法,它将波动方程和射线理论紧密结合起来,通过运动学射线追踪获取射线轨迹,通过动力学追踪来获取中心射线附近的高频能量分布,因而既能反映波的运动学特征,又能表现波的动力学特点,并且具有运算速度快、精度高等优点,能够有效解决复杂三维模型的正演问题.     

三维射线快速追踪及高斯射线束正演

 射线正演方法在复杂地区的地震勘探中起着非常重要的作用,然而随着野外勘探条件复杂程度的增加,三维地质模型也更加复杂化,普通射线正演方法在精度和速度上都不能很好地满足实际生产的需要。为了解决复杂三维介质的地震数值模拟问题,本文研究了块状三维地质模型的快速射线追踪和高斯射线束正演方法。与普通的射线正演方法不同,该方法将波动方程和射线理论紧密结合起来,通过运动学射线追踪获取射线轨迹,通过动力学追踪获取中心射线附近的高频能量分布,因而既能反映波的运动学特征,又能表现波的动力学特点,并且具有运算速度快、精度高等优点,能够有效地解决复杂三维介质的正演模拟问题。     

二维高斯射线束地震模型

高斯射线束方法是将波动方程和射线理论相结合的一种地震正演模型方法。文中叙述了二维高斯射线束的基本理论及合成地震图的方法,并给出了若干地质模型的计算实例。二维弹性介质地震模型的高斯射线束方法能计算横向不均匀介质复杂地质构造的地震波场(包括P波、SH波和转换波),其特点是计算中无奇异区,运行速度快,与常规射线追踪法相当。用该方法计算的波场不仅能反映波的运动学特点,而且能反映波的高频动力学特点,计算结果可与有限差分法的计算结果相比。     

能量约束下的高斯射线束法地震波场正演

高斯射线束法同时考虑波的运动学和动力学特征,并且无需两点试射追踪,因此运算速度快、精度较高。Zoeppritz方程反映了地层界面上反射波和透射波的能量。本文将高斯射线束正演与Zoeppritz方程联系起来,将高斯射线束正演得到的波场记录赋予能量信息,并利用模型对波动方程、常规射线法和本文方法的计算精度和效率进行了对比,验证了本文方法的可行性和有效性。     

高斯束深度偏移的实现与应用研究

高斯射线束(高斯束)的本质是利用傍轴近似方程在射线中心坐标系中描述波传播。高斯束偏移包括单个高斯束的求解及所有高斯束叠加成像两步骤。单个高斯束分两步求得,即通过运动学射线追踪求取中心射线的路径及走时;通过动力学射线追踪获取中心射线附近的高频能量分布。利用相互独立的高斯束描述波传播,既保持了射线方法的高效性和灵活性,又考虑了波场的动力学特征。高斯束偏移利用相互独立的高斯束叠加成像,解决了射线类方法中的多路径问题,兼具了初至波到达时Kirchhoff积分偏移的灵活性和波动方程偏移的精确性。高斯束偏移方法没有成像倾角限制,并且只需在射线追踪时引进高程管理即可将其应用至起伏地表情况,避免了复杂区的静校正问题,提高了起伏地表地震数据的成像精度。理论数据和实际数据的试验结果证明了该技术的有效性与优越性。     

高斯射线束正演与偏移

 本文在介绍高斯射线束原理和正演的基础上，从叠后偏移开始分析了高斯射线束偏移的基本原理，并给出了优化的思路和具体的算法流程。高斯射线束是波动方程集中于射线附近的高频近似解，高斯射线束法将射线理论和波动方程方法紧密结合在一起，利用高斯束替代普通射线方法中的射线进行波场正演和延拓，既保持了射线方法的高效性和灵活性，又保留了波场的动力学特征，不仅克服了普通射线方法的一些缺点，而且由于无需两点试射，因而效率非常高。将高斯射线束法引入偏移，利用高斯射线束的性质，可以解决基尔霍夫方法的多值走时问题。模型试算表明，本文介绍的高斯射线束偏移方法能够充分利用高斯射线束的优势，既具有较高的效率又能够获得较好的成像效果。     

各向异性介质共炮域高斯束叠前深度偏移

高斯束偏移作为一种射线类偏移方法的改进算法,兼顾了成像精度和运算效率,越来越受到人们的关注。在传统高斯束叠前成像算法的基础上,引入地下介质各向异性参数,通过修改运动学和动力学射线追踪方程,发展了基于各向异性介质的共炮域高斯束叠前深度偏移方法。简单各向异性洼陷模型和国际标准各向异性Hess模型的试算结果表明:各向异性参数对地震记录的大偏移距信息影响较大;对于地层各向异性不能忽略的探区,采用基于各向异性介质的高斯束成像方法能够更加准确地刻画复杂的地下构造。     

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。     

斜井VSP高斯射线束正演方法

高斯射线束正演方法是一种将波动方程和射线理论相结合的方法,适用于复杂地质构造,与常规射线正演模拟方法相比,高斯射线束正演结果不仅包含了运动学变化信息,并且具有较合理的动力学变化特征,不存在盲区问题。文中针对理论和实际正、逆断层模型,开展了斜井VSP观测方式下的P波波场正演模拟,探讨了采用斜井VSP高斯射线束正演方法模拟波场的断层异常特征及其识别问题,结果表明该方法可有效解决因盲区造成的运动学信息不完整及波场振幅保真问题,其运算速度相比波动方程有限差分法提高了100倍以上。     

复杂介质多波地震正演模拟的动力学射线追踪法

介绍了根据斯奈尔定律和Zoeppritz方程,以动力学射线追踪进行二维各向同性介质多波地震正演模拟的一种方法.该方法不仅适用于复杂的地质构造情况,而且也适用于地层速度纵向和横向变化的情况;不仅可以追踪地震波的射线旅行时,也考虑了地震波在地层界面处的透射和反射损失等因素,从而可追踪地震波的动力学特征.该方法速度快、精度高,是一种比较实用的动力学射线追踪方法.     

三维高斯射线束法合成三分量VSP记录

本文首先给出了三维高斯射线事束的表达式，然后讨论了用三维高斯射线束合成地震记录的方法，最后举出了几个地质模型合成三分量ＶＳＰ记录的算例。     

稳定波束法地震波场模拟技术

稳定波束法地震波场模拟技术将波动理论与射线理论有机的结合起来，是一项新的地震波场模拟技术，该技术不仅很好的利用线性元模型解决了“两点射线追踪”的难题，而且波场合成结果包含了精确的边缘绕射波场。介绍了稳定波束法地震波场模拟技术的基本原理，并利用模型模拟实验方法对该项技术进行了验证，实验结果证明稳定波束法地震波场模拟技术与传统的射线理论方法相比绕射波模拟精度完全达到了要求，与传统的波动理论方法相比计算速度快，是一种适合于复杂地质模型的地震波场模拟技术，在实际生产中利用该项技术对处理流程与处理参数进行了验证处理，从而提高了处理流程与处理方法的可靠性。     

声波各向异性时间域高斯束叠前深度偏移

作为一种改进的射线类偏移方法,高斯束偏移不仅具备射线类偏移灵活、高效的特性,而且还拥有接近波动类偏移的成像精度。与传统频率域高斯束偏移相比,时间域高斯束偏移通过调整成像公式,把频率域积分转换为成像时刻的函数,提升了计算效率。随着地震采集方位角的变宽和观测排列的加长,各向异性对地震偏移成像的影响变得不容忽略。文中将基于相速度的各向异性射线追踪算法应用于时间域高斯束偏移,并对动力学射线追踪相关系数进行优化,形成一种更高效的各向异性声波时间域高斯束偏移方法。模型试算表明,相比于其他各向异性算法,在保证成像精度前提下,所提方法具有更高计算效率和更强适用性,尤其适用于各向异性复杂构造成像。     

二维复杂介质声波波场的射线解

从声波波动方程出发，在波动理论的高频近似下，导出了有限差分射线走时计算方法，并利用声传播的可逆性和费马原理建立射线路径，充分考虑实际激发的声波具有有限带宽的特点，用“波径”来描述射线，考虑到复杂介质易出现焦散现象，采用了在相空间中计算波场。该方法可以克服常规射线方法在介质复杂时易出现焦散和射线阴影区的缺陷，经理论模型验证，证明了该方法的正确有效性。另外，该方法计算精度较高，计算速度较快，可用于波场的模拟和格林函数计算，有实际价值。     

复杂三维地层建模及快速射线追踪的研究与实现

利用射线法进行三维正演模拟,需要建立三维地层模型,并进行三维射线追踪.然而三维地层建模,特别是复杂模型的构造通常比较困难,为此提出了一种利用二维地质剖面构建三维地层模型的算法,该方法以用户编辑的二维地质剖面作为原始资料,自动构造初始模型,经细化处理后输出光滑、细腻、合理的三角网格模型,有效地解决了复杂地层建模的问题.离散的三角网格可以描述复杂的地质构造,但是由于包含大量三角形,使得射线追踪效率比较低.因此介绍了利用空间包围盒在三角网模型上进行快速射线追踪的方法,利用该方法可以在复杂模型上快速完成上万条射线的射线追踪,追踪速度快而且精度高,具有很强的实用价值.     

基于薄层模型的有限频率地震波射线追踪

基于Fermat原理的射线追踪方法都是假定地震波的频率为无限，从而求取最小旅行时所对应的路径。然而实际地震波的频率是有限的，地震波主要在Fresnel带内沿尽可能短的路径进行传播。为了使得到的射线路径更符合实际情况，在原弯曲射线法的目标函数中加入一项与射线长度有关的惩罚项，实现了基于薄层介质模型的有限频率地震射线近似追踪。理论例子表明，该方法简单，计算速度快，效果良好。     

起伏地表的单程波动方程地震叠前正演

对于起伏地表条件下的地震叠前正演，射线追踪法可以灵活地处理起伏的地表条件，但是只包含了波的运动学特征，而且对复杂构造会出现盲区；而全程波动方程法，不仅计算效率低，而且正演记录的信噪比低。基于等时叠加原理和数学检波器的工作原理，灵活地将炮点和检波点布置于地表或地下的任何位置，提出了一种新的适用于起伏地表的单程波动方程地震叠前正演方法。该方法可以根据地质构造的复杂性，灵活地选取各种单程波场延拓算子进行计算，具有很强的适用性。两组数值模拟实验的结果表明该方法不仅具有很快的计算速度，而且可以获得没有直达波、多次波和其他干扰的高信噪比的共炮点叠前地震记录。此外，该方法不仅在理论上进一步推进了波动方程叠前正演的发展，而且具有很强的实际应用价值。     

基于C++语言实现波前构建射线追踪

 针对波前构建法射线追踪在实现波前路径计算过程中存在的困难，本文提出一种基于C++语言的实现方法。C++实现避免了由于射线插值(新射线的插入)和网格变换(由射线网格到矩形网格之间的变换)所造成的数据重排和标记等问题，在程序的计算过程中，可以随时对数据进行插入而不必考虑其定位。从运动学射线追踪系统出发，首先对波前构建法的基本方程、数值计算方法进行简要回顾；然后介绍C++实现中用到的类和函数，给出程序的设计思想和实现步骤。实例分析表明，用C++语言实现波前构建法射线追踪能够在很大程度上降低工作难度，而且计算速度快、效率高，在程序实现中所用到的所有类和函数都是独立的子函数和程序，不依赖于任何平台和库函数，具有很好的移植性。     

井间地震和逆VSP联合层析成像

在研究井间地震和逆ＶＳＰ联合层析成像时，充分考虑了波射线在纵、横向非均匀介质中的弯曲效应。首先采用打靶法进行两点射线追踪，用奇异值分解法解病态方程；然后设计了一个理论模型进行试验，并用上述方法对实际井间地震和逆ＶＳＰ资料进行处理，获得令人满意的效果。当地下介质比较复杂时，利用射线追踪可能出现盲区。为了克服盲区给反演计算带来的影响，可对盲区改用直射线代替曲射线追踪。