地震數(shù)據(jù)與處理.

1、初至波層析成像1、 簡介近地表速度信息的確定是解決復雜地區(qū)地震勘探問題的關鍵，利用初至波走時層析成像重建近地表速度模型，是確定近地表速度信息的有效手段。近地表速度復雜模型接收到的初至波可能是直達波、折射波、回折波等多種波的組合。傳統(tǒng)的折射波成像，是基于層狀介質(zhì)模型來表示實際介質(zhì)模型。當?shù)乇斫Y構復雜時和初至波難以識別時，折射波成像方法常常是不實際的和無效的。 圖1.層狀介質(zhì)的初至波 圖2.初至波時距曲線隨著基于Fermat原理的多種射線追蹤方法的使用，回折波層析成像成為層析成像研究的熱點?；卣鄄▽游龀上衲芡瑫r考慮直達波!回折波!透射波!折射波等初至波，可以較好的模擬介質(zhì)橫向和縱向的速度變化。朱等

2、提出了彎曲射線層析成像確定近地表速度的層析成像方法假設介質(zhì)速度雖深度線性變化，介質(zhì)被離散成矩形單元，每個單元速度為常速，用約束阻尼同時迭代重建技術反演。李錄明等把近地表模型離散成矩形單元，單元內(nèi)的速度用單元節(jié)點速度的雙線性函數(shù)表示，用最短路徑射線追蹤方法計算射線路徑和走時，。用帶阻尼的最小QR分解算法反演。張建中等采用雙線性函數(shù)表示速度單元，用LSQR算法反演，取得了一定的效果。在反演問題中，在傳統(tǒng)的線性迭代反演中，反演方法容易陷入局部極小解。非線性反演局部優(yōu)化反演方法逐漸得到了關注，但這種方法依賴于初始模型的選取，模擬退火法，遺傳算法等全局優(yōu)化方法克服了上面方法的確定，不依賴于初始模型的選取

3、，但這類算法的效率太低，極大影響了全局優(yōu)化的廣泛應用。初至波層析方法的分類：按所用地震剖面的屬性： 走時層析成像 波形層析成像按成像所利用的理論： 射線層析成像（基于射線理論） 波動方程層析成像（基于波動理論）按所用數(shù)據(jù)類型： 反射層析成像 透射層析成像 折射層析成像2、 模型參數(shù)化地震層析成像的目的是得到地球內(nèi)部的三維精細結構，而層析成像的結果目前主要是通過對初始模型進行多次迭代得到的。鑒于初始模型與真實地下結構的相似度直接關系到成像的結果能否客觀地反應地下物質(zhì)的屬性，因此，初始模型的選擇顯得尤為重要。模型參數(shù)化有2種方法，一種是全球法，這種方法用的參數(shù)較少，模型緊湊且便于計算，缺點在于對局

4、部小尺度地區(qū)成像時分辨率相對較低，模型邊界不穩(wěn)定；另一種是局部法，包括塊體和網(wǎng)格節(jié)點2種方式，首次提出用均勻的六面體來表示初始模型，并給出了詳細的算法，六面體的中心速度表示其整體速度，這種方法稱為分塊法，也叫塊體法。隨后提出用多個尺度不同的六面體來描述模型空間，即為可變塊體法，但這類方法仍然不能較好地表示模型空間內(nèi)復雜介質(zhì)的非均勻性。采用網(wǎng)格節(jié)點法來對地球結構進行模型化，這種方法是把節(jié)點上的速度作為未知參數(shù)，而其他任意點的速度值是將該點周圍8個節(jié)點的速度進行內(nèi)插求出。這種方法的特點是，在反演時，可以充分利用已有的數(shù)據(jù)特征，降低解的不穩(wěn)定性，從而提高地震層析成像的精度，可以來模擬局部小異常。3、

5、 正演正演就是指根據(jù)地震波的初始速度場計算地震波理論走時和傳播路徑的整個過程，地震波傳播過程中，傳播路徑取決于地下介質(zhì)的速度分布。我們可以用地震射線或波前來表示地震波的傳播。波前就是指波在傳播時，處于同一相位的點連接而成的等值線，地震射線沿波前的法線的方向傳播。射線追蹤是近年來常用的確定射線路徑的比較有效的方法。幾何射線法又稱為射線追蹤法，幾何射線法的主要原理是，在高頻近似條件下，地震波的主能量沿射線路徑問題。根據(jù)以上討論，我們可以利用費馬原理和惠更斯原理來重建射線路徑，并計算射線的旅行時，以得到快速的解。射線追蹤是把地震波在介質(zhì)中連續(xù)傳播的波離散成一條射線來研究，從激發(fā)點出發(fā)將射線分為若干段

6、，逐段求解，求出每段射線的軌跡和走時，依次累加，最后就得出了介質(zhì)中射線分布以及地面上接收點的初至波時距曲線。初至波射線追蹤法是我們在研究地震波在介質(zhì)中的傳播問題中的很有效的一種方法。近些年來，發(fā)展出了很多種行之有效的射線追蹤算法：打靶法（shootingmethod），彎曲法（bendingmethod）和改進后的偽彎曲法（pseudo一bendingmethod），擾動法（periurbationmethod），有限差分法（finitediffereneemethod）以及逐次迭代射線追蹤。上述射線追蹤算法各有優(yōu)缺點，如使用打靶法只能找到最小的絕對走時，不能追蹤影區(qū)的射線，計算也比較慢；彎曲

7、法速度較快，但可能找到局部最小走時；有限差分法計算走時比較精確，但運算量大，耗時較長，效率不高；擾動法只能在較小程度的擾動情況下適用等。而在層析成像計算中由于所用到的數(shù)據(jù)量比較大，就要求射線路徑的追蹤和地震波走時的計算要快速、準確。還有一種正演的方法就是波動方程的數(shù)值模擬的方法。當構造比較復雜時，或有間斷面的存在，可能出現(xiàn)無法追蹤到準確射線路徑的情況，而全波場就不存在這樣的問題。地震波場的正演數(shù)值計算是一個求解變系數(shù)偏微分方程的過程。目前，解偏微分方程比較常用的方法有限差分法、有限元法、邊界元法、偽譜法和積分法等。由于各種計算方法都有優(yōu)缺點，所以在實際應用中，往往將2種不同的數(shù)值模擬方法相結合

8、，取長補短，提高數(shù)值模擬的精度和對模型的適應性。例如利用有限元法計算模型的周邊區(qū)域的波場值，同時利用偽譜法計算模型內(nèi)部區(qū)域的波場值，這樣使得自由邊界條件能夠自動滿足，人工邊界的反射也容易消除。4、 反演地震層析成像反演方法可以分為2類，第一類是基于算子的線性反演方法，包括奇異值分解法、共軛梯度法、最小二乘法和阻尼最小二乘法等; 另一類是基于模型的完全非線形反演方法，包括遺傳算法、模擬退火法和神經(jīng)網(wǎng)絡法等。在線性反演中，最早的是代數(shù)重建技術，它是按射線依次修改有關像元的圖像向量的一類迭代算法，計算速度快，但是迭代收斂性能差。聯(lián)合迭代重建法是在某一輪迭代中，通過前一輪的近似值來修改所有像元上的圖像

9、函數(shù)平均值，常旭指出，聯(lián)合迭代重建法雖然要求內(nèi)存較大，但它的收斂性好。最小二乘正交分解法，利用lanczos方法來求解最小二乘問題，它克服了代數(shù)重建法的不穩(wěn)定性，同時又節(jié)約了內(nèi)存，因此是一種理想的線性反演方法。在層析成像中，非線性反演法研究得最多，張元生等將遺傳算法和模擬退火法應用到層析成像中; 裴正林等將小波多尺度分析思想引入到隨機優(yōu)化過程中，把多尺度反演和遺傳算法反演結合起來，從而提出了多尺度逼近的遺傳算法。5、 解的評價地球內(nèi)部層析成像結果不僅反應真實速度結構的非均勻性，而且還反映因為數(shù)據(jù)誤差、有限的地震射線采樣、模型參數(shù)化、線性化以及實施算法等因素帶來的影響。這些影響不能輕易地被分離出

10、來，因而經(jīng)常導致最終圖像的虛假異常。在層析成像整個過程中，得到一幅圖像并不是研究中最困難的，主要的難題在于區(qū)分以上所有提及因素最終在影像中造成了何種影響。反演問題的解必須計算相應的分辨率和協(xié)方差矩陣。對大型反演，目前一般采用迭代的方式，如LSQR、SIRT等技術求解，但是不可能給出分辨率矩陣。在這種情況下，就需要用數(shù)值模擬實驗來評估反演結果，這一過程稱為“敏感性分析“。其常用方法有7種。脈沖響應檢驗，通過模擬一處異常體來驗證輸入的脈沖擾動是否影響反演結果。數(shù)據(jù)排列檢驗，通過對隨機排列的數(shù)據(jù)向量，以反演的方式來給出無序數(shù)據(jù)信號輸入對反演結果可能的影響上限。也可以通過對高斯噪聲數(shù)據(jù)進行反演，得到數(shù)

11、據(jù)隨機誤差對結果的可能污損程度，以檢驗提供非隨機分布的實際資料誤差對反演結果影響的最差估計。檢測板分辨率測試，通過正負相間規(guī)則的異常擾動模型來調(diào)查反演解的分辨情況。檢測板測試（checkerboard）采用與反演過程中一致的觀測系統(tǒng)來構造一系列的數(shù)值試驗來對最終模型進行重建分析，是地震成像中一種常用的結果檢驗方法。檢測板方法的基本原理是構造一個與解模型較為接近的模型，采用同樣的觀測數(shù)據(jù)方案和正反演方案，如果該模型與解模型的差別能夠較好地被重建，則解模型視為可靠。用加了速度擾動的速度模型型，正演得到一組數(shù)據(jù)，然后對此數(shù)據(jù)進行反演計算得到速度模比較其與實際觀測數(shù)據(jù)得到的速度模型的差異和棋盤格恢復程度來估計解的可靠性。線性反演理論法，該法引用經(jīng)典的BG廣義線形反演理論，利用模型分辨率矩陣、數(shù)據(jù)分辨率矩陣和協(xié)方差矩陣來描述解的評價方法。尖峰實驗法，該方法是通過使用合成數(shù)據(jù)去獲得分辨率矩陣的列矢量，以測試