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(fù)雜地區(qū)地震勘探問題的關(guān)鍵，利用初至波走時(shí)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(fù)雜模型接收到的初至波可能是直達(dá)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(shí)際介質(zhì)模型。當(dāng)?shù)乇斫Y(jié)構(gòu)復(fù)雜時(shí)和初至波難以識(shí)別時(shí)，折射波成像方法常常是不實(shí)際的和無效的。 圖1.層狀介質(zhì)的初至波 圖2.初至波時(shí)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(diǎn)?；卣鄄▽游龀上衲芡瑫r(shí)考慮直達(dá)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(shè)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(gè)單元速度為常速，用約束阻尼同時(shí)迭代重建技術(shù)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(diǎn)速度的雙線性函數(shù)表示，用最短路徑射線追蹤方法計(jì)算射線路徑和走時(shí)，。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(guān)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(yīng)用。初至波層析方法的分類：按所用地震剖面的屬性： 走時(shí)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(dòng)方程層析成像（基于波動(dòng)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(xì)結(jié)構(gòu)，而層析成像的結(jié)果目前主要是通過對初始模型進(jìn)行多次迭代得到的。鑒于初始模型與真實(shí)地下結(jié)構(gòu)的相似度直接關(guān)系到成像的結(jié)果能否客觀地反應(yīng)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(jì)算，缺點(diǎn)在于對局

4、部小尺度地區(qū)成像時(shí)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(diǎn)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(xì)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(gè)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(fù)雜介質(zhì)的非均勻性。采用網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)法來對地球結(jié)構(gòu)進(jìn)行模型化，這種方法是把節(jié)點(diǎn)上的速度作為未知參數(shù)，而其他任意點(diǎn)的速度值是將該點(diǎn)周圍8個(gè)節(jié)點(diǎn)的速度進(jìn)行內(nèi)插求出。這種方法的特點(diǎn)是，在反演時(shí)，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(jì)算地震波理論走時(shí)和傳播路徑的整個(gè)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(shí)，處于同一相位的點(diǎn)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(fèi)馬原理和惠更斯原理來重建射線路徑，并計(jì)算射線的旅行時(shí)，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(diǎn)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(shí)，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(diǎn)的初至波時(shí)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(jìn)后的偽彎曲法（pseudo一bendingmethod），擾動(dòng)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(diǎn)，如使用打靶法只能找到最小的絕對走時(shí)，不能追蹤影區(qū)的射線，計(jì)算也比較慢；彎曲

7、法速度較快，但可能找到局部最小走時(shí)；有限差分法計(jì)算走時(shí)比較精確，但運(yùn)算量大，耗時(shí)較長，效率不高；擾動(dòng)法只能在較小程度的擾動(dòng)情況下適用等。而在層析成像計(jì)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(shí)的計(jì)算要快速、準(zhǔn)確。還有一種正演的方法就是波動(dòng)方程的數(shù)值模擬的方法。當(dāng)構(gòu)造比較復(fù)雜時(shí)，或有間斷面的存在，可能出現(xiàn)無法追蹤到準(zhǔn)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(jì)算是一個(gè)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(jì)算方法都有優(yōu)缺點(diǎn)，所以在實(shí)際應(yīng)用中，往往將2種不同的數(shù)值模擬方法相結(jié)合

8、，取長補(bǔ)短，提高數(shù)值模擬的精度和對模型的適應(yīng)性。例如利用有限元法計(jì)算模型的周邊區(qū)域的波場值，同時(shí)利用偽譜法計(jì)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(dòng)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(luò)法等。在線性反演中，最早的是代數(shù)重建技術(shù)，它是按射線依次修改有關(guān)像元的圖像向量的一類迭代算法，計(jì)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(shí)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?jiān)葘⑦z傳算法和模擬退火法應(yīng)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(jī)優(yōu)化過程中，把多尺度反演和遺傳算法反演結(jié)合起來，從而提出了多尺度逼近的遺傳算法。5、 解的評價(jià)地球內(nèi)部層析成像結(jié)果不僅反應(yīng)真實(shí)速度結(jié)構(gòu)的非均勻性，而且還反映因?yàn)閿?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(shí)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(dǎo)致最終圖像的虛假異常。在層析成像整個(gè)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(jì)算相應(yīng)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(shù)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(shí)驗(yàn)來評估反演結(jié)果，這一過程稱為“敏感性分析“。其常用方法有7種。脈沖響應(yīng)檢驗(yàn)，通過模擬一處異常體來驗(yàn)證輸入的脈沖擾動(dòng)是否影響反演結(jié)果。數(shù)據(jù)排列檢驗(yàn)，通過對隨機(jī)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(hào)輸入對反演結(jié)果可能的影響上限。也可以通過對高斯噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行反演，得到數(shù)

11、據(jù)隨機(jī)誤差對結(jié)果的可能污損程度，以檢驗(yàn)提供非隨機(jī)分布的實(shí)際資料誤差對反演結(jié)果影響的最差估計(jì)。檢測板分辨率測試，通過正負(fù)相間規(guī)則的異常擾動(dòng)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(gòu)造一系列的數(shù)值試驗(yàn)來對最終模型進(jìn)行重建分析，是地震成像中一種常用的結(jié)果檢驗(yàn)方法。檢測板方法的基本原理是構(gòu)造一個(gè)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(dòng)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(jìn)行反演計(jì)算得到速度模比較其與實(shí)際觀測數(shù)據(jù)得到的速度模型的差異和棋盤格恢復(fù)程度來估計(jì)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(jià)方法。尖峰實(shí)驗(yàn)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