成像和反演簡介

Imagingandinversion—Introduction成像和反演一簡介地震成像和反演技術(shù)是用于將記錄下來的地震波場轉(zhuǎn)換為具有物理意義的易于分辨的地球內(nèi)部的圖像。相應(yīng)方法經(jīng)常應(yīng)用在具有一定規(guī)模的淺層調(diào)查，通過表征礦物儲(chǔ)層和油氣勘探，氣體封存，熱液研究，由此對(duì)地殼、地幔、地核進(jìn)行局部和全球的地震探測。相關(guān)方法正加強(qiáng)利用全波場和復(fù)雜的采集策略，和不同的工業(yè)分支一樣，在學(xué)術(shù)界快速發(fā)展。受啟發(fā)于在2008年4月成功舉行的歐洲地球物理學(xué)會(huì)年會(huì)上關(guān)于地震反演成像的研究進(jìn)展，我們打算為地球物理組織這樣一個(gè)特殊部分并且邀請論文描述相關(guān)理論，應(yīng)用，及先進(jìn)的成像/反演方案的好處。我們的宗旨就是回顧這些技術(shù)的理論及其在不同范圍，不同地質(zhì)背景內(nèi)的應(yīng)用。我們希望不僅能夠促進(jìn)那些為不同目標(biāo)工作的不同團(tuán)體傳遞知識(shí)和相互交流，而且能夠鼓勵(lì)那些改進(jìn)了成像/反演和地層表征的新的具有獨(dú)立規(guī)模的成像/反演技術(shù)的發(fā)展。在2008年12月31日提交截止后，我們收到了60多篇論文，其中48篇論文被收錄在這個(gè)附錄中。其他的一些論文仍在修改中，將很有希望在以后一期的GEOPHYSICS上刊登。作者的比例大約是學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)和工業(yè)一比一。論文主題十分廣泛，涵蓋了不同的方法技術(shù)和反演問題的不同方面，從鉆孔研究到區(qū)域地殼調(diào)查，還有大量的論文對(duì)非盈利性的應(yīng)用進(jìn)行了描述。這些都反映出了這個(gè)研究領(lǐng)域的廣泛興趣，也表明了這特別的一期的最初目的已經(jīng)成功的達(dá)到了。我們已經(jīng)把這些論文歸為四個(gè)主要類別，分別為（1）深度成像，（2）旅行時(shí)間層析成像，（3）全波形反演，（4）創(chuàng)新方法。在每個(gè)類別中，我們也嘗試根據(jù)論文的具體主題進(jìn)行了分類，然而從某種角度講，這些類別和整理是比較隨意的，因?yàn)橐恍┱撐囊埠苓m合被分到其他類別中去。通過觀察深度成像論文，有著用疊前/深度方法逐漸替代疊后/時(shí)間算法的一般趨勢。幾乎沒有論文對(duì)NMO/DMO工作流程相關(guān)的發(fā)展進(jìn)行匯報(bào)，這可能是由于大多數(shù)成像/反演任務(wù)不得不處理地下界面逐漸增加的復(fù)雜構(gòu)造。這一方面的最終目標(biāo)是提高分辨率和成像質(zhì)量。由此，很久以前曾提出利用特定的波場屬性（慢度/坡度等），然而，提交上來的論文表明這一手段仍是一個(gè)具有吸引力的選項(xiàng)，并且使各種實(shí)現(xiàn)有了顯著改善。與更多的構(gòu)造深度成像方法相比，利用初至波走時(shí)導(dǎo)出的速度模型仍然是大多數(shù)地震工作流程的主要步驟之一。在本附錄中有幾篇論文對(duì)這些旅行時(shí)間層析成像方法的一些具體的特點(diǎn)和最近的進(jìn)展進(jìn)行了討論，特別是在淺地的應(yīng)用（參見2008年9-10月的GEOPHYSICS附錄有關(guān)深度成像速度估算的部分）。對(duì)地下界面目標(biāo)的綜合表征的全波場反演和盡可能的導(dǎo)出速度及其他地震參數(shù)（縱波和橫波速度，衰減等）是當(dāng)前的研究趨勢。在這個(gè)研究領(lǐng)域關(guān)于全波形反演的不懈努力與各種方法的特征（優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)）的最優(yōu)化和理解有著主要的聯(lián)系，包括但不限于：在時(shí)間域或頻率域中的實(shí)現(xiàn)；所采用的近似值（聲學(xué)和粘彈性）的正確性，和處理大尺度3D事例的可行性。本附錄中的相應(yīng)論文表明這些技術(shù)正變得越來越成熟，并且實(shí)際方面和結(jié)果很大程度得益于相關(guān)的發(fā)展和進(jìn)步，即使它們距日常應(yīng)用還有一步之遙。然而，結(jié)果表明這個(gè)研究方向毫無疑問是極具價(jià)值的，并且將在不遠(yuǎn)的將來得到更多的關(guān)注。所有方法的持續(xù)趨勢是通過逐漸放棄對(duì)粘滯彈性體或多孔彈性體在各向異性介質(zhì)情況下的聲學(xué)/各項(xiàng)同性的近似，從而更清楚地了解地下界面。一方面要去獲得能被用于更好的表征地下界面的其他參數(shù)（裂縫密度等各向異性參數(shù)），另一方面，將這些參數(shù)引入到反演/成像算法中去來提高構(gòu)造圖像。我們把那些更具理論性和創(chuàng)新性的論文劃歸到創(chuàng)新方法的類別中。這些論文針對(duì)反演主題提供了其他觀點(diǎn)，這可能會(huì)啟發(fā)我們采用其他方法來獲得考慮中的介質(zhì)特性的有用信息。然而，除了提出創(chuàng)新方法的理論和規(guī)律或?qū)φf明性事例的研究外，一些論文也表明了某些技術(shù)的隱患，局限和問題。同時(shí)也指明了在這特定的研究領(lǐng)域的挑戰(zhàn)和潛在的進(jìn)一步的工作方向。我們相信本附錄將成為一個(gè)對(duì)當(dāng)前地震反演/成像工藝的狀態(tài)有用的概述，同時(shí)我們也希望它能夠促進(jìn)這些技術(shù)對(duì)地球內(nèi)不同規(guī)模的數(shù)據(jù)集的進(jìn)一步的發(fā)展和應(yīng)用。我們希望你能夠喜歡閱讀這個(gè)附錄，同時(shí)我們也將十分感謝你的反饋或評(píng)論。最后，我們想要對(duì)那些參與這一工作過程的不同的人士表示感謝：感謝總編KeesWapenaar的鼓勵(lì)，感謝助理編輯TamasNemeth在整個(gè)過程中的專業(yè)指導(dǎo)，感謝那些非常及時(shí)回應(yīng)的各個(gè)評(píng)審員，同時(shí)毫無疑問地，我們也要對(duì)SheralDanker和EliseCunningham以及其他GEOPHYSICS的工作人員在不同階段及時(shí)、有效的幫助表示感謝。深度成像Gray等人回顧了在深度偏移取得的進(jìn)展和現(xiàn)狀，同時(shí)也描述了達(dá)成所有反演目的在未來將面對(duì)的重大障礙。他們也推測了未來幾年偏移將會(huì)取得的進(jìn)展和可能無法完成的挑戰(zhàn)。Stolk等人利用射線理論分析闡明了炮檢偏移產(chǎn)生焦點(diǎn)（地下界面偏移域）或平面（散射角域）的圖像采集，在在曲線坐標(biāo)系下定義的偽深度內(nèi)射線攜帶的大量能量不改變，并且采集范圍足以確定所有的這類射線。Hu和Stoffa基于下褶皺地震反射數(shù)據(jù)或具有幾何采集局限性的數(shù)據(jù)分析了地下界面圖像，如海底地震儀（OBS）經(jīng)常被移動(dòng)搖擺的人工制品破壞。與傳統(tǒng)的高斯波束偏移相比，他們的新的慢度驅(qū)動(dòng)高斯波束偏移方法對(duì)入射角使用菲涅耳權(quán)重，它能夠壓制附加的擾動(dòng)噪聲和一些相干噪聲。Buske等人提出了一種疊前深度偏移方法，使用菲涅耳體積的概念把偏移操作限制在真實(shí)的反射點(diǎn)區(qū)域。他們使用這種被稱為菲涅耳體積偏移的技術(shù)對(duì)2D和3D的合成及真實(shí)數(shù)據(jù)集進(jìn)行處理，并且他們指出這種技術(shù)能顯著的提高成像質(zhì)量。Alerini等人提出了一種疊前深度成像方法，并且將它應(yīng)用在一個(gè)真實(shí)海底節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)集上，其中接收器的間距很大。在這種情況下，對(duì)結(jié)果的解釋比較困難，并且傳統(tǒng)的處理過程可能并不適用。Cooke等人開發(fā)了一個(gè)工作流程，產(chǎn)生了時(shí)間偏移加上與之相聯(lián)系的偏移速度場，并且提供了使用該速度場壓制多次波的機(jī)會(huì)。這個(gè)速度解決方案是對(duì)由CMP-NMO速度開始迭代精煉時(shí)間偏移速度的傳統(tǒng)工作流程的一步式替換方案。Berkovitch等人對(duì)于成像的局部不均勻性論述了一種方法，這一相關(guān)流程即為使用一個(gè)局部時(shí)間校正公式把連續(xù)的聚焦繞射能量分解為繞射波和反射波。這一基于多聚焦方法新方案依賴于兩個(gè)參量：出射角和波前繞射的曲率半徑。Aoki和Schuster開發(fā)了一個(gè)便宜的去模糊濾光器，它是對(duì)逆海賽函數(shù)道德局部非平穩(wěn)近似，它有時(shí)允許在大約3次迭代計(jì)算中計(jì)算出有用的最小二乘偏移圖像。由Marmousi2模型和一個(gè)2D海洋數(shù)據(jù)集得出的數(shù)值結(jié)果得出了一個(gè)合格的LSM圖像，并且它的費(fèi)用不超過標(biāo)準(zhǔn)LSM方法的三分之一。Tang針對(duì)最小二乘偏移/反演問題提出了一種基于相位編碼來計(jì)算波動(dòng)方程成像海賽函數(shù)的新方案。他表示提出的方法能夠明顯地減少計(jì)算成本，同時(shí)相位編碼后的海賽函數(shù)能被應(yīng)用于一個(gè)面向目標(biāo)的方式來改正疊前深度偏移圖像中照度不均的影響。Valenciano等人通過正規(guī)化波動(dòng)方程反演提出了一種成像方法。它利用最小二乘海賽矩陣的稀疏性和地震數(shù)據(jù)的冗余性，對(duì)其進(jìn)行了明確地計(jì)算。這個(gè)方法能被應(yīng)用于一個(gè)面向目標(biāo)的方式。他們演示了一個(gè)3D場數(shù)據(jù)集的例子，該方法能顯著地提升鹽下的圖像質(zhì)量。Sandberg和Beylkin介紹了一種新的針對(duì)在任何復(fù)雜速度背景下沿任意角度傳播的下行波和上行波的向下外推算法。該方法基于使用一個(gè)光譜投影儀來移除不穩(wěn)定模式，同時(shí)不需要直接分割和平方根算子近似。Zhang等人描述了一個(gè)計(jì)算方案，該方案利用流行的GPU提供了一個(gè)十分簡單的方法來加速傅里葉深度偏移。與等價(jià)的基于CPU的算法相比，它能夠?qū)崿F(xiàn)一個(gè)相當(dāng)高的加速比，也不用花費(fèi)太多努力在移植現(xiàn)有代碼到CUDA支持的GPU上。Dong等人提出了面向3D目標(biāo)的逆時(shí)定基準(zhǔn)面(RTD)方法，該方法通過使用一種倒置策略能夠使目標(biāo)區(qū)域之下的復(fù)雜構(gòu)造經(jīng)濟(jì)地生成重定基準(zhǔn)面數(shù)據(jù)。通過傳統(tǒng)成像方法，重定基準(zhǔn)面的數(shù)據(jù)能夠被應(yīng)用于深層結(jié)構(gòu)之下的復(fù)雜覆蓋層成像。Liu等人提出了一種新的波動(dòng)方程來壓制在有限差分解中固有存在的人為數(shù)值干擾。它是被普遍應(yīng)用于Kirchhoff偏移中的頻率相關(guān)抗鋸齒算子的模擬。這個(gè)適應(yīng)的應(yīng)用于標(biāo)準(zhǔn)波動(dòng)方程相比僅增加了最低金額的計(jì)算成本。Wang等人已經(jīng)開發(fā)了一種新的有效的算法，該算法使用基于RTM的延遲成像時(shí)間(DIT)掃描來校正鹽下速度。算法測試和實(shí)際數(shù)據(jù)應(yīng)用都證明了這種新的鹽下掃描技術(shù)是實(shí)用和有效的，并且對(duì)于RTM的標(biāo)準(zhǔn)鹽下偏移掃描來說，它可以作為一個(gè)有效的可供選擇的方法，甚至替代方法。除了校正速度外，基于RTM的DIT掃描也能提供一個(gè)更好的聚焦最終RTM圖像。在Zhu等人的論文中，他們闡明了伴隨矩陣方法，有限頻率靈敏度核心和成像原理之間的聯(lián)系。他們提倡使用阻抗核心而不是等同于勘探地震的成像原理的密度核心，因?yàn)樽杩购诵哪軌蛎馐茉谀鏁r(shí)偏移中普遍存在的低頻人工干擾的影響。Fletcher等人提出了傾斜橫向各向同性介質(zhì)中縱波的一個(gè)新的波動(dòng)方程，它能夠作為一個(gè)使用標(biāo)準(zhǔn)明確有限差分的聲學(xué)的各向異性逆時(shí)偏移算法的一部分被解出。他們給出了在復(fù)雜TTI介質(zhì)中使用該方程建模和偏移的結(jié)果。Shan針對(duì)VTI介質(zhì)基于函數(shù)擬合已經(jīng)開發(fā)了一個(gè)隱式有限差分法和傅里葉有限差分偏移。對(duì)VTI介質(zhì)的有限差分方案幾乎與各向同性介質(zhì)的相同，除了它的參數(shù)是從一個(gè)預(yù)先算好的表格中查出。Shan等人將傾斜坐標(biāo)系中的平面波偏移擴(kuò)展至3D各向異性介質(zhì)中，并將它應(yīng)用在墨西哥海灣的實(shí)測數(shù)據(jù)集中。雖然單程波波動(dòng)方程算子被用在波場外推中，陡峭的浸鹽側(cè)面和斷層都很好的反映出來。Tang和Patterson對(duì)一個(gè)在充滿流體的井眼中向周圍地層輻射SH和SV剪切波的偶極聲源進(jìn)行了研究。剪切波從相鄰井眼的反射體反射，并且由一個(gè)四分量正交偶極子儀器接收，這個(gè)儀器能夠成像該反射體并且確定它的方位。Schleicher和Costa證明了偏移速度信息能由路徑積分偏移中提取出來。路徑積分偏移的概念就是將由一組恒定偏移速度得到的偏移圖像疊加起來。通過這樣做兩次，將其中一疊以速度值加權(quán)，然后產(chǎn)生最終圖像的恒定速度就能從兩個(gè)圖像的分離中提取出來。一個(gè)數(shù)值范例證明了該方法的正確性。旅行時(shí)間層析成像Taillandier等人回顧了經(jīng)典的初至走時(shí)層析成像方法，他們通過使用伴隨狀態(tài)方法計(jì)算目標(biāo)函數(shù)的梯度，沒有使用射線追蹤和Frechet導(dǎo)數(shù)矩陣的估算。從數(shù)值的角度看這個(gè)算法十分有吸引力，因?yàn)闊o論輸入資料的大小和未知速度參數(shù)的數(shù)量，它的相關(guān)成本與正演模擬問題的解決方案是相等的。Ellefsen對(duì)相位反演做了修改，使它能適應(yīng)于處理近地表折射調(diào)查中的旅行時(shí)間。修改后的相位反演與旅行時(shí)間層析成像相比，它使用電腦生成資料和野外資料；相位反演的結(jié)果也顯著地好于旅行時(shí)間層析成像。Tryggvason等人表明使用與反射地震成像中相同的靜態(tài)時(shí)移補(bǔ)償同樣困擾著旅行時(shí)間層析成像建模。通過合成和實(shí)際資料的范例，解決方法就是靜力和地震速度的聯(lián)合反演。Zhou等人設(shè)計(jì)了一種新的初全層析成像靜校正方法把近地表速度場模擬為變厚度速度層，通過使用初至和利用其它信息約束一些界面的深度范圍，該方法還能為了速度界面的幾何學(xué)反轉(zhuǎn)。Pei等人通過使用快速模擬退火算法(VFSA)，對(duì)一個(gè)使用穿孔或爆炸索爆炸數(shù)據(jù)得到的井間平面層狀速度模型的縱波和橫波速度同時(shí)優(yōu)化。與Occam的反演技術(shù)相比，VFSA優(yōu)化在反轉(zhuǎn)模型的速度精確度方面更勝一籌。Zhang等人提出了一種將雙差地震層析成像應(yīng)用于由一個(gè)阿曼油田的鉆孔網(wǎng)絡(luò)記錄的誘發(fā)地震資料的方法，該方法能同時(shí)解決地震事件地點(diǎn)，儲(chǔ)層的七匚和匚匚模型。通過利用誘發(fā)地震，地震層析成像在儲(chǔ)層成像和物性估算上有很大潛能。通過比較由兩個(gè)相差很大的數(shù)據(jù)集的合成和實(shí)際資料得到的結(jié)果，Husen等人研究了在局部地震層析成像中資料數(shù)量和質(zhì)量對(duì)求解品質(zhì)的影響。他們推斷與一個(gè)較大的低質(zhì)量數(shù)據(jù)集相比，一個(gè)較小的高質(zhì)量數(shù)據(jù)集能夠得到一個(gè)相似或更高的求解品質(zhì)。全波形反演全波形反演是一個(gè)基于正演問題雙程波動(dòng)方程的通解和反演問題的局部最優(yōu)化的再現(xiàn)數(shù)據(jù)擬合成像方法。Virieux和Operto回顧了全波形反演的主要理論方面，一些關(guān)鍵特征例如分辨率分析，多尺度方法的設(shè)計(jì)和初始模型的建立，和在近期關(guān)于單參量和多參量重建的2D和3D案例研究。Zhang和Wang提出了一種新的波動(dòng)方程反演方法，能使回傳延遲放炮波場最好聚焦，并且主要依賴旅行時(shí)間信息來確定速度。該方法避免了在常規(guī)全波形反演中的數(shù)據(jù)匹配處理過程，同時(shí)減少了在一個(gè)數(shù)據(jù)域內(nèi)地震反演中對(duì)震波振幅和震源子波的依賴。Burstedde和Ghattas提出了一種全波形地震反演的算法策略，他們論述了這個(gè)高度非線性優(yōu)化問題的數(shù)值困難。他們通過幾個(gè)來源于井中測量的1D數(shù)值試驗(yàn)證明了該方法的一些特征。Abubakar等人把一種稱為對(duì)比源有限差分反演(FDCSI)方法應(yīng)用在地震全波形反演問題中。在反演過程的每一步迭代中，F(xiàn)DCSI方法并不能明確地解出任何完全的正演問題，在處理延時(shí)反演問題時(shí)該方法是十分有效的。Boonyasiriwat等人針對(duì)時(shí)間域波形層析成像提出了一個(gè)有效的多尺度方法，即使用更加有效率的低通濾波器和一個(gè)選擇數(shù)據(jù)最佳頻率帶的改進(jìn)策略。該方法已被證明可行且在1D和2D非均勻模型上進(jìn)行了測試，結(jié)果表明與傳統(tǒng)的單尺度波形層析成像方法相比該方法更有效率。Bleibinhaus和Rondenay對(duì)不同地形的聲波全波形反演的自由面效應(yīng)進(jìn)行了調(diào)查。由完全彈性合成介質(zhì)的聲波反演得到的結(jié)果表明，對(duì)于縱波占主導(dǎo)地位的先至波形來說，它們的衰減更多是由于地下界面的影響，而非表層結(jié)構(gòu)。Maurer等人通過使用為統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)設(shè)計(jì)的工具調(diào)查了由頻率域地震資料提供的信息量。為了獲得近似最優(yōu)層析成像圖像，僅有極少數(shù)的由較低和較高頻譜中挑選出來的頻率是必須的。Barnes和Charara研究了海洋地震數(shù)據(jù)中聲波全波動(dòng)反演的適用領(lǐng)域。通過幾個(gè)合成的反演實(shí)驗(yàn)，他們表明，在很多情況下，聲學(xué)近似使全波動(dòng)反演在檢索聲波參數(shù)時(shí)處于不利地位。Brossier等人介紹了2D彈性頻率域全波形反演在一個(gè)實(shí)際合成陸上事例的的應(yīng)用。一些基于復(fù)數(shù)頻率分層反演的多尺度策略被評(píng)估為進(jìn)行體波和面波聯(lián)合反演的方法。Smirhyman等人介紹了在一個(gè)工程環(huán)境下利用近地表地震數(shù)據(jù)的波形層析成像反演的結(jié)果。一些高速子波長目標(biāo)被成像在大約7m的深度處。Jaiswal等人將頻率域全波形反演應(yīng)用于印度東北部的Naga逆沖斷層帶來解釋一個(gè)復(fù)雜的背沖系統(tǒng)。Yang等人為了同時(shí)從垂直入射界面地震和零井源距垂直地震剖面(VSP)數(shù)據(jù)確定品質(zhì)因子(Q)，介紹了一個(gè)1D粘彈性波形反演方案。為了得到一個(gè)更現(xiàn)實(shí)的Q值圖像，他們基于變井源距VSP和疊前地層地震數(shù)據(jù)做了Q的層析成像反演，結(jié)果表明品質(zhì)因子能夠指示儲(chǔ)層評(píng)價(jià)。Plessix表明利用一個(gè)波動(dòng)方程的基于多柵迭代求解程序能有效地實(shí)施3D頻率域全波形反演。合成和實(shí)際資料范例闡明了這個(gè)方法的相關(guān)性，特別是對(duì)于建立一個(gè)速度模型的淺層部分的情況。Chang和McMechan使用全波場線性反演來估算由VTI，HTI和正交地層的三分量合成數(shù)