全波形反演課件

提綱1、疊前時間域速度分析2、共成像點道集提取3、疊前深度域偏移速度分析4、彈性矢量波聯(lián)合層析速度反演5、全波形反演提綱一、前言二、頻率-空間域全波形反演三、時間域全波形反演四、結(jié)論與認識一、前言全波形反演算法最早于上世紀八十年代由Tarantola等提出，當(dāng)時限于計算能力、野外數(shù)據(jù)采集方式及質(zhì)量、數(shù)值反演算法等方面的限制，未能得到大范圍的發(fā)展。在這個階段取而代之是基于Born或Rytov近似的背景速度場估計（宏觀速度模型建立）及模型擾動量成像（偏移成像）。雖然傳統(tǒng)的成像方法得到了廣泛的應(yīng)用，但在理論上與全波形反演方法相比還存在相應(yīng)的不足。波動方程線性化介質(zhì)參數(shù)分解宏觀速度模型建立疊加速度分析；偏移速度分析；層析成像；偏移成像低波數(shù)高波數(shù)缺少中波數(shù)信息傳統(tǒng)介質(zhì)參數(shù)成像方法全波形反演介質(zhì)參數(shù)成像方法主要利用一次波（旅行時）信息原始波動方程一次反射波、多次波、折射波等波形信息模型的各個波數(shù)成分一、前言一、前言盡管全波形反演在成像精度方面具有不可替代的優(yōu)勢，但是由于問題的非線性性、數(shù)據(jù)的不完整性（低頻缺失、噪聲）、數(shù)學(xué)物理模型描述實際問題能力有限性等問題，使得反演問題復(fù)雜性顯著增加，較易收斂至局部極小值。目前，全波形反演方法還存在著像計算量過大、不穩(wěn)定、依賴于初始模型等各式各樣的問題。一、前言存在的關(guān)鍵問題：初始模型建立目標函數(shù)選取迭代算法選取計算量過大反演流程選取主要目標：……旅行時層析、偏移速度分析（成像域）、Laplace域波形反演等不同測度：L2模、L1模、混合模等不同類型數(shù)據(jù)殘差：相關(guān)型、反褶積型、對數(shù)型等梯度類算法：最速下降、共軛梯度等，預(yù)處理方法牛頓類算法：Gauss-Newton、Full-Newton等，Hessian矩陣的計算相位編碼、數(shù)據(jù)壓縮等多尺度反演策略、逐層反演等可靠的---有效的避開局部極小值；穩(wěn)定的---對數(shù)據(jù)要求不是很苛刻；高效的---計算能力能承受;高精度---成像分辨率高一、前言FirstOptimizeThenDiscretize(OTD)FirstDiscretizeThenOptimize(DTO)涉及到泛函分析等復(fù)雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo)；時域反演理論的推導(dǎo)用的這種方式。首先將問題離散化之后然后利用相應(yīng)的優(yōu)化理論進行推導(dǎo)，主要涉及線性代數(shù)的相關(guān)知識，相對簡單易懂；頻率-空間域波形反演的理論推導(dǎo)這樣利用這種方式。全波形反演理論推導(dǎo)的兩種方法：對應(yīng)這兩種方法，下面分別討論頻-空域全波形反演與時間域全波形反演。提綱一、前言二、頻率-空間域全波形反演

1、基本原理 2、數(shù)值實現(xiàn) 3、模型試算 4、小結(jié)三、時間域全波形反演四、結(jié)論與認識二、頻率-空間域全波形反演1、基本原理考慮時域聲波方程：將其轉(zhuǎn)換到頻率域，并對空間求導(dǎo)進行有限差分離散可得到如下的線性方程組：其中P為離散之后的頻域聲壓波場；S為阻抗矩陣，其為頻率、介質(zhì)參數(shù)、離散網(wǎng)格大小的函數(shù)；F為非齊次震源項。問題的離散化：二、頻率-空間域全波形反演若阻抗矩陣的逆可以顯式寫出，則可得：阻抗矩陣逆的每一列為格林函數(shù)：對于多炮情況下，只需求取一次阻抗矩陣的逆便可通過簡單的矩陣相乘得到多炮正演記錄:二、頻率-空間域全波形反演基于優(yōu)化理論的波形反演方法定義數(shù)據(jù)剩余量為：定義L2模目標函數(shù)為：其中m為模型參數(shù)向量，可以選為聲波速度、慢度、壓縮模量及其變形等。模型參數(shù)化對隨后的反演過程有重要的影響，同時也是反演之前要做的第一步。對于局部尋優(yōu)的梯度類算法，推導(dǎo)的重點是目標函數(shù)相對于模型參數(shù)的一階導(dǎo)數(shù)（梯度向量）及二階導(dǎo)數(shù)（Hessian矩陣）。二、頻率-空間域全波形反演帶預(yù)處理的最速下降法：其中：為模型參數(shù)更新步長；為平滑算子，由模型平滑約束推出；為梯度向量；由最速下降法可以看出梯度向量與Hessian矩陣的計算在反演中的重要作用，下面重點推導(dǎo)這兩者相應(yīng)的表達式。為Hessian矩陣的對角線元素。稱為預(yù)處理算子，主要校正幾何擴散的影響，進行照明補償?shù)取６?、頻率-空間域全波形反演梯度向量的計算：其中J為Frechét求導(dǎo)矩陣（敏感性矩陣），其元素為：其中n為檢波點的個數(shù)，m為介質(zhì)參數(shù)的個數(shù)。對頻率-空間域離散后的波動方程相對于介質(zhì)參數(shù)進行求導(dǎo)得到：偏導(dǎo)數(shù)波場物理解釋：入射波場經(jīng)過地下散射點散射后接收到的波場；梯度的物理解釋：偏導(dǎo)數(shù)波場與數(shù)據(jù)剩余量的零延遲互相關(guān)；顯式求解敏感性矩陣的計算量：m個模型參數(shù)需要m+1次正演；二、頻率-空間域全波形反演梯度向量的快速求解將敏感性矩陣顯式寫出為：將其代入梯度向量表達式可得：梯度的物理解釋：波場剩余量的逆時傳播與正向波場的零延遲互相關(guān)；隱式求解敏感性矩陣的計算量：對于一次激發(fā)只需兩次正演模擬，計算量與模型參數(shù)的個數(shù)不再是正比關(guān)系。二、頻率-空間域全波形反演Hessian矩陣對角線元素的計算：Hessian矩陣的對角線元素為：對比梯度向量的計算可知，即使是Hessian對角線元素的計算也不可避免需要顯式的計算偏導(dǎo)數(shù)波場。對于每個頻率每次激發(fā)，都需要m+1次的正演過程。由于地面地震檢波點與炮點位置大量重復(fù)，其個數(shù)遠小于地下網(wǎng)格點數(shù)，利用波場的互易性，不再計算地下mi到地面各個點的波場，而是計算地面點xj到地下各個點的波場。由于虛震源的個數(shù)明顯減少，將明顯的提高計算效率。mixj二、頻率-空間域全波形反演阻尼波場的應(yīng)用（Laplace-Fourier域全波形反演）：對于如下形式的傅里葉變換：引入復(fù)頻率可得：引入復(fù)頻率后的波形反演即為阻尼波場的波形反演，或稱為Laplace-Fourier域的波形反演。物理解釋：1、時域解釋：在時間方向進行阻尼，在疊前記錄上看，起到了加窗的效果，減弱了不同時刻同相軸的串?dāng)_；在反演結(jié)果上看，起到了層剝離的效果，由淺及深的反演使得反演過程更穩(wěn)定。2、頻域解釋：時間阻尼作為一時變?yōu)V波器，改變了原始數(shù)據(jù)的頻率響應(yīng)，使得相位譜更趨于線性，振幅譜更平滑，減少了陷入局部極小值的可能性。二、頻率-空間域全波形反演2、數(shù)值實現(xiàn)有限差分格式：頻散曲線混合網(wǎng)格差分格式阻抗矩陣基本形態(tài)頻-空域數(shù)值模擬利用混合交錯網(wǎng)格（交錯網(wǎng)格+旋轉(zhuǎn)交錯網(wǎng)格）。該方法在保證計算精度的情況下使得阻抗矩陣帶寬盡可能小，以提高計算效率。二、頻率-空間域全波形反演邊界條件：選取PML或CPML邊界條件。在頻率域PML邊界條件的實現(xiàn)較為簡單。線性方程組求解：對于2D情況及小尺度的3D情況下，選用直接求解方法，如多波前并行稀疏直接求解法（MUltifrontalMassivelyParallelSparsedirectSolver）。對于大尺度3D情況，一種解決策略為利用迭代解法或者混合求解方法求解大規(guī)模線性方程組；另一種解決策略為通過時域正演記錄提取波場的頻域響應(yīng)。二、頻率-空間域全波形反演3、模型試算1、均勻介質(zhì)模型頻域正演均勻介質(zhì)模型：速度為4000m/s，采樣點為101×201，采樣間隔為40m，震源點位于（x=1000,z=500）處，輸入子波為雷克子波。二、頻率-空間域全波形反演2、Marmousi模型頻域正演試算5HZ單頻快照15HZ單頻快照為驗證正演算法在復(fù)雜介質(zhì)情況下的穩(wěn)定性，對Marmousi模型進行測試。二、頻率-空間域全波形反演3、簡單模型波形反演測試速度模型如右圖所示；背景速度場為3500m/s，中間異常體為3700m/s。炮點與檢波點位置如右圖所示。給定背景速度場，對隨機選取的幾個頻率進行頻率-空間域速度反演，反演的目標為中間異常體，反演的頻率分別為：4HZ、5HZ、7HZ、10HZ、13HZ、16HZ、20HZ。二、頻率-空間域全波形反演頻率-空間域波形反演最終結(jié)果反演速度與真實速度對比二、頻率-空間域全波形反演反演中間過程中每個頻率的最終結(jié)果二、頻率-空間域全波形反演4、Marmousi模型波形反演測試如右下圖所示，修改后的Marmousi模型。主要的修改為對模型進行抽稀且只截取了一部分，然后在表層加一水層。炮點和檢波點位置如圖中白線所示。所用初始模型如左下圖所示。二、頻率-空間域全波形反演反演所用頻率分別為：0.5,1.2,2.5,5.6,12.5，這五個頻率是利用LaurentSirgue（2004）在1D介質(zhì)假設(shè)下提出的公式計算得到，如右下圖所示。在一維介質(zhì)假設(shè)下，可反演得到的最小和最大空間波數(shù)為：這里：為最大半偏移距；為目標層深度。頻率選取的準則為低頻的最大波數(shù)等于高頻的最小波數(shù)。二、頻率-空間域全波形反演Marmousi模型反演結(jié)果：二、頻率-空間域全波形反演5、Laplace-Fourier域全波形反演與近地表速度Laplace-Fourier域波形反演，對于單一一個阻尼參數(shù)來說，可以看做是一種層剝離的效果。通過控制不同時間上的波場的權(quán)重來控制所能反演的深度，以此來減少由于不同波形的串?dāng)_引起的非線性性。近地表速度在波形反演中占有重要的作用。表層速度由于影響到所有記錄中的所有波形，固其精確與否直接影響隨后波形反演的穩(wěn)定性。下面首先討論阻尼波場的層剝離效果，然后結(jié)合阻尼波場減少由于表層速度不準確引起的反演的不穩(wěn)定性。二、頻率-空間域全波形反演阻尼波場的層剝離效果：Marmousi模型如前所示，對觀測數(shù)據(jù)增加阻尼，并在反演過程中應(yīng)用復(fù)頻率。從反演結(jié)果可以看出，起到了一種層剝離的效果。阻尼項為：二、頻率-空間域全波形反演Overthrustmodeltest右下圖所示為原始3D逆掩斷層模型的一個側(cè)面，目標區(qū)為右側(cè)河道、中間斷層及深部薄層。為了測試近地表速度對反演的影響，在其余參數(shù)相同的情況下，分別采用表層速度與真速度相同的初始模型與表層速度與真速度不同的速度模型進行速度反演。通過反演結(jié)果的差異可以看到表層速度的重要性，同時通過阻尼波場的引入可以看到反演效果的改善。二、頻率-空間域全波形反演表層速度正確時的反演結(jié)果利用如左下圖所示的初始模型，利用頻率空間域單頻迭代波形反演，所得結(jié)果如右下圖所示，可以看到右側(cè)河道、中部斷層及深部薄層都能基本得到。二、頻率-空間域全波形反演表層速度不準確時的反演結(jié)果利用如左下圖所示的初始模型，表層速度與真實速度場并不相同，右下圖為反演結(jié)果，可以看到若表層速度不正確時，不做任何處理，常規(guī)的反演算法并不能得到理想的結(jié)果?；谧枘岵▓龅膶觿冸x方法左下圖為阻尼系數(shù)為5的反演結(jié)果，可以看到模型的左側(cè)和右側(cè)已相對準確的反演出來，而中部斷層則趨于局部極小值；右下圖為以左下圖為初始模型進行的阻尼系數(shù)為1.25的波形反演，可以看到左下圖中表層速度反演正確部分的下部正確反演，而對于中部錯誤區(qū)域，下部的反演結(jié)果也受到影響。二、頻率-空間域全波形反演二、頻率-空間域全波形反演4、小結(jié)1、頻率-空間域全波形的理論推導(dǎo)基于線性代數(shù)的相關(guān)知識，推導(dǎo)較為簡單，但可證明其與基于泛函分析的求導(dǎo)方法是等價的；2、頻率-空間域波形反演在處理小尺度問題時，利用線性方程組的直接求解方法可以方便的處理多炮的問題；在處理大尺度問題時，該優(yōu)勢不再顯著；3、頻率-空間域波形反演方法可以只對頻帶中的幾個頻率進行反演，可以看做是一種壓縮域的反演；4、當(dāng)從低頻到高頻逐次反演時，頻率-空間域波形反演可看做是一種多尺度的反演方法；5、Laplace-Fourier域反演方法可以看做是一種層剝離的反演方法。提綱一、前言二、頻率-空間域全波形反演三、時間域全波形反演

1、方法原理與數(shù)值實現(xiàn) 2、模型試算 3、小結(jié)四、結(jié)論與認識三、時間域全波形反演1、方法原理與數(shù)值實現(xiàn)首先定義模型空間及數(shù)據(jù)空間，則模型參數(shù)屬于模型空間，觀測數(shù)據(jù)屬于數(shù)據(jù)空間，即：通過正演算子可以將模型參數(shù)映射到觀測數(shù)據(jù)，即：分別定義模型空間和數(shù)據(jù)空間的標量乘算子為：三、時間域全波形反演最小二乘意義下的最優(yōu)模型就是尋求如下L2范數(shù)的最小值：基于最速下降法可以得到其模型更新過程為：其中：為更新步長;為預(yù)處理算子;為Frechet求導(dǎo)算子的轉(zhuǎn)置算子;如何構(gòu)建Frechet求導(dǎo)算子及其轉(zhuǎn)置算子？三、時間域全波形反演Frechet求導(dǎo)算子及其轉(zhuǎn)置算子正演算子進行Talyor展開得到：Frechet求導(dǎo)算子即為聯(lián)系模型擾動與波場擾動的線性算子。對于任意的和其轉(zhuǎn)置算子滿足下式：通過上式可以進一步求出轉(zhuǎn)置算子。三、時間域全波形反演對于聲波介質(zhì)全波形反演，其正問題由波動方程控制：對于聲波全波形反演問題的Frechet求導(dǎo)算子及其轉(zhuǎn)置算子推導(dǎo)基于Born近似，可求得介質(zhì)參數(shù)擾動與波場擾動之間的關(guān)系：可以通過格林函數(shù)顯示寫出：三、時間域全波形反演將上式代入算子與轉(zhuǎn)置算子之間的關(guān)系：將標量乘算子顯示寫開，并進行進一步整理可得：物理解釋：正向波場在地下某點散射之后的傳播至接收點的波場。物理解釋：擾動波場，在梯度計算中為剩余波場。對于轉(zhuǎn)置算子的物理解釋：將地下任一點視為繞射點得到的波場與擾動波場的零延遲互相關(guān)。這種顯示的計算方式，對于m個介質(zhì)參數(shù)需要m+1次正演過程。物理解釋：正向傳播波場二階時間導(dǎo)數(shù)。物理解釋：剩余波場的反向傳播。轉(zhuǎn)置算子的物理意義：剩余波場的反向傳播與正向波場二階時間導(dǎo)數(shù)的零延遲互相關(guān)；此時計算梯度向量只需要一次正向傳播和一次反向傳播。三、時間域全波形反演借助波場的互易性，并作相關(guān)推導(dǎo)可得：三、時間域全波形反演基于相位編碼的全波形反演與頻率域全波形反演相比，時間域全波形反演的效率與炮點的個數(shù)成正比，特別是在炮數(shù)較多的情況下，時域反演算法計算量非常大。通過引入相位編碼技術(shù)可在一定基礎(chǔ)上降低反演計算效率，特別是3D情況下效果更明顯。通過相位編碼將多炮記錄組成一超道集，在提高計算效率的同時，也引入了不同炮之間的串?dāng)_噪聲。通過在迭代的過程中改變編碼函數(shù)，即應(yīng)用動態(tài)編碼技術(shù)，可以在一定程度上降低串?dāng)_噪聲的干擾。下面兩個示意圖，展示了傳統(tǒng)全波形反演與基于相位編碼的全波形反演的異同。三、時間域全波形反演shot1shot1shot1shot1shot1shot1shot1shot1shot1shot1shot1shot1N個野外炮記錄Gradient1Gradient1Gradient1Gradient1Gradient1Gradient1Gradient1Gradient1Gradient1Gradient1Gradient1Gradient1N個梯度Gradient

stackModel

shot1shot1shot1shot1shot1shot1shot1shot1shot1shot1shot1shot1N個模擬炮記錄常規(guī)的多炮全波形反演modeling三、時間域全波形反演shot1shot1shot1shot1shot1shot1shot1shot1shot1shot1shot1shot1N個野外炮記錄EncodingSuper-gatherGradientupdateModelModelingEncodingSourceSourceSourceSourceSourceSourceSourceSourceSourceSourceSuper-Source基于相位編碼的全波形反演三、時間域全波形反演2、模型試算1、繞射點模型透射波反演試算如右圖所示點繞射模型，空間采樣點數(shù)為200×150，空間采樣間隔為10m。觀測系統(tǒng)如右圖所示，模擬井間接收情況。炮點數(shù)為100，檢波點數(shù)為200。反演所用初始模型為背景均勻速度模型，共迭代更新35次。三、時間域全波形反演第一炮在第一次迭代計算得到的梯度所有炮計算梯度的疊加35次迭代之后的反演結(jié)果每次迭代之后的反演結(jié)果1、繞射點模型透射波反演試算三、時間域全波形反演2、Marmousi模型速度反演試算所用模型如右上圖所示，為原始Marm-ousi模型的一部分，且進行抽稀處理，在表層加一500m深的水層。橫縱向采樣點數(shù)為461×176，采樣間隔為20m。92個炮點以100m的間隔均勻分別在地表，檢波點全部覆蓋地表。初始模型如右下圖所示，是在原始模型的基礎(chǔ)上平滑之后得到。利用聲波全波形反演對速度模型迭代20次。三、時間域全波形反演2、Marmousi模型速度反演試算通過對比反演結(jié)果與真實模型可以看出，經(jīng)過20次迭代之后，速度場的基本構(gòu)造已反演得到。進一步的細節(jié)信息會隨著迭代次數(shù)的增加而進一步完善。2、Marmousi模型速度反演試算三、時間域全波形反演第一次迭代的梯度向量第二十次迭代的梯度向量梯度向量的計算類似于一次逆時偏移，可以看到隨著速度的更新，梯度向量與真實構(gòu)造越來越逼近。同時注意此處梯度向量向量信噪比較高，可與隨后相位編碼的梯度向量作對比。三、時間域全波形反演3、基于相位編碼的全波形反演Marmousi模型試算：除模型比前面實例稍大外，其余參數(shù)完全一樣。初始模型如右下圖所示，為在原始模型的基礎(chǔ)上平滑所得，保留了大體的構(gòu)造。編碼函數(shù)選擇為隨機的動態(tài)編碼，利用隨機的+1,-1進行編碼。將所有的92炮編碼成一個超道集進行反演，迭代次數(shù)為102次。三、時間域全波形反演通過反演結(jié)果與真實模型對比可知，模型的一些細節(jié)信息得到了很好的恢復(fù)。計算量與傳統(tǒng)全波形反演一次迭代的計算量相當(dāng)，而傳統(tǒng)波形反演一次迭代是無法得到這樣的效果的。三、時間域全波形反演第一次迭代的梯度向量最后一次迭代的梯度向量對比之前傳統(tǒng)波形反演的梯度向量可以看到，基于相位編碼的梯度向量被嚴重的串?dāng)_噪聲所覆蓋，但同時可以看到與構(gòu)造一致的梯度向量能量相對較強。由于不同迭代之間的噪聲并不相關(guān)，固在最終的反演剖面上噪聲的影響并不十分嚴重。三、時間域全波形反演3、基于相位編碼的全波形反演層狀介質(zhì)模型：如右圖所示為四層介質(zhì)模型，其中第二層中加入繞射點。網(wǎng)格大小為150×300，網(wǎng)格間距為16m。首先測試了在較好的初始速度模型下，基于相位編碼的全波形反演算法；然后分別對比了當(dāng)初始速度模型為線性速度時基于相位編碼的時域波形反演、常規(guī)時域波形反演、頻域波形反演的結(jié)果。三、時間域全波形反演初始模型與真實速度模型較接近時基于相位編碼的波形反演結(jié)果：通過150次迭代，速度界面不僅得到了很好的反演，其中的散射體也得到了很好的恢復(fù)。通過該模型進一步說明基于相位編碼波形反演的有效性。三、時間域全波形反演初始模型為線性速度模型時波形反演結(jié)果對比分析：此時，速度模型與真實速度模型相差加大，反演容易陷入局部極小值；即使能夠得到穩(wěn)定反演結(jié)果，也需要很大的迭代次數(shù)。首先對比時域基于相位編碼的波形反演與常規(guī)波形反演結(jié)果；然后對比時域與頻域波形反演結(jié)果。三、時間域全波形反演基于常規(guī)波形反演20次迭代之后的結(jié)果基于相位編碼的方法迭代100之后的結(jié)果20次迭代×100炮=2000100次迭代×1超道集=100兩種方法都未得到較好的結(jié)果，但相比之下基于相位編碼的反演方法在較小的計算下得到了較好的結(jié)果。在這種情況下，若想取得較好的結(jié)果需要進行模型約束、多尺度反演等特殊處理。三、時間域全波形反演頻率域反演結(jié)果：右圖為在線性速度模型的基礎(chǔ)上，利用5個頻率對數(shù)據(jù)進行多尺度反演的結(jié)果。對于時域反演結(jié)果，可以看出，頻域反演結(jié)果由于其自身的多尺度特性，很好的避開了局部極小值，使得反演結(jié)果正確收斂。其多尺度特性可以在隨后的單頻反演結(jié)果上看出來。三、時間域全波形反演頻域單頻反演結(jié)果，從中可以看出，隨著頻率的增高，反演結(jié)果逐步細化。很好的證實了低頻對應(yīng)低波數(shù)，高頻對應(yīng)高波數(shù)的結(jié)論。三、時間域全波形反演2025/5/26時間域全波形反演技術(shù)（FWI）

速度模型初始模型5次迭代結(jié)果200次迭代結(jié)果100次迭代結(jié)果50次迭代結(jié)果2025/5/26時間域全波形反演技術(shù)（FWI）

第100道對比第180道對比第270道對比第320道對比2025/5/26時間域全波形反演技術(shù)（FWI）

11點平滑21點平滑31點平滑41點平滑

Nit=302025/5/26時間域全波形反演技術(shù)（FWI）

速度模型100次反演的結(jié)果

初始速度模型2025/5/26時間域全波形反演技術(shù)（FWI）

速度模型100次反演的結(jié)果

初始速度模型2025/5/26時間域全波形反演技術(shù)（FWI）

速度模型8次反演的結(jié)果

初始速度模型2025/5/26時間域全波形反演技術(shù)（FWI）

Vhigh速度模型100次反演的結(jié)果

初始速度模型2025/5/26時間域全波形反演技術(shù)（FWI）

Vlow速度模型100次反演的結(jié)果

初始速度模型三、時間域全波形反演3、小結(jié)1、時間域反演理論的推導(dǎo)涉及到泛函分析的相關(guān)內(nèi)容，相對于頻率推導(dǎo)更為復(fù)雜，但兩者最終的結(jié)果都是等價的；2、時間域波形反演計算量與炮點的數(shù)目成線性關(guān)系，通過相位編碼技術(shù)可以極大的提高計算效率；3、時間域波形反演對初始模型的要求比頻域反演更苛刻。主要有兩種解決方法，一是通過其他反演方法（旅行時反演、偏移速度分析等）獲取較準確的初始模型；二是發(fā)展多尺度的、穩(wěn)定的時域反演方法。提綱一、前言二、頻率-空間域全波形反演三、時間域全波形反演四、結(jié)論與認識四、結(jié)論與認識全波形反演方法作為一種高精度的定量地震成像方法，在當(dāng)今復(fù)雜地區(qū)油氣勘探中被基于厚望，同時，在理論上也是能夠承擔(dān)此重任的地下介質(zhì)成像主要方法。但是，由于地震數(shù)據(jù)中噪聲的存在、數(shù)據(jù)的不完整性、以及波動方程所能描述波傳播理論的有限性等，單獨的全波形反演方法很難真正發(fā)揮其應(yīng)有的價值。發(fā)展面向全波形反演的地震數(shù)據(jù)采集方法，研究與全波形反演相匹配的疊前數(shù)據(jù)處理流程，使之成為一套自上而下的完善系統(tǒng)，必將成為今后發(fā)展的趨勢，也將成為每一個地球物理工作者與科研人員共同努力的目標。全波形反演技術(shù)研究與應(yīng)用CATALOGUE目錄01理論基礎(chǔ)與核心原理02技術(shù)實現(xiàn)流程03關(guān)鍵算法突破04地球物理應(yīng)用場景05技術(shù)挑戰(zhàn)與對策06前沿發(fā)展方向01理論基礎(chǔ)與核心原理有限差分法（FDM）偽譜法（PSM）間斷伽遼金法（DG）譜元法（SEM）有限元法（FEM）波動方程數(shù)值解法通過離散化時間和空間域，將波動方程轉(zhuǎn)化為差分方程求解，適用于各向同性介質(zhì)，計算效率高但對復(fù)雜邊界條件處理能力有限。基于變分原理和網(wǎng)格剖分，適用于非均勻介質(zhì)和復(fù)雜幾何模型，計算精度高但計算量較大，需配合高性能計算資源。結(jié)合譜方法的全局逼近特性和有限元的局部靈活性，適用于高頻波場模擬，能有效減少數(shù)值頻散但內(nèi)存消耗較高。利用快速傅里葉變換（FFT）處理空間導(dǎo)數(shù)，計算效率高且無網(wǎng)格頻散，但對介質(zhì)突變適應(yīng)性較差，需平滑參數(shù)模型。通過局部多項式逼近和通量修正處理波場間斷問題，適用于多尺度建模和高階精度需求，但算法實現(xiàn)復(fù)雜。正演反演優(yōu)化全波形反演數(shù)學(xué)框架正演模型基于波動方程建立正演模型，模擬地震波在地下介質(zhì)中的傳播過程，為反演提供理論基準。反演目標構(gòu)建目標函數(shù)量化觀測數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)的差異，通過最小化目標函數(shù)實現(xiàn)地下參數(shù)的反演。優(yōu)化算法采用梯度類或全局優(yōu)化算法迭代更新模型參數(shù)，逐步逼近真實地下結(jié)構(gòu)。010203物性參數(shù)建模方法速度-密度聯(lián)合反演各向異性參數(shù)反演粘彈性參數(shù)反演多參數(shù)分級約束數(shù)據(jù)融合技術(shù)基于聲波或彈性波方程同步更新速度和密度參數(shù)，需解決參數(shù)耦合問題并引入巖石物理約束。針對頁巖或裂隙介質(zhì)，反演Thomsen參數(shù)或HTI/VTI各向異性系數(shù)，需設(shè)計方位數(shù)據(jù)采集方案。引入Q因子和衰減機制模擬實際地層吸收效應(yīng)，需修正波動方程并聯(lián)合頻域/時域數(shù)據(jù)。通過先驗信息（如井?dāng)?shù)據(jù)、地震層位）約束反演過程，采用交叉梯度或結(jié)構(gòu)相似性保持參數(shù)間一致性。聯(lián)合反射波、折射波和面波數(shù)據(jù)拓寬照明范圍，需開發(fā)多類型數(shù)據(jù)聯(lián)合目標函數(shù)與權(quán)重分配策略。02技術(shù)實現(xiàn)流程數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理多分量地震數(shù)據(jù)采集采用高靈敏度檢波器陣列記錄全波場信息，包括縱波、橫波和轉(zhuǎn)換波等，確保原始數(shù)據(jù)具有足夠的信噪比和分辨率。數(shù)據(jù)去噪與增強通過自適應(yīng)濾波、小波變換等方法消除環(huán)境噪聲和儀器干擾，同時采用反褶積技術(shù)提高有效信號的時頻特征。觀測系統(tǒng)質(zhì)量控制嚴格校驗炮點-檢波點幾何關(guān)系，校正方位角偏差，確保采集參數(shù)滿足后續(xù)波形反演的數(shù)學(xué)約束條件。波場分離處理應(yīng)用極化分析和波模式分解技術(shù)，將混合波場分離為純縱波和橫波分量，為各向異性反演奠定基礎(chǔ)。初始模型構(gòu)建綜合測井、VSP等先驗信息建立三維速度-密度初始模型，其精度直接影響反演收斂效率。正演模擬計算策略采用高階有限差分法求解全彈性波動方程，通過通量校正技術(shù)壓制數(shù)值頻散，保證寬頻帶波場模擬精度。彈性波方程離散化基于MPI+CUDA混合編程模型，實現(xiàn)多GPU節(jié)點協(xié)同計算，將大規(guī)模正演任務(wù)分解為可并行的子域計算。并行計算架構(gòu)設(shè)計應(yīng)用復(fù)頻移PML吸收邊界條件，有效抑制人工邊界反射，使計算區(qū)域可縮減至目標區(qū)1.5倍范圍。邊界條件優(yōu)化采用隨機邊界條件結(jié)合波場重構(gòu)技術(shù)，將存儲需求從O(Nt×Nx)降至O(Nx)，解決大規(guī)模反演的內(nèi)存瓶頸。震源波場存儲策略低頻成分采用頻域有限元法提高穩(wěn)定性，高頻成分使用時域有限差分法保持計算效率，實現(xiàn)寬頻帶高效模擬。頻域-時域混合算法梯度計算基于全波形數(shù)據(jù)計算目標函數(shù)梯度，確定模型參數(shù)更新方向，采用高效算法提升計算精度與速度，確保反演過程收斂穩(wěn)定。01正則約束引入先驗信息構(gòu)建正則化項，約束解空間范圍，抑制噪聲干擾，提升反演結(jié)果的物理合理性與分辨率。03步長控制動態(tài)調(diào)整迭代步長因子，平衡收斂速度與穩(wěn)定性，采用自適應(yīng)策略避免震蕩發(fā)散，提高反演效率。02多尺度采用從粗到細的多尺度反演策略，逐步聚焦目標細節(jié)，避免局部極值陷阱，增強全局收斂能力。04驗證通過合成數(shù)據(jù)測試驗證算法有效性，對比實測數(shù)據(jù)反演結(jié)果，評估梯度優(yōu)化機制的實際應(yīng)用性能。06并行化利用高性能計算實現(xiàn)梯度計算的并行處理，顯著提升大規(guī)模數(shù)據(jù)反演效率，縮短計算周期。05實現(xiàn)高精度、高效率的全波形反演目標梯度優(yōu)化迭代機制03關(guān)鍵算法突破通過伴隨波場與觀測數(shù)據(jù)殘差計算模型參數(shù)梯度。梯度計算構(gòu)建拉格朗日函數(shù)將反演問題轉(zhuǎn)化為約束優(yōu)化。數(shù)學(xué)表達利用梯度信息通過優(yōu)化算法更新速度模型。迭代更新僅需兩次正演計算即可獲得全參數(shù)空間梯度。計算效率基于目標函數(shù)下降量或梯度范數(shù)終止迭代。收斂判斷相比有限差分法顯著降低計算量且精度可控。優(yōu)勢分析正演模擬核心推導(dǎo)步驟建立伴隨方程伴隨狀態(tài)法推導(dǎo)殘差計算從低頻到高頻分階段反演，先恢復(fù)背景速度場再刻畫細節(jié)，避免周期跳躍現(xiàn)象。頻帶分級策略設(shè)計基于信噪比的頻域加權(quán)函數(shù)，強化低頻成分貢獻，改善深層構(gòu)造反演效果。數(shù)據(jù)加權(quán)方案采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格動態(tài)加密關(guān)鍵區(qū)域，在保證精度的同時降低計算量。空間變網(wǎng)格技術(shù)010302多尺度反演技術(shù)同步更新縱橫波速度、密度及各向異性參數(shù)，建立多物理場協(xié)同約束機制。多參數(shù)耦合反演引入小波域稀疏約束，在不同分辨率層級保持地質(zhì)結(jié)構(gòu)連續(xù)性?？绯叨日齽t化0405頻域/時域算法選擇頻域高效求解對固定頻率成分采用直接求解器（如MUMPS），避免時域顯式積分穩(wěn)定性限制。01時域吸收邊界采用CPML邊界條件抑制人工反射，適用于復(fù)雜起伏地表模型模擬。02混合域反演框架低頻成分采用頻域法，高頻脈沖采用時域有限差分，兼顧效率與精度。03頻點優(yōu)選方法基于靈敏度分析的頻點自適應(yīng)選取策略，減少冗余計算達40%以上。04GPU加速實現(xiàn)時域算法通過CUDA實現(xiàn)波場遞推的線程級并行，單節(jié)點性能提升20倍。05頻散誤差補償開發(fā)高階時空差分算子，消除數(shù)值頻散對反演精度的系統(tǒng)性影響。0604地球物理應(yīng)用場景品牌是一種商業(yè)用語，品牌注冊后形成商標，企業(yè)即獲得法律保護擁有其專用權(quán)；品牌是企業(yè)長期努力經(jīng)營的結(jié)果品牌體現(xiàn)了生產(chǎn)者的某些價值感結(jié)合反演結(jié)果開展構(gòu)造精細解釋，明確斷層展布及圈閉形態(tài)構(gòu)造解釋利用AVO反演及彈性參數(shù)交會分析技術(shù)預(yù)測儲層流體性質(zhì)提取波阻抗、孔隙度等儲層屬性參數(shù)，定量表征儲層物性分布綜合地質(zhì)-地球物理成果計算油氣儲量，為開發(fā)方案提供依據(jù)波形反演采用多尺度策略逐步反演中高頻成分，通過梯度優(yōu)化算法更新速度模型參數(shù)初始建?；诘刭|(zhì)、測井等先驗信息構(gòu)建初始速度模型，為反演提供合理起點數(shù)據(jù)采集通過寬頻地震數(shù)據(jù)采集獲取高信噪比、寬頻帶、高覆蓋次數(shù)的原始地震資料全波形反演通過波形匹配優(yōu)化速度模型，實現(xiàn)儲層參數(shù)高精度反演油氣儲層精細刻畫屬性分析流體預(yù)測儲量評估海洋應(yīng)用占據(jù)主導(dǎo)地位:全波形反演技術(shù)在海洋地震數(shù)據(jù)中的成熟度達85%，顯著高于陸地數(shù)據(jù)（35%），反映海洋環(huán)境數(shù)據(jù)信噪比高、采集條件穩(wěn)定的優(yōu)勢。陸地數(shù)據(jù)技術(shù)突破待解:陸地應(yīng)用成熟度不足海洋一半（35%vs85%），凸顯起伏地表和低信噪比仍是技術(shù)瓶頸，需改進算法適應(yīng)性。復(fù)雜地形挑戰(zhàn)突出:針對騰沖火山等復(fù)雜地形區(qū)域的技術(shù)成熟度僅15%，自由地表模擬和三維速度建模成為關(guān)鍵突破方向。方法創(chuàng)新帶來增益:動態(tài)時間規(guī)整（DTW）算法使云南地區(qū)高頻波形擬合度提升40%，驗證新型目標函數(shù)對周期跳變的抑制效果。地震波場特征分析復(fù)雜構(gòu)造精確成像各向異性與粘彈性建模淺層與深層一體化建模實時反演與可視化多參數(shù)聯(lián)合反演速度模型構(gòu)建與優(yōu)化全波形反演技術(shù)能夠克服傳統(tǒng)偏移成像方法的局限性，對鹽丘、逆沖斷層、火山巖等復(fù)雜構(gòu)造進行高精度三維成像，為地質(zhì)解釋提供可靠依據(jù)。通過全波形反演可以逐步優(yōu)化初始速度模型，消除速度誤差對成像結(jié)果的影響，尤其適用于缺乏井?dāng)?shù)據(jù)的深部區(qū)域。結(jié)合縱波、橫波和轉(zhuǎn)換波數(shù)據(jù)，全波形反演能夠?qū)崿F(xiàn)多參數(shù)（如速度、密度、衰減）的聯(lián)合反演，為地下介質(zhì)的綜合解釋提供更豐富的信息。全波形反演技術(shù)能夠反演地下介質(zhì)的各向異性參數(shù)和粘彈性屬性，為研究地殼應(yīng)力場和流體遷移規(guī)律提供重要數(shù)據(jù)。通過全波形反演技術(shù)，可以實現(xiàn)從近地表到深部地層的無縫速度建模，解決傳統(tǒng)方法中淺層與深層速度模型不匹配的問題。結(jié)合高性能計算技術(shù)，全波形反演能夠?qū)崿F(xiàn)近實時的三維地下構(gòu)造重建，并通過可視化技術(shù)直觀展示反演結(jié)果，輔助地質(zhì)決策。地下構(gòu)造三維重建05技術(shù)挑戰(zhàn)與對策計算效率優(yōu)化方案并行計算架構(gòu)設(shè)計自適應(yīng)網(wǎng)格優(yōu)化頻域多尺度策略稀疏矩陣存儲技術(shù)近似正演模型構(gòu)建采用多節(jié)點分布式計算框架，結(jié)合GPU加速技術(shù)，顯著提升大規(guī)模地震數(shù)據(jù)處理的效率，縮短反演周期。根據(jù)波場傳播特性動態(tài)調(diào)整網(wǎng)格密度，在保證精度的前提下減少計算量，尤其適用于復(fù)雜地質(zhì)模型的反演。通過低頻到高頻的漸進反演方式，先恢復(fù)宏觀結(jié)構(gòu)再細化局部特征，避免高頻數(shù)據(jù)直接反演帶來的計算負擔(dān)。利用波場傳播方程的稀疏性特征，采用壓縮存儲格式（如CSR）降低內(nèi)存占用，提升矩陣運算速度。引入基于物理約束的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)替代傳統(tǒng)數(shù)值模擬，在保持精度的同時將正演計算速度提升數(shù)十倍。多目標