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Imaging and inversion — Introduction成像和反演——简介地震成像和反演技术是用于将记录下来的地震波场转换为具有物理意义的易于分辨的地球内部的图像。
相应方法经常应用在具有一定规模的浅层调查，通过表征矿物储层和油气勘探，气体封存，热液研究，由此对地壳、地幔、地核进行局部和全球的地震探测。
相关方法正加强利用全波场和复杂的采集策略，和不同的工业分支一样，在学术界快速发展。
受启发于在2008年4月成功举行的欧洲地球物理学会年会上关于地震反演成像的研究进展，我们打算为地球物理组织这样一个特殊部分并且邀请论文描述相关理论，应用，及先进的成像/反演方案的好处。
我们的宗旨就是回顾这些技术的理论及其在不同范围，不同地质背景内的应用。
我们希望不仅能够促进那些为不同目标工作的不同团体传递知识和相互交流，而且能够鼓励那些改进了成像/反演和地层表征的新的具有独立规模的成像/反演技术的发展。
在2008年12月31日提交截止后,我们收到了60多篇论文，其中48篇论文被收录在这个附录中。
其他的一些论文仍在修改中，将很有希望在以后一期的GEOPHYSICS上刊登。
作者的比例大约是学术机构和工业一比一。
论文主题十分广泛，涵盖了不同的方法技术和反演问题的不同方面，从钻孔研究到区域地壳调查，还有大量的论文对非盈利性的应用进行了描述。
这些都反映出了这个研究领域的广泛兴趣，也表明了这特别的一期的最初目的已经成功的达到了。
我们已经把这些论文归为四个主要类别，分别为(1)深度成像，(2)旅行时间层析成像，(3)全波形反演，(4)创新方法。
在每个类别中，我们也尝试根据论文的具体主题进行了分类，然而从某种角度讲，这些类别和整理是比较随意的，因为一些论文也很适合被分到其他类别中去。
通过观察深度成像论文，有着用叠前/深度方法逐渐替代叠后/时间算法的一般趋势。
几乎没有论文对NMO/DMO工作流程相关的发展进行汇报，这可能是由于大多数成像/反演任务不得不处理地下界面逐渐增加的复杂构造。
地震层析成像原理地震层析成像（Seismic Tomography）是利用地震波在地下传播的波速变化，通过对地震波数据的观测和处理，反演出地下介质的速度结构和构造特征的一种方法。
它是地球物理学中的一项重要研究领域，可以帮助我们深入了解地球内部的构造和演化过程。
地震层析成像的原理基于地震波在不同介质中传播速度不同的特性。
地震波在地下传播时，会受到地下结构的影响，传播速度会发生变化。
当地震波经过不同介质时，它们的传播速度会发生改变，这种改变可以通过对地震波的观测和分析来反演出地下介质的速度结构。
1.数据采集：首先需要在地表布置一定数量的地震台站，用于记录地震波的传播情况。
这些地震台站会同时记录到来的P波（纵波）和S波（横波）的到达时间。
2. 数据处理：利用地震波到达的时间信息，可以通过计算波传播路径的长度来估计地下介质的速度。
传统方法中常使用迭代法（如Gauss-Newton算法）来求解速度模型。
3.反演：根据数据处理得到的波速数据，通过数学反演的方法建立地下速度模型和构造特征。
其中常用的方法包括射线追踪、线性反演、全耦合反演等。
4.分辨率评价：为了评价反演结果的可靠性，需要进行分辨率评价，判断反演结果的可信程度。
常见的评价方法包括主分量分析、模拟能力谱等。
地震层析成像的应用范围非常广泛。
在地质勘探中，通过层析成像可以直接观测到地下的速度结构变化，识别地下的构造和岩性界面，并预测可能存在的矿床等重要资源；在地震地质学中，层析成像可以用来研究地壳的构造和演化过程，例如地震断层的产生和活动等；在地球科学中，利用层析成像可以研究地球内部的动力学过程，了解地球的内部结构和演化历史。
总结起来，地震层析成像通过对地震波传播速度的观测和处理，能够反演出地下介质的速度结构和构造特征。
它是地球物理学中的重要研究方法，对于深入了解地球内部的构造和演化过程具有重要的意义。
地震层析成像作用地震层析成像是一种利用地震波传播特性来研究地下结构的方法。
它通过记录地震波在地下传播过程中的振幅和速度变化，进而推断出地下介质的物理性质和结构特征。
地震层析成像的原理是利用地震波在不同介质中传播速度不同的特点。
当地震波传播到地下的不同介质边界时，会发生折射、反射和散射等现象。
这些现象会导致地震波的振幅和传播速度发生变化。
通过对这些变化的观测和分析，可以获取地下介质的信息。
地震层析成像的过程可以分为数据采集、数据处理和图像重建三个步骤。
首先，需要在地表上布置一定数量的地震仪器，记录地震波在地下传播的振幅和到时信息。
然后，通过对这些地震记录数据进行处理，可以得到地震波传播的速度和振幅变化信息。
最后，利用这些信息，可以通过数学算法和计算机模拟，将地震波传播的路径和地下介质的边界进行重建，得到地下结构的图像。
地震层析成像在地质勘探、地下水资源调查、地震灾害评估等领域有着广泛的应用。
在地质勘探中，地震层析成像可以帮助人们了解地下油气储层、矿床和岩石构造等信息，为资源勘探提供依据。
在地下水资源调查中，地震层析成像可以帮助人们确定地下水的分布、深度和储量，为水资源的开发和利用提供指导。
在地震灾害评估中，地震层析成像可以帮助人们了解地震破坏情况和地震波传播路径，为灾害预防和减灾提供支持。
地震层析成像的发展离不开地震仪器的进步和数据处理算法的改进。
随着地震仪器的数字化和自动化，可以采集到更精确的地震数据。
同时，数据处理算法的发展也使得地震层析成像的精度和分辨率有了很大的提高。
例如，引入了反演算法和正则化技术，可以提高数据处理的稳定性和可靠性，减小成像结果的误差。
地震层析成像是一种重要的地球物理勘探方法，可以通过分析地震波在地下传播的特性，推断出地下介质的物理性质和结构特征。
它在地质勘探、地下水资源调查、地震灾害评估等领域有着广泛的应用，并随着地震仪器和数据处理算法的不断改进，其成像效果和应用效益也在不断提高。
地震层析成像摘要：层析成像方法是一种公认的基于地震数据的有效方法，近20年来，层析成像方法发展迅速。
从原理上讲，层析成像方法可分为两大类，一是基于射线理论走时层析成像，二是基于波动方程的散射层析成像。
本文介绍新的层析成像方法及其技术，包括各向异性介质的2D立体层析成像；时移层析成像的超声数据试验；绕射层析成像的迭代方法：真振幅偏移的本质；用于速度模型构建的下行波折封层析成像和反射层析成像；多尺度波动方程反射层析成像，并在后面展开层析成像方法应用于构造速度模型的分析和实例。
关键字：层析成像；偏移成像；速度模型；克希霍夫偏移。
一、引言偏移成像在地震勘探和开发过程中，已经成为一种关键的地震数据处理技术。
成像的精度和可靠性依赖于速度模型的准确与否。
速度分析历来都是地震资料处理的基础工作，从均方根速度、层速度以及叠加速度等，贯穿于地震资料处理的方方面面，速度分析方法丰富多样。
迄今，层析成像方法是一种公认的基于地震数据的有效方法，近20年来，层析成像方法发展迅速。
从原理上讲，层析成像方法可分为两大类，一是基于射线理论走时层析成像，二是基于波动方程的散射层析成像。
后一种层析成像很复杂，正处于理论研究阶段。
尽管其实际应用不多，但却是层析成像的发展方向。
走时层析成像比较成熟，有很多的实际应用。
它又可细分为初至走时层析成像和反射走时层析成像。
初至走时层析成像方法简单直观，稳定性较好，主要应用于井间地震以及近地表的速度分析，但是，初至走时层析成像由于只利用初至走时，所以，得到的速度模型比较粗糙，分辨率也较低。
反射层析成像主要应用于地下速度和反射层深度的反演，以及叠前或叠后偏移的速度分析之中。
前者由于速度和深度之间的藕合关系，以及反射波到达时间及其层位难于拾取等，制约了它的广泛应用，但是，这是一种极具价值和潜力的反演方法。
后者则是利用经过叠前或叠后CRI道集中同相轴未被拉平的剩余时差，经过层析成像来修正用于偏移的速度模型。
地震波速度反射层析成像技术地震波速度反射层析成像技术是一种非侵入式地球物理勘探方法，通过分析地震波在不同介质中的传播速度变化，可以对地下构造进行成像。
这项技术在地质勘探、地下工程及地震灾害评估等领域有着广泛的应用。
地震波速度反射层析成像技术的基本原理是利用地震波在地下不同介质中传播速度不同的特性，通过接收地震波的反射信号，来推断地下结构的分布情况。
地震波在地下传播时，会遇到不同地层的变化，从而发生反射和折射。
通过接收地震仪记录的强度和时间信息，可以计算出地震波经过的路径和速度。
为了获得地震波速度反射层析成像技术的成像结果，需要进行一系列的数据处理工作。
首先，需要对采集到的地震数据进行预处理，包括去除噪声、补偿衰减等。
接着，通过对地震数据进行叠加处理，得到地震记录的剖面图像。
然后，利用地震波传播速度与地下介质的关系，进行反演计算，得到地下构造的速度分布情况。
最后，通过图像渲染和解释，可将地下结构呈现出来。
地震波速度反射层析成像技术在石油勘探中有着重要的应用。
通过对地下速度结构的揭示，可以进行油气储层的预测和定位。
同时，可以对油气井的选择和开发提供参考。
此外，地震波速度反射层析成像技术还可以帮助解决其他地下工程问题，如隧道、地铁的建设和设计。
通过对地下速度分布的了解，可以减少盲目施工带来的风险，提高工程的安全性和效率。
地震波速度反射层析成像技术在地震灾害评估中也扮演着重要的角色。
地震影响的程度与地下构造有着密切的关系。
通过对地震数据的处理和解释，可以确定地震波传播的路径和振幅变化，进而预测地震灾害的危险性。
这对于制定防灾减灾策略和保护人们的生命财产至关重要。
然而，地震波速度反射层析成像技术也面临一些挑战和限制。
首先，由于地下介质的复杂性，地震波往往会发生多次反射和折射，从而导致数据的解释困难。
其次，地震波传播速度会受到地下介质中其他因素的影响，如饱和度、温度等，这也给成像结果的准确性带来了一定的不确定性。
井间地震速度和Q值联合层析成像及应用严又生Ξ 宜明理 魏 新 万文曼 (石油地球物理勘探局研究院地质研究中心) (石油勘探仪器总厂)摘 要严又生,宜明理,魏新,万文曼.井间地震速度和Q值联合层析成像及应用.石油地球物理勘探, 2001,36(1):9～17 井间地震速度层析成像可用来解决油田井间储、盖层横向的连通性、纵向的接触关系等问题;井间地震的Q值层析成像能反映井间介质对弹性波的吸收情况,可用于估算有关储层参数。
通过利用井间地震初至波的旅行时及其频率特性进行地层地震速度和岩石Q值的联合层析成像,就可以综合利用地震波的运动学和动力学特征对井间储层进行更精确的描述。
对于求解井间地震介质分布的定解问题,基于地震射线成像算法中的正问题对地震波慢度沿射线的积分表现为时间场,衰减因子沿射线的积分反映介质的吸收情况,两者均可用结构类似的R adon变换表征。
因此,在反问题处理中手段基本相同,便于联合层析成像的实现。
而井间采集的地震波初至数据反映了透射波频率随地层岩性及储层变化的情况,由此,通过研究地震波频率和衰减系数的关系可加强对储层参数的认识。
主题词 井间地震 地震速度 品质因数Q 层析成像 衰减ABSTRACTYan Y ousheng,Y iM i ngl i,W e i X i n andW an W enman.Jo i n t to m ograph ic i m ag i ng for cross-hole se is m ic veloc ity and Q va lue.OGP,2001,36(1):9～17 Tom ograp h ic i m aging fo r cro ss2ho le seis m ic velocity can be u sed to so lve the p rob lem s such as lateral connectivity of reservo ir and cap rock in cro ss2ho le and ver2 tical con tacting relati on in o ilfield;tom ograp h ic i m aging fo r cro ss2ho le Q value can reflect the ab so rp ti on of elastic w ave by cro ss2ho le m edium and can be u sed to eval2 uate resp ective reservo ir p aram eters.It can describe p recisely the cro ss2ho le reser2 vo ir by u sing syn thetically the k inem atic and dynam ic featu res th rough u sing travel ti m e and frequency featu re of cro ss2ho le seis m ic first b reak fo r j o in t tom ograp h ic i m aging fo r seis m ic velocity of stratum and fo r Q value. Fo r the p u rpo se of fixed2so lu ti on p rob lem fo r finding so lu ti on of cro ss2ho le seis m ic m edium distribu ti on,fo rw ard p rob lem based on seis m ic ray i m aging algo2 rithm con sists of tw o p arts:in tegrati on of seis m ic w ave slow ness along ray rep re2 sen ts a ti m e field;in tegrati on of attenuati on facto r along ray reflects ab so rp ti on of m edium.Bo th of them can be characterized by structu ral si m ilar R adon tran sfo rm. T herefo re,p rocessing m easu re is basically sam e in inverse p rob lem and facilitate to fu lfill the j o in t tom ograp h ic i m aging.Seis m ic first b reak acqu ired from cro ss2ho le reflects variati on of tran s m issi on w ave frequency w ith strat2um and reservo ir,so it ΞY an Y ousheng,Geo logical Research Center,GR I,BGP,P.O.Box No.1121,Zhuozhou City,Hebei Province,072751,China本文于1999年12月24日收到。
can strengthen know ledge of reservo ir p aram eters by studying a relati on ofseis m ic w ave frequency to attenuati on facto r.Subject ter m s:cro ss2ho le seis m o logy,seis m ic velocity,quality facto r Q,tom ograp h ic i m aging,attenuati on引 言 对于我国东部油田大多数储层为高度非均质、厚度薄(米级至更小)和砂泥岩互层的情况,常规的地球物理手段在油田开发领域的应用面临着巨大的挑战。
井间地震技术则是针对这种需求正在发展的一种地球物理勘探新技术。
我国自1990年以来,已先后在多个油田进行过十余次井间地震测量试验,并取得了一定的成果。
从地球物理角度看,这些成果主要包括井间地震波纵、横波速度层析成像和井间地震反射波成像。
由于井间地层介质的品质因数Q与地震波传播的衰减吸收特性有关,并且实验已证明衰减特性对储层岩石的孔隙率、渗透率和储层的(饱和度、黏度等)较为灵敏。
因此,最近几年美国和日本等地的地球物理学者在井间地震速度层析成像的基础上加强了井间介质的品质因数层析成像方法的研究[1],[2],力图拓宽其应用范围和效果。
利用井间地震波初至的动力学特征估算Q值的主要方法分为两类:一类是利用地震波的振幅信息;另一类是利用地震波的频率信息。
在研究及应用效果方面,前者目前面临的最大问题是振幅信息不保真、信噪比较低,主要原因是在数据采集过程中受到许多因素的影响,通常难以通过数据处理手段进行有效校正,使得估算的Q值精度不高。
后者则由于地震波的频率信息受畸变较小,据此计算的Q值精度较高。
Q uan和H arris(1997)提出了一种计算地震波初至频率变化的算法,即质心频率位移法(Cen tro id F requency Sh ift,简称CFS),通过分析信号的频率变化达到研究岩石的地震波衰减特性的目的。
在本文的讨论中,井间速度层析成像利用地震波初至的旅行时数据,Q值层析成像则利用地震波初至的质心频率数据。
国外学者的做法是先进行井间速度层析成像,然后利用速度成像的最终结果及对应的地震射线分布进行Q值层析成像计算。
其中的问题在于对于井间介质波阻抗差别大的地方,有可能出现地震射线盲区,据此势必影响Q值的层析效果。
而本文的思路是综合利用地震波初至的运动学和动力学特性进行井间介质速度和Q值联合层析,即在进行速度层析的过程中同时进行Q值层析成像,这样就能保证地震射线分布是在迭代过程渐变的,从而保证Q值的层析计算迭代过程更加稳定,使Q值层析成像效果更佳。
理论模型和实际数据的计算结果证实了这一点。
基 本 原 理速度层析成像地震层析成像可分为基于射线理论和波动理论两种。
由于应用条件的限制,目前多使用前者。
根据地震的射线理论,地震波在地下二维介质中传播的旅行时间T可用一个二维R adon 变换表示[3]∫S(x,y)d l=T(1)式中:S(x,y)为二维介质慢度;l为射线路径。
基于射线理论求解式(1)已有许多成熟的算法,具体的实现过程是根据已知的井间观测系统参数和测得的地震波旅行时估算井间速度分布,这里不再赘述。
Q值层析成像 品质因数Q是反映地层岩石吸收特性的一种参数,定义为岩石储能与耗能之比[4]。
在地震波理论中,品质因数Q与地震波在地层中传播的频率和速度、岩石的吸收特性有关。
通常有下列关系[5]Q(x,y)=ΠfΑ(x,y)v(x,y)(2)其中:Α(x,y)为吸收系数;v(x,y)为地层地震波层速度,可通过层析成像获得;f为地震波主频。
显然,如果能利用地震波信号反演岩石的吸收系数,就能估算出其Q值。
利用地震波的振幅信息计算岩石的参数受到许多条件的制约,诸如震源和检波器的耦合、地震波的散射、几何扩散损失以及激发和接收的方向特性等,而利用地震波的频率信息则受影响较小。
在忽略散射等情况下,可以假设影响地震直达波频谱形态的主要因素是岩石的衰减特性。
这样,由于衰减作用,地震波质心频率将由高向低变化。
通过计算地震波的质心频率漂移,可估算出岩石的吸收特性。
为了分析岩石衰减特性,根据Q uan和H arris[1]等提出计算质心频率的算法,有以下两点假设。
①忽略岩石的散射衰减,主要考虑来自岩石的内部衰减。
这种衰减将能量转换成热,并引起波的频散;②地震波的传播过程可用线性系统理论来表征,即对于给定的具有传输函数T(f)的线性介质,输入信号的振幅谱S(f)和输出信号的振幅谱R(f)有下列关系R(f)=T(f)S(f)(3)震源振幅谱的质心频率f S及方差Ρ2S为f S=∫∞0f S(f)d f∫∞0S(f)d f(4)和Ρ2S=∫∞0(f-f S)2S(f)d f∫∞0S(f)d f(5)同理,接收点的质心频率f R和方差Ρ2R为f R=∫∞0f R(f)d f∫∞0R(f)d f(6)Ρ2R=∫∞0(f-f R)2R(f)d f∫∞0R(f)d f(7)11第36卷 第1期 严又生等:井间地震速度和Q值联合层析成像及应用 对于带限的地震数据,地震波的衰减通常正比于频率。
