第十四讲地震波层析成像

地震波反演成像方法的理论分析与对比任浩然;王华忠;黄光辉【摘要】Based on the mathematical and physical theory of wave equation, the full waveform inversion, travel-time tomography, least squares migration and migration velocity analysis can be included into a same inversion frame. Based on Bayes theory, this paper analyzed and compared these methods. It is proved that the full waveform inversion can use most seismic information, but the overlying of different information increases the difficulty of its usage. Under the guidance of signature waveform inversion, the characterized information were extracted to carry out seismic inversion, and several schemes were analyzed and compared theoretically.%全波形反演、旅行时层析、最小二乘偏移和偏移速度分析具有相同的反演框架,以Bayes估计理论为基础对这些方法进行了分析和对比,证明了全波形反演能够利用最多的地震信息,但多重因素的叠加加大了其实用性的难度。

针对这一问题,以特征波形反演为指导,对提取的地震波场的特征化信息进行了地震反演,并对其反演方案进行了理论分析和对比。

地质层析成像技术的原理与应用地质层析成像技术是一种通过分析地下地质情况的技术手段，它可以帮助我们了解地球的内部结构，探索地下水资源，以及寻找矿藏等。

本文将介绍地质层析成像技术的基本原理，并探讨其在实际应用中的价值。

地质层析成像技术是一种基于物理探测原理的方法，主要通过测量地下地质体的物理属性差异，以构建地下地质横切面。

它利用地下介质对电磁波、地震波、重力、磁力等的反射、折射、散射等现象，来获取地下结构的信息。

具体来说，地质层析成像技术主要包括以下几个步骤：首先是数据采集，通过地质勘查仪器对地下进行测量和记录，获得大量的数据。

其次是数据处理，利用计算机算法对采集到的数据进行处理和分析，以提取出有用的信息。

这一步骤需要编写复杂的算法和模型，以实现对地下地质结构的准确描绘。

最后是数据解释，将处理得到的数据进行可视化，以便地质学家和地质工程师进行进一步的解读和分析。

地质层析成像技术在实际应用中具有广泛的价值。

首先，它可以帮助我们了解地球的内部结构。

地球是一个复杂的系统，通过地质层析成像技术，我们可以观察到地壳、地幔、地核等不同层次的结构，从而更好地理解地球的演化历程和板块运动的规律。

其次，地质层析成像技术可以用于寻找地下水资源。

地下水是人类生活和工业生产的重要水源之一，通过地质层析成像技术，我们可以确定地下水的储量和分布，有助于科学合理地进行地下水资源的开发与利用。

此外，地质层析成像技术还可以应用于矿产资源勘探。

矿藏的寻找是一项重要的任务，利用地质层析成像技术，可以探测到地下金属矿床、石油气藏等矿藏的位置和规模，为矿产资源勘探提供重要的依据和指导。

除了上述应用领域外，地质层析成像技术也可以在地质灾害预测和防治中发挥重要作用。

例如，地震灾害是一种常见的地质灾害，地质层析成像技术可以帮助我们预测地震的发生和活动区域，提前采取措施保护人民生命财产安全。

总之，地质层析成像技术是一项重要的地质勘查方法，它通过测量地下地质体的物理属性差异，以构建地下地质横切面，为我们了解地球的内部结构、探索地下水资源以及寻找矿藏等提供了重要的手段。

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。

地震层析技术的方法原理今天来聊聊地震层析技术的原理。

这东西听起来可挺玄乎的，就像在给地球做一个超级精密的CT扫描一样。

咱们先从一个生活中的现象说起吧。

你看啊，我们在一个大的空屋子里，如果想知道屋子里面哪里有东西，我们可以怎么做呢？我们可以站在不同的角落敲敲墙，然后听听声音有什么不同。

如果某个地方敲墙发出的声音很沉闷，可能那里就有个柱子或者什么固体的东西在墙后面；要是声音很空，那可能后面就是空的。

地震层析技术有点类似这个道理。

地球呢，就像咱们刚刚说的那个大屋子。

地震波就相当于我们敲墙发出的声音。

地震在地球内部产生地震波，这些波会在地球内部各个不同的介质里传播。

比如说，地球里面像岩浆这种软一点的东西和像岩石这些硬一点的东西，地震波在里面传播的速度就不一样。

就跟在水里游泳比在蜂蜜里游泳要畅快得多一样，地震波在软的介质里速度会慢一点、路径也有可能拐弯，在硬的介质里传播速度相对快且直直的就过去了。

有意思的是，我们在地球不同地方设置一些监测地震波的“小耳朵”，接收地震波的信号。

这时候就会有各种各样的数据过来，不同地点、不同方向的地震波数据就像是拼图的碎片。

就好比我们要拼一幅超级复杂的拼图，每块碎片上的图案就是地震波传递信息的表现。

老实说，我一开始也不明白这么海量的数据要怎么处理才能看到地球内部的结构呢。

这就要说到强大的数学算法和计算机技术啦。

科学家们利用数学算法，就像一位位聪明的侦探，从这些数据碎片中把地球内部结构一点点推理出来。

就像我们观察拼图碎片的图案来推断整个拼图应该是什么样子的。

这里面涉及到的专业术语“层析”，简单来说，就跟医院里的CT概念类似。

医院里的CT设备是一层一层扫描我们身体内部的结构，地震层析技术是想搞清楚地球内部一层一层的结构。

从这些数据里算出哪部分传播速度快慢，速度快的可能就是物质密度大比较坚硬的地方，速度慢的可能就是比较软或者有空洞的地方，最后把这些结果用图像展示出来，就像地球内部结构的一个剖面图。

地震深度成像目前，有许多勘探目标无法使用常规地震成像方法进行识别，而利用叠前深度成像技术，作业公司可以对包括最复杂构造在内的地质特征进行清晰成像。

这种准确的结果可以降低风险并帮助确定储量。

在上个世纪，地震解释人员普遍采纳在时间域处理和显示的地震图像。

在目前许多热点勘探地区，尤其是由于断裂或盐体侵入导致构造复杂和地震速度突变的地区，时间域处理方法可能产生容易使人误解的结果，只有深度成像技术可以确定地下构造特征的形态和真实的位置。

在有些情况下，深度域和时间域图像之间的差异，可能会形成或否定一个远景目标，导致构造扩大或缩小圈闭范围、目标偏离数百英尺或数百米以及储量增多或减少等，这种差异可能换来一口代价昂贵的干井而不是一个发现。

本文描述了深度成像技术演变为一种复杂地层特征成像的地震数据处理特殊技术的过程。

文中的研究实例介绍了在美国陆上、墨西哥湾和北海地区作业的石油公司是如何利用深度成像技术来改善其钻探成功率的。

地震勘探技术发展大事记在已经过去的20世纪里，有一些显著的、里程碑式的事件反映出地震勘探技术的进步。

虽然许多新技术从引入到实际采纳的成熟期要花费10年时间，但每项技术最终又都创造出新的勘探机会。

从上世纪20年代开始，人们引入单次覆盖模拟记录方法检测倾斜地层（下一页）。

[1] 在30年代，这项新技术是在盐丘周围获得发现的关键技术，成为标准应用方法。

到50年代，出现了共深度点（CDP）叠加技术实现的多次覆盖地震数据，使信噪比得到明显改善。

在60年代，人们引入数字数据采集和处理技术，取代了早期的模拟和光点法，使地震数据质量发生了重大改进，并在世界许多地区获得新的发现。

在整个70年代，数字数据和二维勘探成为常规技术，这些技术一起打开了北海和其它富有挑战性地区的勘探局面。

虽然时间域处理技术是标准方法，但人们引入和测试了二维叠后深度偏移方法。

首批小规模三维勘探数据在一些已开发油田采集，以便改善油藏划分的能力。

地震成像引言在地面记录的未经偏移的反射地震能量（例如共偏移距记录）通常可提供地下构造的强相干图像。

尽管是强相干的，但该图象是不正确的，原因在于它受到几种畸变作用的影响，最显著的影响是来自地质界面截断的绕射波和倾斜界面上反射点与地面位置间能量的横向移动。

地震成像就是校正这些畸变影响的地震处理手段。

在常规处理中，地震成像是众多处理手段的最终阶段。

全部地震处理过程包括能量增益化、反褶积、静校正和速度分析、NMO和DMO、叠加，最后到主要用于构造成像的偏移。

根据偏移数据体绘制地震构造图，然后在构造图上布置钻探目的层的勘探井位。

这种做法一直延续至今，但是偏移后的数据已逐渐被用于后续进一步处理的输入数据。

例如，当地质学家和工程师们联合攻关已做过3D地震工作的油田的油气开发问题时，他们把偏移后的地震数据体用作地震属性分析处理的输入数据，诸如瞬时相位或振幅随偏移距变化的处理中。

通过已知井与建议井位处地震属性特征的对比，我们就能预测出建议井位处的岩性特征。

例如，倘若在几口井中某一属性可能都与孔隙度观测值的相关性很好，那么这个属性就可用于估算其它井位处的孔隙度。

多年来，地球物理学家都在用地震数据在比地震波长小得多的尺度上估算岩石物性特征，但直到最近他们才对偏移数据实施这种处理，它代表了偏移应用的一个全新领域。

这也促使我们在偏移中要非常重视象振幅这样的参数的应用。

时间和深度、叠后和叠前、2D和3D地球物理学家习惯使用时间域记录的地震数据。

以往，他们乐于解释时间记录，甚至是偏移后的时间记录。

这就与在深度域工作的地质学家和油藏工程师产生了根本性的矛盾，同时也给许多通过设计偏移算法来摸索地球物理学规律的数学家和物理学家带来困惑。

尽管深度域的解释结果明显会更正确，但迫使地球物理学家这样做会妨碍他们解释地震数据的能力，例如在资料质量差的地区，在偏移前后剖面上难以确定一一对应的反射波同相轴。

所以，就有了时间域偏移（时间偏移）和深度域偏移（深度偏移），它们之间的差异远不是表面上的。

地震层析成像的正演与反演初步摘要本文通过设立一个平行层的地球模型，初始的震源位置和发震时刻，并改变震源出射角的值，求出射线到达地面的位置，以及射线到达台站的到时，获得了正演模型得走时。

并将正演结果用于反演。

在反演中，本文采用了赵大鹏的反演程序1，2，反演速度结构并与设立的模型比较，得到较满意的结果。

1、引言最初用于医学造影的成像技术自从上个世纪七八十年代引入地学后已经发展成为一项成熟的技术，越来越多地用于地球动力学，地幔对流，板块俯冲带及其演化历史，以及消亡的板块的演化历史的研究，并为板块构造理论提供有力的证据。

由于到达台站的地震波的到时与地震波在所穿过的物质中的波速有关，因此，分析地震波的到时数据就可以得到地下波速结构。

结合其它的地学证据，层析成像揭示出地幔由集中的上升结构与下降结构组成10。

高速带通常是冷的岩石圈板块在板块的会聚边界陷入地幔的区域3，6，10，11，12；集中的低速结构通常预示着热的岩浆活动3，10，例如太平洋板块与欧亚板块碰撞形成的火山岛弧下的岩浆活动3，以及东非裂谷带下大规模的岩浆活动，导致了非洲大陆的抬升10。

在对地震波的各向异性的研究中，James Wookey等8根据澳大利亚地震台站接收到的来自Tonga-Kermadec和New Hebrides俯冲带的深源地震的s波分裂，揭示出在该地区地幔中部约660km深处可能存在中部地幔分界层，阻断上下地幔的对流。

随着成像解析度的提高，现在已经能反演出地球深部的速度结构和异常，追述消亡的板块的演化历史5，11，12。

例如Van der Voo等10在西伯利亚1500-2800km深处发现了高速异常带，揭示了大约150-200百万年前Kular-Nera洋关闭，Mongolia-North China陆块与Omolon陆块结合的演化历史。

目前层析成像技术正向着高精确性，大数据量和适用性的方向发展，正反演数值计算方法的开发，成像方法的评价，成像结果的地学解释都是目前研究的方向。

地震反演方法概述地震反演是地球物理学中一种重要的方法，它通过分析地震波的传播和干涉现象，来推断地球内部结构和性质的手段。

地震反演方法广泛应用于地球内部结构研究、油气勘探和地震监测等领域。

本文将对几种常见的地震反演方法进行概述，并介绍其原理和应用。

一、层析成像法层析成像法是一种常见且较为简单的地震反演方法。

它基于地震波在地下传播的散射和衍射现象，通过收集地震记录并运用数学模型进行重构，来获得地下结构的图像。

层析成像法通常分为正演和反演两个步骤。

在正演过程中，我们根据地下介质密度、速度等参数，通过数值模拟计算地震波的传播路径和特征。

而在反演过程中，我们则根据实际观测的地震记录，通过优化算法来调整模型参数，以使计算结果与观测结果尽可能匹配。

通过多次迭代，最终得到地下结构的层析图像。

层析成像法在地球物理勘探、地震监测和地质调查中得到了广泛的应用。

它可以提供地下埋藏物、地质构造和油气储层的信息，对于资源勘探和环境灾害预测都具有重要意义。

二、全波形反演法全波形反演法是一种较为复杂但是精确度较高的地震反演方法。

它利用地震波传播的全部信息，即全波形数据，来获取地下介质的详细结构和性质。

全波形反演法需要对地下介质的密度、速度和衰减等参数进行高精度的估计。

全波形反演法的原理是通过对比模拟的地震波与实际观测波形之间的差异，来优化反演模型参数。

反演过程中，我们需要利用正演模拟得到的地震记录与实际观测记录之间的残差进行匹配，从而获取最优的地下介质参数。

全波形反演法在油气勘探、地球内部结构研究和地震灾害监测等方面具有重要应用价值。

它对于解决复杂地下介质中的高分辨率问题以及水下地质灾害预测等领域具有重要意义。

三、统计反演法统计反演法是一种基于概率统计理论的地震反演方法。

它通过对大量地震记录的分析与统计，来获得地下介质的统计属性和模型参数。

统计反演法在解决地球内部介质的不确定性和非均匀性方面具有独特优势。

统计反演法利用统计学的方法，构建许多模型样本，通过与实际观测数据的比较，从而推断地下介质的分布和性质。

基于地震波走时信息的层析成像技术研究方法综述作者：卢乙峰来源：《北极光》2016年第04期摘要：国际上对地震层析成像的研究始于上世纪70年代末，经过30多年的发展，地震层析成像方法逐渐成熟，并越来越广泛地被运用到地球物理各个领域中。

以地震层析成像方法的发展作为主线，主要介绍了基于地震走时的层析成像方法和所用地震数据的发展。

关键词：地震波；走时层析；成像介质；网格离散化反演20世纪70年代，地球物理学界根据医学CT的思想，利用地震波在地球内部传播的特性对地壳、上地幔结构进行了半定量的研究。

Aki等最先提出利用地震台站记录的波形来反演地球内部结构。

此后，地震层析成像成为了地球物理学研究的一个新领域。

随着计算机技术的进步和观测方法的日新月异，促使人们对地球的内部世界进行不断地探索。

地震波层析成像技术很快成为研究地壳和地幔速度结构的有力手段。

20世纪80年代，随着大规模集成电路的应用，计算机技术得到飞跃发展，二维数据的处理逐渐向三维数据过渡，使地球物理学家们可以“清晰”地了解地球内部的结构。

到20世纪90年代，各国逐渐加大了对地震事业的投入，无论是固定地震台站还是流动台站都有所增加，于是，以天然地震数据为主、人工地震数据为补充的各种地震层析成像方法如雨后春笋般出现，无论是在防震减灾还是地球物理勘探等领域都得到试验性研究并取得了明显进展。

因此，这种能以图像的方式直观反映地下物质结构属性的地震层析成像方法一出现即受到青睐，并极大地促进了人们对地球结构的认识和对动力学意义的探索历程，例如充分利用面波资料中的丰富信息，人们可以得到地壳、上地幔的精细结构，并指出全球介质速度异常不仅与地盾、大洋中脊、活动构造有关，还与海底年龄、热点分布有关。

地震层析成像技术的飞速发展使得利用地幔热动力模型来探讨地球岩石圈构造，尤其是地幔的非均匀结构成为现实，为人们提供探测地球内部“秘密”的强有力工具。

1基于地震波层析成像技术的简介地震层析成像计算流程主要包括模型参数化、正演、反演3个步骤，以下是以这3个步骤介绍地震层析成像方法。

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。

《地震层析成像概论》大作业张义蜜，2012260301272016-01-04目录1简述用于地震走时成像方法中的射线追踪算法及原理。

(1)1.1打靶法 (1)1.1.1近(旁)轴射线追踪 (1)1.1.2完全非线性打靶算法 (2)1.2弯曲(调整)法 (2)1.2.1伪弯曲法 (3)1.2.2其它弯曲算法 (3)1.3基于网格(节点)波前扩展的算法 (4)1.3.1快速行进法(FastMarchingMethod) (5)1.3.2最短路径算法 (6)1.3.3改进型最短路径算法 (8)1.4多次反射与透射波射线追踪 (9)1.4.1分区多步快速行进法(MultistageFMM) (9)1.4.2分区多步不规则最短路径算法(MultstageISPM) (10)1.5球坐标系中MultistageISPM算法原理 (10)1.6多值波前(射线)追踪 (12)2简述用于地震走时成像方法中的反演算法及原理。

(13)2.1反向投影算法 (13)2.1.1代数重建技术(ART) (13)2.1.2同时迭代重建技术(SIRT) (14)2.2梯度法 (14)2.2.1最速下降法 (14)2.2.2高斯-牛顿法 (15)2.2.3阻尼最小二乘法 (15)2.2.4共轭梯度(CG)法 (16)2.3全局最优化法 (16)2.3.1蒙特卡罗(MonteCarlo)方法 (16)2.3.2遗传(GeneticMethod)方法 (17)2.3.3模拟退火(SimulatedAnnealing)法 (17)3简述用于地方震走时成像方法中的炮检排列（作图）、基本步骤、以及最终目的 (18)3.1炮检排列 (18)3.2基本步骤 (18)3.3最终目的 (18)4如何进行反演解的评价，解得评价在地震成像中的意义如何？ (19)4.1分辨率和协方差矩阵 (19)4.2合成实验 (21)5简述采用L1和L2范数下的反演目标函数各自的优缺点，是否可以采用L1/L2范数混合下的反演目标函数，简述如何实现这一混合的反演目标函数。