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物探与化探, 2023, 47(5): 1198-1205 doi: 10.11720/wtyht.2023.1536

方法研究·信息处理·仪器研制

面波信息约束的初至波走时层析反演方法

张利振,, 孙成禹,, 王志农, 李世中, 焦峻峰, 颜廷容

中国石油大学(华东) 地球科学与技术学院,山东 青岛 266580

First-arrival wave travel time-based tomography inversion with surface wave information as constraints

ZHANG Li-Zhen,, SUN Cheng-Yu,, WANG Zhi-Nong, LI Shi-Zhong, JIAO Jun-Feng, YAN Ting-Rong

China University of Petroleum(East China),Qingdao 266580,China

通讯作者: 孙成禹(1968-),男,教授,主要从事地震波传播理论及地震勘探的教学科研工作。Email:suncy@upc.edu.cn

责任编辑: 叶佩

收稿日期: 2022-12-10   修回日期: 2023-08-8  

基金资助: 国家自然科学基金项目“基于石油勘探面波与P-导波的近地表纵横波速度一体化反演”(42174140)

Received: 2022-12-10   Revised: 2023-08-8  

作者简介 About authors

张利振(1999-),男,硕士研究生,主要从事初至波层析方面的研究工作。Email:1753549195@qq.com

摘要

射线层析反演过程中,有多种因素都会影响反演效果,如初始模型误差、低速夹层等。传统的初至波走时层析成像方法对模型进行约束或平滑处理,不仅会破坏模型参数与射线之间的相对关系,还会影响反演的稳定性。本文首先测试了不同初始模型下初至波走时层析反演的效果,提出一种面波信息约束的初至波走时层析反演方法。地震数据中面波具有能量强以及频散的特性,通过多道面波分析方法获取面波频散曲线,采用阻尼最小二乘法反演浅地表横波速度,以横波速度结构作为约束,建立纵波初始模型,在此基础上实现带有正则化的初至波走时层析反演。该方法充分利用了地震数据中的面波信息,弥补了层析反演的固有缺陷,提高了浅层结构反演的精度与稳定性,利用实际资料测试了该方法的有效性。

关键词： 走时层析; 正则化; 初始模型; 面波频散; 多道面波分析

Abstract

The performance of ray-based tomography inversion is affected by many factors,such as initial model error and low-velocity interlayer.The conventional tomography method based on first-arrival wave travel time,which constrains or smooths models,destroys the relative relationship between model parameters and rays and affects the inversion stability.By testing the performance of first-arrival wave travel time-based tomography inversion under different initial models,this study proposed a first-arrival wave travel time-based tomography inversion method with surface wave information as constraints.The process of this method is as follows:(1)Given that surface waves feature high energy and frequency dispersion in seismic data,the surface-wave frequency dispersion curves are obtained through the multi-channel analysis of surface waves;(2)Using the damped least squares method,the shallow-surface shear wave (S-wave) velocities are determined through inversion;(3)With the S-wave velocity structure as the constraint,the initial compressional wave (P-wave) model is established,and accordingly,the first-arrival wave travel time-based tomography inversion that considers regularization is achieved.This method improves the accuracy and stability of shallow structure inversion by fully utilizing the surface wave information in seismic data to counteract the inherent defects of tomography inversion.The effectiveness of this method has been verified using actual data.

Keywords： travel-time tomography; regularization; initial model; surface wave dispersion; multi-channel analysis of surface waves

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本文引用格式

张利振, 孙成禹, 王志农, 李世中, 焦峻峰, 颜廷容. 面波信息约束的初至波走时层析反演方法[J]. 物探与化探, 2023, 47(5): 1198-1205 doi:10.11720/wtyht.2023.1536

ZHANG Li-Zhen, SUN Cheng-Yu, WANG Zhi-Nong, LI Shi-Zhong, JIAO Jun-Feng, YAN Ting-Rong. First-arrival wave travel time-based tomography inversion with surface wave information as constraints[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2023, 47(5): 1198-1205 doi:10.11720/wtyht.2023.1536

0 引言

在地震勘探中,浅地表速度结构对于静校正、速度分析、波形反演以及深部油气勘探等有重要意义。由于浅地表的岩性不同以及低降速带、潜水面、表层岩性界面吸收性强的原因(总结为采集条件差,地震波能量衰减问题),使得地震勘探难度大大增加,需要采取更多的手段来解决复杂的浅地表问题[1]。地震波走时层析是通过地震波走时场反演地下速度结构,具有简便高效的特点,在油气勘探、工程勘探和天然地震等诸多领域进行了广泛应用。

初至波包括直达波、折射波、回折波[2],而层析一般使用直达波或者折射波来反演浅地表速度结构,能够反映介质横向的速度变化,利用长波长信息准确地反演浅地表纵波速度。然而,初至波层析的目标函数中包含大型稀疏矩阵,会使反演结果不适定。正则化是地球物理反演过程中比较重要的因素,能够降低初至波层析反演的多解性,已知模型的一些先验信息在目标函数中加入正则化可以提高反演效果[3]。如刘玉柱等[4]在反演过程中加入不同的正则化方法实现层析速度建模;李辉等[5]在层析过程中加入Tikhonov模型正则化与预条件模型正则化。初至波走时层析反演受射线路径的约束,当地下存在低速层时,不会在该层产生折射波,因此在反演时不可能反演出低速层,这是初至波走时层析的理论缺陷,除层析反演的理论限制外,在实际应用中,初始模型的选择对反演效果有很大的影响,因此需要构造更加精确的速度场。

在自由地表激发后,产生地震波总能量的70%都是面波。面波能量非常强,在炮集上呈现为簇状分布,具有强振幅,低频低速。人们常把地震数据中的面波当作干扰噪声压制,可以采用频率域滤波、F-K滤波、小波变换等面波压制方法[6],如毕云云等[7]基于离散曲波变换字典和二维局部离散余弦变换字典(2D-LDCT)组合的形态成分分析法应用于地震数据的面波压制,李继伟等[8]利用自适应相减和Curvelet变换组合压制面波。但是有众多理论研究以及实际测试发现,面波的频散特性可以加以利用。伍敦仕等[9]提出fv-MUSIC方法准确获取地震记录中的频散曲线;Stokoe等[10]提出面波谱分析方法(SASW),刘江平等[11]利用相邻道计算频散曲线,提高成像横向分辨率;多道面波分析方法(MASW)自20世纪90年代Xia等[12]提出以来,王志农等[13]利用多道面波分析法反演三维横波速度结构;Li等[14]提出SCG-MASW方法提高横向分辨率;邓小娟等[15]利用浅层反射地震数据面波与初至波信息分别反演,得到纵横波速度比以及泊松比;陈淼等[16]依据面波反演与初至波层析成像联合探测济南泉域近地表速度结构。因此,充分利用地震数据中的面波信息进行浅地表速度反演,利用泊松比转化成纵波速度模型,可以为初至波层析提供可靠的速度模型[17-18]。

本文通过分析初始模型对初至波走时层析反演的影响,得到层析反演的选取策略。采用多道面波分析方法获取横波速度结构,通过泊松比转化为纵波速度作为层析的初始模型,同时约束层析的目标函数,实现了面波信息约束的初至波走时层析反演。理论模型测试表明了面波与初至波的结合可以提高浅地表速度反演的精度与稳定性,证明了该方法的正确性。

1 面波信息约束的初至波走时层析反演方法

提取地震记录中的面波,可以拾取多种模式的频散曲线,拾取的精度越高,最后反演结果通常也越可靠[19]。传统的瑞利波的理论频散曲线计算局限于弹性介质的水平一维层状模型,对于横向变化较大的地层的瑞利波场无法提取出频散曲线。SASW方法是利用相邻两道的地震面波数据,对横向变化剧烈的地层识别能力较强,但是受观测系统炮检距与道间距相等的制约,误差较大。目前多道面波分析(MASW) [20]是最常用的分析方法,多道面波分析是指在地表用瞬态震源激发,通过多道固定的道间距均匀排列的检波器接收的信号,将浅层地震信号进行提取得到频率—速度域的频散曲线,反演频散曲线,得到横波速度与深度的变化曲线,多道面波分析计算获得的频率—相速度谱,是多道地震数据中面波平均作用的结果。多道面波分析法的原理如下:

设地震记录信号为U(x,t),对每道做傅里叶变换,得到的频谱为

$U（x,\omega ）=p(x,\omega )A(x,\omega ),$

式中:p(x,ω)为相位谱,A(x,ω)为振幅谱,频谱的形式变为

$U(x, \omega)=\mathrm{e}^{-\mathrm{i} k x+\varphi_{0}} A(x, \omega),$

式中:k=ω/Vω,ω为角频率,Vω为相速度。

通过傅里叶变换得到频率域的面波信号,利用相移法[21]提取出频散曲线后,根据频散曲线反演横波速度模型,通常反演方法包括线性的阻尼最小二乘法以及非线性的反演方法,比如蛙跳算法[22]、遗传算法[23]等。阻尼最小二乘法反演的原理如下,通过多次迭代求取使得目标函数最小的参数X值[24]。

首先设理论数据为F(X)=fi(X)i=1,2,…,m,观测数据为D=dii=1,2,…,m,其中m为观测数据的个数,参数X=x1,x2,…,xn,其中n为参数的个数。定义目标函数为

φ(X)=∑i=1mdi-fi(X)2。

在反演的具体过程中,反演参数实际上考虑横波速度与层厚度,依据横波速度和层厚度的初始值进行迭代反演。根据面波反演得到一维横波速度模型,利用泊松比转化为纵波速度,泊松比V的取值一般在(0.1,0.5)之间,可以根据初至波走时层析反演的纵波速度与瑞利波反演的横波速度来获取浅地表的近似值。三者的关系见式(4),然后组合平滑每一个道的反演结果[25],来近似作为近地表的二维纵波模型,最后将获取的纵波速度模型作为走时层析反演的初始模型。

$\frac{v_{\mathrm{P}}}{v_{\mathrm{S}}}=\sqrt{\frac{\lambda+2 \mu}{\mu}}=\sqrt{\frac{2(1-v)}{1-2 v}},$

式中:λ、μ为拉梅系数;υ为泊松比。

射线理论的初至波走时层析目标函数为:

LΔs=Δt。

通过面波反演的结果获取模型参数的分布特点,构建矩阵加入到层析反演目标函数中,扩展层析反演方程组来增加面波分析得到的先验信息。在反演过程中进行平滑处理是必要的,以减少由于错误数据和不确定性而引起的非唯一性。因此,扩展后的方程组如下:

LβDrλDssest=tobsβsaλh

式中:L为m×n维矩阵,矩阵元素Lmn为射线在模型参数单元内的长度;sest为慢度更新量;tobs为拾取的初至波走时;Dr是面波提供的初始模型;Ds为平滑矩阵,为(n-1)×n维一阶差分矩阵。

2 模型测试

2.1 模型建立与走时计算

为了验证本文方法的优势,采用一个含有速度递增的平层、低速层和背斜等多种构造的模型,模型大小为 401 m×81 m,离散化为401×81网格,网格间距为1 m×1 m。根据浅地表纵横波速度比,给定泊松比,随着地层的增加,纵横波速度比降低,对应泊松比减少。模型参数见表1,本文后续统一使用该模型。炮点与检波点都设置在地表,震源是主频为20 Hz的雷克子波,共41个炮点,第一炮位置(1 m,1 m),炮间距10 m,每炮对应71道接收。第一道位置(50 m,1 m),道间距5 m,观测系统如图1所示,单边激发双边接收,炮点和检波点同时移动。在实际选择炮点和检波点时候,确保面波的能量强或者说面波的“信噪比”高。偏移距不应太大,保证后续浅地表结构反演的精度。

表1   模型参数

Table 1  Model parameters

层号横波速度
/(m·s-1)		纵波速度
/(m·s-1)		泊松比密度
/(g·cm-3)
1300~410800~11000.422.0
23408000.392.0
361812000.322.0
474015000.342.0

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图1

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图1   观测系统示意

Fig.1   Schematic diagram of the observing system


图2a利用快速推进法计算走时场,在实际应用时则需要利用地震数据进行初至拾取,单炮正演计算得到的走时场的等高线以及射线路径见图2b、c。可以清楚地看到,射线路径在模型中的传播过程符合地震波传播规律。

图2

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图2   初至波层析正演

a—理论模型;b—走时场;c—射线路径

Fig.2   Forward modeling of first break wave tomography

a—theoretical models;b—travel-time;c—ray path diagram


2.2 初始模型对反演效果的影响

为对比不同初始模型下的层析反演效果,给定两个速度模型,速度递增模型见图3a,层状模型见图3c,分别做初至波走时层析反演(图3b、d)。

图3

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图3   递增初始模型反演

a—递增初始模型;b—递增初始模型层析反演结果;c—层状初始模型;d—层状初始模型层析反演结果

Fig.3   Inversion of incremental initial model

a—incremental initial model;b—tomography inversion map;c—layer initial model;d—tomography inversion diagram


抽取第270道分析,当初始模型为递增速度模型时,初至波层析反演对于浅层的回折波反演很好(图4a),但无法反演出低速层。由于层析反演受限于射线路径的覆盖范围,初始模型为层状模型时,大致可以看到背斜结构,但其他层位对应不上,速度的相对误差较大(图4b),两者都反演不出低速层以下的层位。对比可见: 初至波层析相较于全波形反演只能利用初至走时来反演近地表速度结构,反演结果只能得到近似的变化趋势,初至波走时层析受射线密度不均匀的影响,存在不能反演出低速层的理论缺陷,说明了层析反演对于初始模型的依赖性较强,给定一个合适的初始模型尤为重要。

图4

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图4   抽道速度对比

a—递增初始模型层析反演速度对比; b—层状初始模型层析反演速度对比

Fig.4   Comparison of pumping speed

a—comparison of incremental model tomographic inversion velocity;b—comparison of tomographic inversion velocity of layered model


2.3 面波信息约束的层析反演

模型正演出地震记录,可看面波在单炮炮集中的特征,呈现为簇状分布,如图5a所示;面波能量较强,对其利用相移法进行频散提取,得到如图5b所示的频散曲线。根据频散曲线进行厚度与速度同时反演,得到如图5c所示的横波速度;反演结果计算得到的频散曲线与理论频散曲线的拟合程度见图5d。

图5

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图5   面波数据处理

a—面波记录;b—频散曲线;c—反演横波速度;d—拟合程度对比

Fig.5   Surface wave data processing

a—surface wave recording;b—dispersion curve;c—inversion of shear wave velocity;d—comparison of fitting degree


把反演出的所有一维横波速度模型,每炮结果叠加平滑得到组合的二维横波速度(图6a);根据所得泊松比,转化为纵波速度模型(图6b),面波信息约束层析反演结果(图6c),对比真实模型来看,递增速度层、低速层和背斜等速度结构准确。抽道速度进行对比(图6d),对比结果说明面波反演结果转化为纵波速度模型为初至波层析反演提供的初始模型,初至波走时层析反演具有更高的分辨率。

图6

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图6   面波约束层析反演

a—横波速度模型;b—纵波初始模型;c—面波约束层析反演结果; d—抽道速度对比

Fig.6   Surface wave constrained tomography inversion

a—S-wave velocity model;b—P-wave initial model;c—surface wave constrained tomography inversion results;d—comparison diagram of pumping speed


3 实际资料

本文选取东部某地区的实际资料来测试面波信息约束的初至波走时层析反演方法,该测线共有28炮,道间距为1 m,主要步骤为:1)经预处理切除干扰波等,获得有效地震数据(图7);分别对每一炮进行频散分析,提取面波频散曲线;给定初始模型,反演得到一维横波速度。

图7

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图7   实际资料单炮地震记录

Fig.7   Actual data single-gun seismic records


2)组合每炮的一维横波速度,获取二维横波速度剖面(图8a),根据常用的近地表泊松比转化为纵波速度剖面(图8b),为初至波层析提供初始模型与模型约束。

图8

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图8   实际资料速度剖面

a—MASW反演横波速度剖面;b—层析反演纵波速度剖面;c—约束层析反演纵波速度剖面

Fig.8   Actual data velocity profile

a—MASW inversion of S-wave velocity profile;b—P-wave velocity profile inversion by constrained tomography;c—P-wave velocity profile inversion by tomography


3)利用手动拾取的方法来拾取初至走时,保证初至拾取的准确度;建立初始模型以及模型网格化;初至波射线追踪正演。

4)初至波走时层析反演,不断迭代,使残差满足精度,见图8c。

对比来看,约束的初至波走时层析反演结果相较于无约束的初至波走时层析结果界面更清晰,细节方面反演得更好。虽然在实际反演过程中,泊松比是按照常用的近地表的大小给定的,但由该方法为初至波提供的初始模型有较强的约束性,可以使收敛速度更快,不需要迭代很多次就能达到很好的反演解,同时可以防止解的多解性。因此充分利用地震数据中的多种参数,对于浅部地层的位置与构造特征有更好的识别能力。

4 结论

本文重点研究了面波信息约束的初至波走时层析反演方法,通过模型测试得出以下结论:1)分析不同初始模型下初至波层析反演的效果,得出初至波走时层析受初始模型约束,更准确的初始模型可以提高层析反演精度,避免层析反演的固有缺陷。

2)地震数据中存在大量的面波信息,利用MASW方法,拟合二维横波速度,通过泊松比转化为纵波速度结构,为层析反演提供可靠的初始模型;已知模型参数分布特征,约束层析目标函数,可进一步提高层析反演的稳定性。

3)模型测试与实际资料结果表明,该方法有效地利用了地震数据中存在的面波信息,反演结果更准确,低速层界面清晰,地质构造准确,有效地提高层析反演的稳定性,对降低反演的多解性具有较好的效果。

参考文献

沈鸿雁, 王鑫, 李欣欣.

近地表结构调查及参数反演综述

[J]. 石油物探, 2019, 58(4):471-485.

DOI:10.3969/j.issn.1000-1441.2019.04.001      [本文引用: 1]

如何消除近地表对地震波场造成的影响是高分辨率反射地震勘探需要解决的核心问题之一。复杂的近地表地震-地质条件不但会严重影响采集参数的选择,而且会引起地震波能量被强烈吸收和衰减,并导致严重的静校正问题,获得精细的近地表结构特征及准确的参数模型是解决这些问题的关键。概述了近地表基本地质特征及其对地震波场的影响,回顾了近地表结构调查的方法和手段,系统总结了当前近地表地震波能量吸收衰减与Q补偿、速度反演与近地表结构参数建模的研究现状,深入分析了目前近地表结构参数获取及建模存在的问题和面临的挑战,针对日趋复杂的近地表地震地质条件和地震资料“三高”处理要求的不断提高,指出未来仍然需要在近地表地震波场传播规律及能量吸收衰减机理、联合反演、全波形反演、反射资料中的面波成像等方面进行持续深入的研究,以期获得精度更高的近地表结构及参数模型,使近地表对地震波场造成的不利影响得到有效控制。

Shen H Y, Wang X, Li X X.

Near-surface structure survey and parameter inversion review

[J]. Geophysical Prospecting for Petroleum, 2019, 58(4):471-485.

[本文引用: 1]

Levin F K.

Anatomy of diving waves

[J]. Geophysics, 2012, 61(5):1417-1424.

DOI:10.1190/1.1444066      URL     [本文引用: 1]

When velocity increases linearly with depth, rays are arcs of circles and reflections can come from the upper or lower surface (turning rays) of a dipping plane. In this paper, I examine the behavior of both types of reflections as a function of dip and azimuth. Reflections from the upper surface of a plane behave much like those for a constant velocity medium, the principal difference being movement downdip of a reflection point when the profile is in the strike direction. Reflections from the lower surface of a plane have no constant velocity analog. In addition to downdip movement of a reflection point for a strike line, the turning ray reflections have negative time stepout for a dip line and zero stepout for a profile near 45° from dip.

Engl H W, Hanke M, Neubauer A. Regularization of Inverse Problems[M]. Berlin: Springer Science and Business Media, 1996.

[本文引用: 1]

刘玉柱, 董良国, 夏建军.

初至波走时层析成像中的正则化方法

[J]. 石油地球物理勘探, 2007, 42(6):682-685,698.

[本文引用: 1]

Liu Y Z, Dong L G, Xia J J.

Regularization method in first arrival wave tomography

[J]. Oil Geophysical Prospecting, 2007, 42(6):682-685,698.

[本文引用: 1]

李辉, 王华忠, 张兵.

层析反演中的正则化方法研究

[J]. 石油物探, 2015, 54(5):569-581.

DOI:10.3969/j.issn.1000-1441.2015.05.010      [本文引用: 1]

正则化可显著降低层析反演解的非唯一性，提高层析反演结果的质量。主要研究了模型参数正则化和数据正则化。地下介质参数之间的关联性如何加入模型正则化是讨论的问题之一；观测数据之间的关联性加入数据正则化的方法则是另一个主要议题。此外，讨论了Tikhonov正则化和预条件两种模型正则化实现策略，指出前者理论比较直观，后者计算效率更高，并证明了两者在理论上的等价性。模型正则化通过构造各向异性光滑算子加入地质构造特征，数据正则化则通过在层析矩阵中加入预先构造的数据预条件矩阵来实现。通过层析偏移速度分析给出了模型正则化和数据正则化的具体实现策略。理论分析和层析偏移速度分析的数值实验说明本文的模型正则化和数据正则化可显著提高层析反演的质量。

Li H, Wang H Z, Zhang B.

The study of regularization in tomography

[J]. Geophysical Prospecting for Petroleum, 2015, 54(5):569-581.

DOI:10.3969/j.issn.1000-1441.2015.05.010      [本文引用: 1]

<p>Regularization in tomography is able to weaken the non-uniqueness of tomography to improve the inversion resultThe discussion of regularization in this paper includes model-regularization and data-regularizationModel parameters are not isolated,how to add the relationship of these parameters into tomography is one of the missions hereSimilarly,considering datum relationship in tomography is another problemThe so-called &ldquo;straightforward regularization&rdquo; and the &ldquo;precondition regularization&rdquo; are focused,and we achieve that the former is intuitionistic and the latter is more efficiencyAlso,we point out that the above two algorithms are equivalent to each other,and this will be shown in this paperThe geological structure characteristics of the medium can be integrated into the tomography using the model-regularization with anisotropic smooth matrix.The data-regularization is realized with another smooth operator which will be integrated into the tomographic matrix.The model-regularization and data-regularization are tested with tomographic migration velocity analysis (MVA) algorithm.The results of theory and numerical experiments with tomographic MVA show that the proposed model-regularization and the data-regularization are both able to improve the quality of tomography obviously.</p>

张军华, 吕宁, 田连玉, 等.

地震资料去噪方法、技术综合评述

[J]. 地球物理学进展, 2005, 20(4):1083-1091.

[本文引用: 1]

Zhang J H, Lyu N, Tian L Y, et al.

An overview of the methods and techniques for seismic data noise attenuation

[J]. Progress in Geophysics, 2005, 20(4):1083-1091.

[本文引用: 1]

毕云云, 汪金菊, 徐小红, 等.

基于离散曲波变换字典和二维局部离散余弦变换字典组合的面波压制

[J]. 石油物探, 2017, 56(2):222-231.

DOI:10.3969/j.issn.1000-1441.2017.02.009      [本文引用: 1]

根据地震记录中面波和反射波形态结构的差异性,将基于离散曲波变换字典和二维局部离散余弦变换字典(2D-LDCT)组合的形态成分分析法应用于地震数据的面波压制。首先选取离散曲波变换字典来稀疏表示面波分量,选取二维局部离散余弦变换字典来稀疏表示反射波分量,然后建立地震记录在两种字典下的面波分离模型,最后通过块协调松弛算法求解该模型来分离出两种分量,实现对面波的有效压制。合成地震记录及实际地震记录试验处理结果表明,该方法在有效压制强面波干扰的同时,能够较好地保护反射波信号。

Bi Y Y, Wang J J, Xu X H, et al.

Ground roll attenuation based on the combination of discrete curvelet transform dictionary and two-dimensional local discrete cosine transform dictionary

[J]. Geophysical Prospecting for Petroleum, 2017, 56(2):222-231.

DOI:10.3969/j.issn.1000-1441.2017.02.009      [本文引用: 1]

According to the different morphological characteristics between ground roll and reflected wave in seismic record,we use morphological component analysis based on the combination of discrete curvelet transform dictionary and two-dimensional local discrete cosine transform dictionary to attenuate ground roll.Firstly,we choose discrete curvelet transform dictionary to sparsely represent ground roll,and two-dimensional local discrete cosine transform dictionary to sparsely represent reflected wave respectively.Then the ground roll separation model of seismic record can be constructed under the two dictionaries.Finally,by solving the model using block coordinate relaxation algorithm,we can separate the ground roll and reflected wave and thus attenuate ground roll effectively.The processing results of synthetic and real seismic records indicate that our method can not only suppress strong ground roll noise but also preserve reflected wave effectively.

李继伟, 臧殿光, 刁永波, 等.

自适应相减和Curvelet变换组合压制面波

[J]. 石油地球物理勘探, 2020, 55(5):1005-1015.

[本文引用: 1]

Li J W, Zang D G, Diao Y B, et al.

Adaptive subtraction and Curvelet transforms combine to suppress surface waves

[J]. Oil Geophysical Prospecting, 2020, 55(5):1005-1015.

[本文引用: 1]

伍敦仕, 孙成禹, 林美言.

基于频率—速度域多重信号分类的面波高分辨率频散成像方法

[J]. 石油物探, 2017, 56(1):141-149.

DOI:10.3969/j.issn.1000-1441.2017.01.016      [本文引用: 1]

准确的相速度频散图像是主动源面波勘探方法反演近地表横波速度的基础。提出了一种基于频率-速度域多重信号分类(multiple signal classification in frequency-velocity domain)的面波高分辨率频散成像方法(简称fv-MUSIC方法)。该方法首先将传统的频率-波数域波束形成器改造成频率-速度域形式,然后引入多重信号分类算法将空间谱相关矩阵分解为信号子空间和噪声子空间两个部分,最后利用噪声子空间部分生成最终的面波频散图像。理论数据和实际数据应用结果表明,该方法能产生较高精度的相速度图像,并且使用方便,计算效率高,尤其当接收排列较短时,该方法依然能保持较高的相速度分辨率,有利于提高主动源面波方法的横向速度分辨能力。

Wu D S, Sun C Y, Lin M Y.

High resolution dispersion imaging of surface waves based on multiple signal classification in frequency-velocity domain

[J]. Geophysical Prospecting for Petroleum, 2017, 56(1):141-149.

DOI:10.3969/j.issn.1000-1441.2017.01.016      [本文引用: 1]

Accurate phase velocity dispersion image is the basis of surface wave inversion for near-surface shear wave velocity.We present a high resolution dispersion imaging method of surface wave named multiple signal classification in frequency-velocity domain (fv-MUSIC) based on multiple signal classification in frequency velocity domain.Firstly,a beam-former is constructed in frequency velocity domain instead of the conventional frequency wavenumber domain.Secondly,the MUSIC algorithm is introduced to decompose the spatial-spectral cross-correlation matrix into signal and noise subspaces.At last,the ultimate surface wave dispersion image is produced using the noise subspace.Theoretical and real surface wave data processing cases indicate that it has the advantages of convenient operation,less calculation time and high resolution phase velocity images.Especially when the length of receiving array is shorter,the fv-MUSIC method still remains higher phase velocity resolution.It helps to improve the lateral shear wave velocity resolution of the active source surface wave method.

Stokoe K H, Nazarian S P.

Effectiveness of ground improvement from spectral analysis of surface waves

[C]// Helsinki:8th European Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering, 1983:91-94.

[本文引用: 1]

刘江平, 侯卫生, 许顺芳.

相邻道瑞雷波法及在防渗墙强度检测中的应用

[J]. 人民长江, 2003, 34(2):34-36,56.

[本文引用: 1]

Liu J P, Hou W S, Xu S F.

Adjacent-channel transient Rayleigh wave method and its application in compression strength test of water-tight wall

[J]. Yangtze River, 2003, 34(2):34-36,56.

[本文引用: 1]

Xia J, Miller R D, Park C B.

Estimation of near-surface shear-wave velocity by inversion of Rayleigh wave

[J]. Geophysics, 1999, 64(3):1390-1395.

[本文引用: 1]

王志农, 孙成禹, 伍敦仕.

基于面波信息的近地表三维横波速度建模

[C]// 中国石油学会2019年物探技术研讨会论文集, 2019:1186-1189.

[本文引用: 1]

Wang Z N, Sun C Y, Wu D S.

Near-surface 3D shear wave velocity modeling based on surface wave information

[C]// Chinese Petroleum Society, 2019:1186-1189.

[本文引用: 1]

Li H X, et al.

Multichannel analysis of surface waves based on short array stacked Correlation gather

[J]. Soil Dynamics and Earthquake Engineering, 2021:146.

[本文引用: 1]

邓小娟, 酆少英, 左莹, 等.

利用浅层反射地震资料中的面波与初至波研究剖面浅部结构

[J]. 大地测量与地球动力学, 2019, 39(4):425-431.

[本文引用: 1]

Deng X J, Feng S Y, Zuo Y, et al.

Research on shallow structure using the surface wave and primary wave of shallow reflection seismicdata

[J]. Journal of Geodesy and Geodynamics, 2019, 39(4):425-431.

[本文引用: 1]

陈淼, 王志辉, 刘振东, 等.

城市地下空间资源探测:面波与初至波层析成像联合探测济南泉域近地表速度结构

[J]. 地球物理学进展, 2022, 37(2):786-796.

[本文引用: 1]

Chen M, Wang Z H, Liu Z D, et al.

Exploration of urban underground space resources:combined wave and first arrival tomography to detect near surface velocity structure in Jinan spring area

[J]. Progress in Geophysics, 2022, 37(2):786-796.

[本文引用: 1]

黄兴国, 孙建国, 孙章庆, 等.

基于复程函方程和改进的快速推进法的复旅行时计算方法

[J]. 石油地球物理勘探, 2016, 51(6):1109-1118.

[本文引用: 1]

Huang X G, Sun J G, Sun Z Q, et al.

Calculation method for multiple travel based on the return function equation and the improved rapid propulsion method

[J]. Oil Geophysical Prospecting, 2016, 51(6):1109-1118.

[本文引用: 1]

Li S W, Vladimirsky A, Fomel S.

First-break traveltime tomography with the double-square-root eikonal equation

[J]. Geophysics, 2013, 78(6):U89-U101.

DOI:10.1190/geo2013-0058.1      URL     [本文引用: 1]

First-break traveltime tomography is based on the eikonal equation. Because the eikonal equation is solved at fixed-shot positions and only receiver positions can move along the raypath, the adjoint-state tomography relies on inversion to resolve possible contradicting information between independent shots. The double-square-root (DSR) eikonal equation allows not only the receivers but also the shots to change position, and thus describes the prestack survey as a whole. Consequently, its linearized tomographic operator naturally handles all shots together, in contrast with the shotwise approach in the traditional eikonal-based framework. The DSR eikonal equation is singular for the horizontal waves, which require special handling. Although it is possible to recover all branches of the solution through postprocessing, our current forward modeling and tomography focuses on the diving wave branch only. We consider two upwind discretizations of the DSR eikonal equation and show that the explicit scheme is only conditionally convergent and relies on nonphysical stability conditions. We then prove that an implicit upwind discretization is unconditionally convergent and monotonically causal. The latter property makes it possible to introduce a modified fast matching method thus obtaining first-break traveltimes efficiently and accurately. To compare the new DSR eikonal-based tomography and traditional eikonal-based tomography, we perform linearizations and apply the same adjoint-state formulation and upwind finite-differences implementation to both approaches. Synthetic model examples justify that the proposed approach converges faster and is more robust than the traditional one.

邓乐翔. 瑞雷波场正演模拟及频散曲线的提取[D]. 西安: 长安大学, 2010.

[本文引用: 1]

Deng L X. Rayleigh wave field simulation modeling and frequency dispersion curves of extraction.[D]. Xi’an: Chang’an University, 2010.

[本文引用: 1]

卢建旗. 多道面波分析方法及其应用研究[D]. 哈尔滨: 中国地震局工程力学研究所, 2013.

[本文引用: 1]

Lu J Q. Multi-channel analysis of surface wave and its utility[D]. Harbin: Institute of Engineering Mechanics,China Earthquake Administration, 2013.

[本文引用: 1]

伍敦仕. 基于面波信息的近地表参数反演方法研究[D]. 青岛: 中国石油大学(华东), 2018.

[本文引用: 1]

Wu D S. Study on inversion methods of near-surface parameters based on surface-wave information[D]. Qingdao: China University of Petroleum(East China), 2018.

[本文引用: 1]

Sun C Y, Wang Y Y, Wu D S, et al.

Nonlinear Rayleigh wave inversion based on the shuffled frog-leaping algorithm

[J]. Applied Geophysics, 2017, 14(4):551-558.

DOI:10.1007/s11770-017-0641-x      [本文引用: 1]

赵东, 王光杰, 王兴泰, 等.

用遗传算法进行瑞利波反演

[J]. 物探与化探, 1995, 19(3):178-185.

[本文引用: 1]

Zhao D, Wang G J, Wang X T, et al.

The application of genetic algorithm to Rayleigh wave inversion

[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 1995, 19(3):178-185.

[本文引用: 1]

裴江云, 吴永刚, 刘英杰.

近地表低速带反演

[J]. 长春地质学院学报, 1994, 24(3):317-320.

[本文引用: 1]

Pei J Y, Wu Y G, Liu Y J.

Near-surface low-speed band inversion

[J]. Journal of Changchun University of Earth Sciences, 1994, 24(3):317-320.

[本文引用: 1]

林美言. 基于面波信息的近地表品质因子反演方法研究[D]. 青岛: 中国石油大学(华东), 2017.

[本文引用: 1]

Lin M Y. Research on inverting quality factor of near surface based on surface waves[D]. Qingdao: China University of Petroleum(East China), 2017.

[本文引用: 1]

沈鸿雁, 李庆春, 严月英, 等.

多道瞬态面波相速度分析

[J]. 石油物探, 2016, 55(5):692-702.

DOI:10.3969/j.issn.1000-1441.2016.05.008     

提取相速度是面波数据处理的核心内容之一,其准确程度将直接影响到面波勘探的成效。借鉴传统反射波速度分析方法的思想,基于二维傅里叶变换理论,通过深入分析相速度(v<sub>R</sub>)与频率(f)、波数(k)之间的关系以及面波有效探测深度(h)与波长(&lambda;<sub>R</sub>)之间的关系,建立了多道瞬态面波相速度分析方程组,然后将实测多道瞬态面波的f-k谱转换成面波相速度分析谱(h- v<sub>R</sub>谱),并建立了多道瞬态面波相速度分析处理流程,最终形成了一套有效的多道瞬态面波相速度分析方法。理论模型数据处理结果验证了该方法的有效性,并将其应用于反射地震资料中的瑞雷面波处理。与传统f-k方法的处理结果相比较,该方法不但能有效提取面波相速度参数,而且相速度与深度对应直观,可直接用于解决实际地质问题。

Shen H Y, Li Q C, Yan Y Y, et al.

Phase velocity analysis of multi-channel transient surface wave

[J]. Geophysical Prospecting for Petroleum, 2016, 55(5):692-702.

DOI:10.3969/j.issn.1000-1441.2016.05.008     

<p>Phase velocity extraction is one of the core steps of surface wave data processing,and its accuracy will directly affect the results of surface wave survey.Inspired by the idea of the conventional reflection wave velocity analysis method,and on the basis of 2D Fourier transform theory,the relationship among the phase velocity (vR),frequency (f) and wave number (k) as well as the relationship between the effective penetration depth (h) and wavelength (&lambda;R) of surface wave were analyzed,and the equations for phase velocity analysis of multi-channel transient surface wave were built.Then,the measured f-k spectrum of multi-channel transient surface wave was transformed into phase velocity analysis spectrum (h- vR spectrum),and the processing workflow for velocity analysis of multi-channel transient surface wave was established.Finally,a set of effective phase velocity analysis methods of multi-channel transient surface wave was formed.Theoretical model testing results prove the effectiveness of the method.Moreover,the method is applied to the processing of Rayleigh wave in reflection seismic data.The results show that the method can effectively extract the phase velocity parameters of surface wave,and the variation of phase velocity versus depth is intuitive,which can be directly used to solve geological problem.</p>

Fomel S.

Shaping regularization in geophysical-estimation problems

[J]. Geophysics, 2007, 72(2):R29-R36.

DOI:10.1190/1.2433716      URL    

Regularization is a required component of geophysical-estimation problems that operate with insufficient data. The goal of regularization is to impose additional constraints on the estimated model. I introduce shaping regularization, a general method for imposing constraints by explicit mapping of the estimated model to the space of admissible models. Shaping regularization is integrated in a conjugate-gradient algorithm for iterative least-squares estimation. It provides the advantage of better control on the estimated model in comparison with traditional regularization methods and, in some cases, leads to a faster iterative convergence. Simple data interpolation and seismic-velocity estimation examples illustrate the concept.

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