成像和反演简介

Imagingandinversion—Introduction成像和反演一简介地震成像和反演技术是用于将纪录下来的地震波场转换为具有物理意义的易于辨别的地球内部的图像相应方法常常应用在具有肯定规模的浅层调查，通过表征矿物储层和油气勘探，气体封存，热液争论，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采用全波场和简单的采集策略，和不同的工业分支一样，在学术界快速进展受启发于在2022年4月胜利进行的欧洲地球物理学会年会上关于地震反演成像的争论进展我们准备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盼望不仅能够促进那些为不同目标工作的不同团体传递学问和相互沟通，而且能够鼓舞那些改进了成像/反演和地层表征的新的具有独立规模的成像/反演技术的进展在2022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盼望在以后一期的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特别广泛涵盖了不同的方法技术和反演问题的不同方面，从钻孔争论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争论领域的广泛爱好，也表明白这特殊的一期的最初目的已经胜利的达到了我们已经把这些论文归为四个主要类别分别为⑴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，我们也尝试依据论文的详细主题进行了分类，Brossier等人介绍了2D弹性频率域全波形反演在一个实际合成陆上事例的的应用一些基于复数频率分层反演的多尺度策略被评估为进行体波和面波联合反演的方法Smirhyman等人介绍了在一个工程环境下采用近地表地震数据的波形层析成像反演的结果一些高速子波长目标被成像在大约7m的深度处Jaiswal等人将频率域全波形反演应用于印度东北部的Naga逆冲断层带来解释一个简单的背冲系统Yang等人为了同时从垂直入射界面地震和零井源距垂直地震剖面VSP数据确定品质因子Q介绍了一个1D粘弹性波形反演方案为了得到一个更现实的Q值图像，他们基于变井源距VSP和叠前地层地震数据做了Q的层析成像反演结果表明品质因子能够指示储层评价Plessix表明采用一个波动方程的基于多栅迭代求解程序能有效地实施3D频率域全波形反演合糊口实际资料范例阐明白这个方法的相关性，特殊是对于建立一个速度模型的浅层部分的状况Chang和McMechan使用全波场线性反演来估算由VTIHTI和正交地层的三重量合成数据得来的各向异性参数由地层的顶层及地层反射得到的明确的拟合振幅解决了在仅考虑时间和进一步供应的各向异性参数的状况下关于速度和深度的取舍问题Krebs等人证明通过反转震源的非相关和与在迭代间转变这个非相关和能够显著提高迭代全波场反演的计算效率作者争论了这种方法用于形成非相关和的编码的灵敏度反转数据的信噪匕5口原始模型的精确度创新方法Weglein等人描述了直接反演和间接的或在相反意义上的一个已解决的正演模拟方法间的重要区分这些区分是基本的，这些不同包括1你实际上正在解决的问题是你预备去解决的那个并且⑵算法上的不同，和先验信息的需求，和资料的需求在他们的第一篇论文中，Zhang和Weglein针对一个垂直速度和密度不同的声学介质推导并且测试了逆散射系列中一个特定的直接非线性反演子系列的任务这个方法不需要模型匹配或最优化方案在他们的其次篇论文中，Zhang和Weglein介绍了直接非线性目标的识别方法和纵波速度，横波速度及密度都与深度有关的1D弹性介质的算法该算法明确的证明白，为了实现完全弹性反演数据的全部部分例如PPSP和SS数据都是必需的Bernauer等人介绍了一个基于转动和平移的地表运动相对测量的地震层析成像的新颖的变量通过争论中介绍的合成测试，他们推断这个相对位移和旋转测量值有使层析成像图像更好处理和更加逼真的潜能Veeken等人介绍了一个演化的反演方法和油藏描述工作流程，即使用一个穿过Shtokman场的叠前地震体作为输入，并且使用七口掌握并进行校准真实的3D方法快速，稳健，简洁使用，并且被统一到一个地震工作站环境中去然而从某种角度讲，这些类别和整理是比较随便的，由于一些论文也很适合被分到其他类别中去通过观看深度成像论文，有着用叠前/深度方法渐渐替代叠后/时间算法的一般趋势几乎没有论文对NMO/DMO工作流程相关的进展进行汇报，这可能是由于大多数成像/反演任务不得不处理地下界面渐渐增加的简单构造这一方面的最终目标是提高辨别率和成像质量由此，很久以前曾提出采用特定的波场属性（慢度/坡度等），然而，提交上来的论文表明这一手段仍是一个具有吸引力的选项，并且使各种实现有了显著改善与更多的构造深度成像方法相比，采用初至波走时导出的速度模型仍旧是大多数地震工作流程的主要步骤之一在本附录中有几篇论文对这些旅行时间层析成像方法的一些详细的特点和最近的进展进行了争论，特殊是在浅地的应用（参见2022年9-10月的GEOPHYSICS附录有关深度成像速度估算的部分）对地下界面目标的综合表征的全波场反演和尽可能的导出速度及其他地震参数（纵波和横波速度，衰减等）是当前的争论趋势在这个争论领域关于全波形反演的不懈努力与各种方法的特征（优点和缺点）的最优化和理解有着主要的联系，包括但不限于在时间域或频率域中的实现；所采纳的近似值（声学和粘弹性）的正确性，和处理大尺度3D事例的可行性本附录中的相应论文表明这些技术正变得越来越成熟，并且实际方面和结果很大程度得益于相关的进展和进步，即使它们距日常应用还有一步之遥然而，结果表明这个争论方向毫无疑问是极具价值的，并且将在不远的将来得到更多的关注全部方法的持续趋势是通过渐渐放弃对粘滞弹性体或多孔弹性体在各向异性介质状况下的声学/各项同性的近似，从而更清晰地了解地下界面一方面要去获得能被用于更好的表征地下界面的其他参数（裂链密度等各向异性参数），另一方面将这些参数引入到反演/成像算法中去来提高构造图像我们把那些更具理论性和创新性的论文划归到创新方法的类别中这些论文针对反演主题供应了其他观点，这可能会启发我们采纳其他方法来获得考虑中的介质特性的有用信息然而，除了提出创新方法的理论和规律或对说明性事例的争论外，一些论文也表明白某些技术的隐患，局限和问题同时也指明白在这特定的争论领域的挑战潜在的进一步的工作方向我们信任本附录将成为一个对当前地震反演/成像工艺的状态有用的概述，同时我们也盼望它能够促进这些技术对地球内不同规模的数据集的进一步的进展和应用我们盼望你能够喜爱阅读这个附录，同时我们也将特别感谢你的反馈或评论最终我们想要对那些参加这一工作过程的不同的人士表示感谢感谢总编KeesWapenaar的鼓舞，感谢助理编辑TamasNemeth在整个过程中的专业指导，感谢那些特别准时回应的各个评审员，同时毫无疑问地，我们也要对SheralDanker和EliseCunningham以及其他GEOPHYSICS的工作人员在不同阶段准时、有效的关心表示感谢深度成像Gray等人回顾了在深度偏移取得的进展和现状，同时也描述了达成全部反演目的在将来将面对的重大障碍他们也推想了将来几年偏移将会取得的进展和可能无法完成的挑战Stolk等人采用射线理论分析阐明白炮检偏移产生焦点（地下界面偏移域）或平面（散射角域的图像采集，在在曲线坐标系下定义的伪深度内射线携带的大量能量不转变，并且采集范围足以确定全部的这类射线Hu和Stoffa基于下褶皱地震反射数据或具有几何采集局限性的数据分析了地下界面图像，如海底地震仪OBS常常被移动摇摆的人工制品破坏与传统的高斯波束偏移相比他们的新的慢度驱动高斯波束偏移方法对入射角使用菲涅耳权重，它能够压制附加的扰动噪声和一些相干噪声Buske等人提出了一种叠前深度偏移方法使用菲涅耳体积的概念把偏移操作限制在真实的反射点区域他们使用这种被称为菲涅耳体积偏移的技术对2D和3D的合成及真实数据集进行处理，并且他们指出这种技术能显著的提高成像质量Alerini等人提出了一种叠前深度成像方法，并且将它应用在一个真实海底节点数据集上，其中接收器的间距很大在这种状况下，对结果的解释比较困难并且传统的处理过程可能并不适用Cooke等人开发了一个工作流程，产生了时间偏移加上与之相联系的偏移速度场，并且供应了使用该速度场压制多次波的机会这个速度解决方案是对由CMP-NMO速度开头迭代精炼时间偏移速度的传统工作流程的一步式替换方案Berkovitch等人对于成像的局部不匀称性论述了一种方法这一相关流程即为使用一个局部时间校正公式把连续的聚焦绕射能量分解为绕射波和反射波这一基于多聚焦方法新方案依靠于两个参量出射角和波前绕射的曲率半径Aoki和Schuster开发了一个廉价的去模糊滤光器，它是对逆海赛函数道德局部非平稳近似它有时允许在大约3次迭代计算中计算出有用的最小二乘偏移图像由Marmousi2模型和一个2D海洋数据集得出的数值结果得出了一个合格的LSM图像，并且它的费用不超过标准LSM方法的三分之一Tang针对最小二乘偏移/反演问题提出了一种基于相位编码来计算波动方程成像海赛函数的新方案他表示提出的方法能够明显地削减计算成本，同时相位编码后的海赛函数能被应用于一个面对目标的方式来改正叠前深度偏移图像中照度不均的影响Valenciano等人通过正规化波动方程反演提出了一种成像方法它采用最小二乘海赛矩阵的稀疏性和地震数据的冗余性，对其进行了明确地计算这个方法能被应用于一个面对目标的方式他们演示了一个3D场数据集的例子，该方法能显著地提升盐下的图像质量Sandberg和Beylkin介绍了一种新的针对在任何简单速度背景下沿任意角度传播的下行波和上行波的向下外推算法该方法基于使用一个光谱投影仪来移除不稳定模式，同时不需要直接分割和平方根算子近似Zhang等人描述了一个计算方案该方案采用流行的GPU供应了一个特别简洁的方法来加速傅里叶深度偏移与等价的基于CPU的算法相比，它能够实现一个相当高的加速比，也不用花费太多努力在移植现有代码到CUDA支持的GPU上Dong等人提出了面对3D目标的逆时定基准面RTD方法，该方法通过使用一种倒置策略能够使目标区域之下的简单构造经济地生成重定基准面数据通过传统成像方法，重定基准面的数据能够被应用于深层结构之下的简单掩盖层成像Liu等人提出了一种新的波动方程来压制在有限差分解中固有存在的人为数值干扰它是被普遍应用于Kirchhoff偏移中的频率相关抗锯齿算子的模拟这个适应的应用于标准波动方程相比仅增加了励氐金额的计算成本Wang等人已经开发了一种新的有效的算法，该算法使用基于RTM的延迟成像时间DIT扫描来校正盐下速度算法测试和实际数据应用都证明白这种新的盐下扫描技术是有用和有效的并且对于RTM的标准盐下偏移扫描来说它可以作为一个有效的可供选择的方法，甚至替代方法除了校正速度外，基于RTM的DIT扫描也能供应一个更好的聚焦最终RTM图像在Zhu等人的论文中，他们阐明白伴随矩阵方法，有限频率灵敏度核心和成像原理之间的联系他们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，由于阻抗核心能够免受在逆时偏移中普遍存在的彳氐频人工干扰的影响Fletcher等人提出了倾斜横向各向同性介质中纵波的一个新的波动方程，它能够作为一个使用标准明确有限差分的声学的各向异性逆时偏移算法的一部分被解出他们给出了在简单TTI介质中使用该方程建模和偏移的结果Shan针对VTI介质基于函数拟合已经开发了一个隐式有限差分法和傅里叶有限差分偏移对VTI介质的有限差分方案几乎与各向同性介质的相同，除了它的参数是从一个预先算好的表格中查出Shan等人将倾斜坐标系中的平面波偏移扩展至3D各向异性介质中，并将它应用在墨西哥海湾的实测数据集中虽然单程波波动方程算子被用在波场外推中，陡峭的浸盐侧面和断层都很好的反映出来Tang和Patterson对Y在布满流体的井眼中向四周地层辐射SH和SV剪切波的偶极声源进行了争论剪切波从相邻井眼的反射体反射，并且由一个四重量正交偶极子仪器接收，这个仪器能够成像该反射体并且确定它的方位Schleicher和Costa证明白偏移速度信息能由路径积分偏移中提取出来路径积分偏移的概念就是将由一组恒定偏移速度得到的偏移图像叠加起来通过这样做两次，将其中一叠以速度值加权，然后产生最终图像的恒定速度就能从两个图像的分别中提取出来一个数值范例证明白该方法的正确性旅行时间层析成像Taillandier等人回顾了经典的初至走时层析成像方法，他们通过使用伴随状态方法计算目标函数的梯度，没有使用射线追踪和Frechet导数矩阵的估算从数值的角度看这个算法特别有吸引力，由于无论输入资料的大小和未知速度参数的数量，它的相关成本与正演模拟问题的解决方案是相等的Ellefsen对相位反演做了修改使它能适应于处理近地表折射调查中的旅行时间修改后的相位反演与旅行时间层析成像相比，它使用电脑生成资料和野外资料；相位反演的结果也显著地好于旅行时间层析成像Tryggvason等人表明使用与反射地震成像中相同的静态时移补偿同样困扰着旅行时间层析成像建模通过合成和实际资料的范例，解决方法就是静力和地震速度的联合反演Zhou等人设计了一种新的初至层析成像静校正方法把近地表速度场模拟为变厚度速度层，通过使用初至和采用其它信息约束一些界面的深度范围，该方法还能为了速度界面的几何学反转Pei等人通过使用快速模拟退火算法VFSA对一个使用穿孔或爆炸索爆炸数据得到的井间平面层状速度模型的纵波和横波速度同时优化与Occam的反演技术相比，VFSA优化在反转模型的速度精确度方面更胜一筹Zhang等人提出了一种将双差地震层析成像应用于由一个阿曼油田的钻孔网络纪录的诱发地震资料的方法该方法能同时解决地震大事地点，储层的%K和％/v模型通过采用诱发地震，地震层析成像在储层成像和物性估算上有很大潜能通过匕H交由两个相差很大的数据集的合成和实际资料得到的结果，Husen等人争论了在局部地震层析成像中资料数量和质量对求解品质的影响他们推断与一个较大的低质量数据集相比，一个较小的高质量数据集能够得到一个相像或更高的求解品质全波形反演全波形反演是一个基于正演问题双程波动方程的通解和反演问题的局部最优化的再现数据拟合成像方法Virieux和Opert回顾了全波形反演的主要理论方面，一些关键特征例如辨别率分析，多尺度方法的设计和初始模型的建立，和在近期关于单参量和多参量重建的2D和3D案例争论Zhang和Wang提出了一种新的波动方程反演方法，能使回传延迟放炮波场最好聚焦，并且主要依靠旅行时间信息来确定速度该方法避开了在常规全波形反演中的数据匹配处理过程，同时削减了在一个数据域内地震反演中对震波振幅和震源子波的依靠Burstedde和Ghattas提出了一种全波形地震反演的算法策略，他们论述了这个高度非线性优化问题的数值困难他们通过几个来源于井中测量的1D数值试验证明白该方法的一些特征Abubakar等人把一种称为对比源有限差分反演FDCSI方法应用在地震全波形反演问题中在反演过程的每一步迭代中，FDCSI方法并不能明确地解出任何完全的正演问题在处理延时反演问题时该方法是特别有效的Boonyasiriwat等人针对时间域波形层析成像提出了一个有效的多尺度方法，即使用更加有效率的低通滤波器和一个选择数据最佳频率带的改进策略该方法已被证明可行且在1D和2D非匀称模型上进行了测试，结果表明与传统的单尺度波形层析成像方法相比该方法更有效率Bleibinhaus和Rondenay对不同地形的声波全波形反演的自由面效应进行了调查由完全弹性合成介质的声波反演得到的结果表明，对于纵波占主导地位的先至波形来说，它们的衰减更多是由于地下界面的影响，而非表层结构Maurer等人通过使用为统计试验设计的工具调查了由频率域地震资料供应的信息量为了获得近似最优层析成像图像，仅有极少数的由较低和较高频谱中选择出来的频率是必需的Barnes和Charara争论了海洋地震数据中声波全波动反演的适用领域通过几个合成的反演试验，他们表明，在许多状况下，声学近似使全波动反演在检索声波参数时处于不利地位。