CN106932821B - 地震层析反演中的一种目标射线追踪方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了地震层析反演中的一种目标射线追踪方法，在高频近似下，利用射线理论描述地震波的传播过程，通过拟合观测旅行时反演地下介质参数场的过程称为射线层析；地震波波前面是光滑连续的，则观测点观测到的时距曲线也必然光滑连续；所以可利用三次样条把离散观测点上的旅行时插值成为连续的时距曲线；继而可以在震源点处选择一定的角度范围和角度间隔进行初值射线追踪，射线传播至观测面时终止，从连续的时距曲线中提取出射线终点处的观测旅行时，得到了一个震源对应的局部层析方程组，所有震源组成了完整的层析方程组；把目标射线追踪转化为初值条件射线追踪，从而大大提高目标射线追踪的计算效率，同时保证目标射线追踪过程更加稳定。

Description

地震层析反演中的一种目标射线追踪方法

技术领域：

本发明涉及地震数据处理技术领域，具体涉及地震层析反演中的一种目标射线追踪方法。

背景技术：

在勘探地震和天然地震数据处理过程中，速度是核心影响因素。天然地震中直接利用反演的速度解释地球内部构造。勘探地震中合适的速度模型是准确构造成像的前提，偏移作为检验速度正确性的工具，成像结果的好坏反应了速度模型的合适与否。

20世纪60年代，医学领域发展出了层析技术，1970年代引入地球物理学科中，并在1980年代发展完善了射线层析技术。射线层析技术首先在天然地震领域里得到广泛应用，稍后被应用在勘探地震领域中。由于勘探地震中的问题更加复杂，射线层析技术在勘探地震中发展出了诸多应用方法。从应用数据类型上来说，层析可以分作初至波层析、井间层析和反射层析，前两者应用透射数据反演速度模型，可称为透射层析，反射层析利用反射数据，在实施的策略上与透射层析有根本的不同。

无论天然地震还是勘探地震层析反演中，一般层析方法均需要进行目标射线追踪，例如透射层析和偏移距道集相关的反射层析等。目标射线追踪在透射层析中体现为两点射线追踪，在反射层析中的目标一般是追踪到目标偏移距。两点射线追踪可利用试射法(也称打靶法)或弯曲法等方法实现，目标偏移距射线追踪通常通过试射法实现。无论试射法还是弯曲法射线追踪，其计算量一般是初值射线追踪的数倍至数百倍，并且可能出现计算不稳定的情况，而达不到目标射线追踪的目的。

发明内容：

针对上述问题，本发明要解决的技术问题是提供把目标射线追踪转化为初值射线追踪，大大提高目标射线追踪的计算效率，同时保证目标射线追踪过程更加稳定。

本发明的地震层析反演中的一种目标射线追踪方法，技术点如下：在高频近似下，利用射线理论描述地震波的传播过程，通过拟合观测旅行时反演地下介质参数场的过程称为射线层析；

由旅行时的一阶线性近似可知，地震波的运动学特征与模型之间存在近似的线性关系，那么当介质慢度变化较小时，射线路径变化也很小，此时可近似认为当前模型与真实模型中的射线路径相同；

反演中的正演需模拟从震源到观测点的射线路径和旅行时，即目标射线追踪，亦即边值条件射线追踪。地震层析中同一震源激发的地震波被多个观测点接收到，所有观测点接收到的波场记录，对于一个震源激发的地震波场来说，需进行n_r次目标射线追踪，n_r为观测点的个数，得到模拟的时空坐标；拟合观测与模拟的时间域坐标实现层析的一次迭代；

使用初值条件射线追踪方法取代边值条件射线追踪；

地震波波前面是光滑连续的，则观测点观测到的时距曲线也必然光滑连续；所以利用三次样条把离散的观测旅行时插值成连续的时距曲线；在震源点处选择一定的角度范围和角度间隔进行初值射线追踪，射线传播至观测面时终止，可提取出射线终点对应的观测旅行时，得到一个震源对应的局部层析方程组，所有震源组成了完整的层析方程组。

选择合适的反射角度范围和离散方式，以每一个反射角为初始条件结合反射层倾角进行初值射线追踪模拟入射和反射射线，如果模拟出的偏移距在有效偏移距范围之内，即在最小和最大偏移距之间，则插值得到相应的旅行时差建立一个线性方程，所有的反射射线组成最终的层析方程组。

本发明的原理如下：射线层析是地震学中反演地下介质参数的主要方法之一，诸多层析反演方法中均需要进行目标射线追踪。一般的目标射线追踪计算效率较低，地下构造复杂时计算不稳定。本发明提出了一种应用在层析中的目标射线追踪技术，在射线追踪环节可提高数倍乃至数百倍的计算效率，并且保证目标射线追踪过程的稳定性。

本发明把改进的目标射线追踪技术应用在偏移距域反射层析中，显著提高了层析的整体计算效率。

本发明中目标射线追踪策略也可应用在其它射线层析方法中，例如初至波层析、井间层析、立体层析等。

本发明的有益效果：把目标射线追踪转化为初值条件射线追踪，从而大大提高目标射线追踪的计算效率，同时保证目标射线追踪过程更加稳定。

另外，给出了新的目标射线追踪技术应用在偏移距域反射层析中的具体方法。显著提高整个层析过程的计算效率，保证层析反演的稳定性。

附图说明：

为了易于说明，本发明由下述的具体实施及附图作以详细描述。

图1是本发明的偏移距域反射层析中的目标射线追踪示意图；

图中：

1--地表线；2--法线；3--反射面。

具体实施方式：

如图1所示，本具体实施方式采用以下技术方案：在高频近似下，利用射线理论描述地震波的传播过程，通过拟合观测旅行时反演地下介质参数场的过程称为射线层析。射线层析中的正演沿射线路径对慢度积分得到旅行时，即

∫_Γsdl＝t

其中s是介质慢度(速度的倒数)，Γ是从震源到观测点的射线路径，t是旅行时。当前模型和真实模型中的正演表达式分别为

和

由旅行时的一阶线性近似可知，地震波的运动学特征与模型之间存在近似的线性关系，那么当介质慢度变化较小时，射线路径变化也很小，此时可近似认为当前模型与真实模型中的射线路径相同。在此近似下上述两个公式作差，得到

其中

Δs＝s_i-s₀

Δt＝t^obs-t^cal

离散积分方程得到线性方程

一根射线可建立上述公式所示的一个线性方程，实际问题中的所有射线共同建立了多个线性方程，得到线性方程组

写成矩阵方程的形式，为

LΔs＝Δt。

至此，建立了层析中一次迭代的线性方程组LΔs＝Δt。

求解线性方程组得到一次迭代的模型更新量，更新模型完成层析的一次完整迭代。

反演中的正演需模拟从震源到观测点的射线路径和旅行时，即目标射线追踪，亦即边值条件射线追踪。一般情况下，同一震源激发的地震波被多个观测点接收到，所有观测点接收到的波场记录，对于一个震源激发的地震波场来说，需进行n_r次目标射线追踪，n_r为观测点的个数，得到模拟的时空坐标。拟合观测与模拟的时间域坐标实现层析的一次迭代。

为提高计算效率和计算稳定性，本专利使用初值条件射线追踪取代边值条件射线追踪。考虑到地震波传播的波前面是连续的，而观测点是孤立的，从而拾取到的观测旅行时离散的点。

值得注意的是，地震波波前面(二维中是一条曲线)是光滑连续的，则观测点观测到的时距曲线也必然光滑连续。所以利用三次样条插值时距曲线。在震源点处选择一定的角度范围和角度间隔进行初值射线追踪，射线传播至观测面时终止，可得到模拟出的偏移距h₀和旅行时t^cal。上述对时距曲线插值的过程中可以得到相应偏移距h₀处的旅行时t^obs，观测和模拟的旅行时作差得到方程等号右端的旅行时差。方程等号左边的射线路径同样在射线追踪的过程中计算出。至此，得到了一个震源对应的局部层析方程组，所有震源组成了完整的层析方程组。

下面给出上述目标射线追踪技术在偏移距域反射层析中的应用策略。勘探地震中的偏移距域反射层析需模拟反射射线。首先在成像结果中提取出反射点的位置和相应的反射面倾角。如图1所示，两条射线从反射点出发，出射角度满足Snell定理，同时给出射线追踪的目标——射线传播至地表时的偏移距，即两条射线终点的距离。上述边值条件射线追踪符合一般目标射线追踪的特点：计算量大且不稳定。层析方程中的旅行时差通过成像道集中的剩余残差(Residual Move Out，简称RMO)转换得到，转换的结果是离散的偏移距对应的旅行时差，即(h₁，Δt₁)，(h₂，Δt₂)，…，(h_n，Δt_n)，其中h₁＜h₂＜…＜h_n，离散的偏移距与旅行时差坐标对也可看作光滑连续函数上的离散点，连续函数为

Δt＝Δt(h)

上式中函数可利用三次样条法插值得到。层析中模拟反射射线从反射点利用初始角度，通过初值射线追踪得到反射射线路径和地表偏移距h₀，插值计算出Δt＝Δt(h)所示的函数Δt(h₀)。从而建立层析方程。至此，偏移距域反射层析中计算一个反射点对应的层析方程。首先选择合适的反射角度范围和离散方式，以每一个反射角为初始条件，结合反射层倾角进行初值射线追踪模拟入射和反射射线，如果模拟出的偏移距在有效偏移距范围之内，即在最小和最大偏移距之间，则插值得到相应的旅行时差建立一个线性方程，所有的反射射线组成最终的层析方程组。

本发明的原理如下：射线层析是地震学中反演地下介质参数的主要方法之一，诸多层析反演方法中均需要进行目标射线追踪。一般的目标射线追踪计算效率较低，地下构造复杂时计算不稳定。本发明提出了一种应用在层析中的目标射线追踪技术，在射线追踪环节可提高数倍乃至数百倍的计算效率，并且保证目标射线追踪过程的稳定性。

本发明把改进的目标射线追踪技术应用在偏移距域反射层析中，显著提高了层析的整体计算效率；本发明中目标射线追踪策略也可应用在其它射线层析方法中，例如初至波层析、井间层析、立体层析等。

本发明的有益效果：把目标射线追踪转化为初值射线追踪，从而大大提高目标射线追踪的计算效率，同时保证目标射线追踪过程更加稳定。

另外，给出了新的目标射线追踪技术应用在偏移距域反射层析中的具体方法。显著提高整个层析过程的计算效率，保证层析反演的稳定性。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征以及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (2)

1.地震层析反演中的一种目标射线追踪方法，其特征在于在高频近似下，利用射线理论描述地震波的传播过程，通过拟合观测旅行时反演地下介质参数场的过程称为射线层析；

由旅行时的一阶线性近似可知，地震波的运动学特征与模型之间存在近似的线性关系，那么当介质慢度变化较小时，射线路径变化也很小，此时可近似认为当前模型与真实模型中的射线路径相同；

反演中的正演需模拟从震源到观测点的射线路径和旅行时，即目标射线追踪，亦即边值条件射线追踪；地震层析中同一震源激发的地震波被多个观测点接收到，对于一个震源激发的地震波场来说，需进行n_r次目标射线追踪，n_r为观测点的个数，得到模拟的时空坐标；拟合观测与模拟的时间域坐标实现层析的一次迭代；

使用初值条件射线追踪方法取代边值条件射线追踪；

地震波波前面是光滑连续的，则观测点观测到的时距曲线也必然光滑连续；所以利用三次样条把离散的观测旅行时插值成为连续的时距曲线；在震源点处选择一定的角度范围和角度间隔进行初值射线追踪，射线传播至观测面时终止，根据射线终点的空间坐标可从时距曲线中提取出相应的观测旅行时，得到一个震源对应的局部层析方程组，所有震源组成了完整的层析方程组；

在反射层析反演中，选择反射角度范围和离散方式，以每一个反射角为初始条件结合反射层倾角进行初值射线追踪模拟入射和反射射线，如果模拟出的偏移距在有效偏移距范围之内，即在最小和最大偏移距之间，则插值得到相应的旅行时差建立一个线性方程，所有的反射射线组成最终的层析方程组。

2.根据权利要求1所述的地震层析反演中的一种目标射线追踪方法，其特征在于：提出了一种应用在层析中的目标射线追踪方法，在射线追踪环节可提高数倍乃至数百倍的计算效率，并且保证目标射线追踪过程的稳定性。