CN109490961B - 起伏地表无射线追踪回折波层析成像方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种起伏地表无射线追踪回折波层析成像方法，属于地震走时层析成像技术领域。本发明包括如下步骤：对地震记录进行预处理；拾取初至走时数据；计算炮点和检波点位于起伏地表的射线参数和回折点处的速度；抽取共偏移距域初至走时数据；对共偏移距域进行编号；设置当前共偏移距域；计算当前共偏移距域内每一道地震记录对应的垂向速度梯度和回折点的深度；判断是否还有未处理的共偏移距域数据，如果有，则把下一个共偏移距域设置为当前共偏移距域，并进行新的计算，如果没有，则计算模型空间中各个点处的速度；输出速度模型。其解决了基于水平地表假设回折波层析成像方法在近地表条件复杂地区反演速度模型不准的问题。

Description

起伏地表无射线追踪回折波层析成像方法
技术领域
本发明涉及一种起伏地表无射线追踪回折波层析成像方法，属于地震走时层析成像技术领域。
背景技术
初至走时层析成像是利用地震波初至旅行时对地下介质进行速度建模的重要方法。初至走时层析成像方法按照速度建模过程中是否需要进行射线追踪可以分为基于射线追踪的走时层析成像方法和无射线追踪的走时层析成像方法。
基于射线追踪的初至走时层析方法需要将地下介质速度场参数化为离散网格。然后，通过最小化射线追踪正演模拟得到的初至走时和观测的初至走时之间的差，在初始速度模型的基础上反复迭代修正每一个离散网格的速度值，直到正演模拟得到的初至走时和观测的初至走时之间的差小于事先给定的阈值。该方法由于需要修改每一个离散网格的速度值，存在严重的多解性。此外，将该方法应用于高密度三维地震资料时，由于炮点和检波点非常多，每次迭代的射线追踪正演模拟花费时间较多，导致该方法反演地下介质的速度场的效率很低。
无射线追踪的初至走时层析成像方法利用回折波或折射波的射线方程直接计算炮点和检波点之间的走时，无需进行射线追踪正演模拟，也无需进行反复迭代修正速度模型，可以直接求取回折点的速度和深度或者折射层的速度和厚度。因此，无射线追踪的初至走时层析成像方法比基于射线追踪的初至走时层析成像方法具有更高的速度建模效率。
然而，目前已有的无射线追踪的初至走时层析成像方法都是基于水平地形的一维速度模型的走时和射线方程，仅适用于地表起伏小且地下介质速度横向变化也较小的情况。在近地表条件复杂地区，由于地表高程差异极大，该方法通常难以取得较好的应用效果。
发明内容
针对现有技术存在的上述缺陷，本发明提出了一种起伏地表无射线追踪回折波层析成像方法。
本发明所述的起伏地表无射线追踪回折波层析成像方法，包括如下步骤：
步骤一：对原始共炮域地震记录进行预处理，预处理包括剔除坏道、去噪、道均衡；
步骤二：从预处理后的共炮域地震记录中拾取初至走时数据；
步骤三：利用拾取的初至走时数据计算起伏地表每一道地震记录对应的射线参数，射线参数的计算公式如下：
Figure BDA0001940391860000021
其中，p为射线参数，θ为检波点处的地表倾角，v0为通过直达波估计的检波点处的地表速度，l为走时梯度；
走时梯度的计算公式如下：
Figure BDA0001940391860000022
其中，Δt为相邻道初至走时之差，Δx为相邻道偏移距之差；
步骤四：计算每一道地震记录对应回折波回折点处的速度，回折点处的速度计算公式如下：
Figure BDA0001940391860000023
其中，vm为回折点处的速度，p为射线参数；
步骤五：从共炮域初至走时数据中抽取共偏移距域初至走时数据，并从小偏移距到大偏移距对共偏移距域进行编号，把第一个共偏移距域设置为当前共偏移距域；
步骤六：利用当前共偏移距域内的初至走时数据计算该域内每一道地震记录对应的垂向速度梯度，垂向速度梯度的计算公式如下：
Figure BDA0001940391860000024
其中，λ为垂向速度梯度，a1为与炮点处的地表速度和回折点处的速度有关的系数，a2为与炮点处的地表速度、检波点处的地表速度和回折点处的速度有关的系数，a3为与检波点处的地表速度和回折点处的速度有关的系数，a4和a5均为与炮点和检波点之间的距离、回折波从炮点到检波点的走时、炮点和检波点之间的高程差、炮点处的地表速度、检波点处的地表速度和回折点处的速度有关的系数，各系数的计算公式如下：
Figure BDA0001940391860000025
Figure BDA0001940391860000026
Figure BDA0001940391860000031
Figure BDA0001940391860000032
Figure BDA0001940391860000033
其中，vm为回折点处的速度，vs为炮点所在位置的地表速度，vr为检波点所在位置的地表速度，Xsr为炮点和检波点之间的距离，tsr为回折波从炮点到检波点的走时，Δzsr为炮点和检波点之间的高程差；
步骤七：利用当前共偏移距域内的初至走时数据计算回折点的深度，回折点的深度计算公式如下：
Figure BDA0001940391860000034
其中，vm为回折点的速度，vs为炮点处的速度，λ为垂向速度梯度，zs为炮点深度；
步骤八：判断是否还有未处理的共偏移距域数据：如果有，则把下一个共偏移距域作为当前共偏移距域，返回步骤六；如果没有，则执行下一步骤；
步骤九：利用上述计算的回折点处的速度，通过反距离加权算法计算出模型空间中各个点处的速度值，输出速度模型。
本发明的有益效果是：本发明所述的起伏地表无射线追踪回折波层析成像方法，考虑到了地表倾角对射线参数计算的影响，还考虑到了地表炮点和检波点高程差异大导致回折点深度计算不准的问题，解决了基于水平地表假设的回折波层析成像方法无法用于地表剧烈起伏地区速度建模的问题；本发明计算简单、易于实现、耗时少，具有很强的适应性，且反演结果可靠性高。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为本发明建立的近地表速度模型图；
图3为基于水平地表假设回折波层析成像方法建立的近地表速度模型图；
图4为预处理后第52炮地震记录图；
图5为利用本发明建立的近地表速度模型进行静校正后的第52炮地震记录图；
图6为利用基于水平地表假设回折波层析成像方法建立的近地表速度模型进行静校正后的第52炮地震记录图。
具体实施方式
为了使本发明目的、技术方案更加清楚明白，下面结合实施例，对本发明作进一步详细说明。
实施例1：
如图1所示的流程图，本发明所述的起伏地表无射线追踪回折波层析成像方法，包括如下步骤：
步骤一：对原始共炮域地震记录进行预处理，预处理包括剔除坏道、去噪、道均衡；
步骤二：从预处理后的共炮域地震记录中拾取初至走时数据；
步骤三：利用拾取的初至走时数据计算起伏地表每一道地震记录对应的射线参数，射线参数的计算公式如下：
Figure BDA0001940391860000041
其中，p为射线参数，θ为检波点处的地表倾角，v0为通过直达波估计的检波点处的地表速度，l为走时梯度；
走时梯度的计算公式如下：
Figure BDA0001940391860000042
其中，Δt为相邻道初至走时之差，Δx为相邻道偏移距之差；
步骤四：计算每一道地震记录对应回折波回折点处的速度，回折点处的速度计算公式如下：
Figure BDA0001940391860000043
其中，vm为回折点处的速度，p为射线参数；
步骤五：从共炮域初至走时数据中抽取共偏移距域初至走时数据，并从小偏移距到大偏移距对共偏移距域进行编号，把第一个共偏移距域设置为当前共偏移距域；
步骤六：利用当前共偏移距域内的初至走时数据计算该域内每一道地震记录对应的垂向速度梯度，垂向速度梯度的计算公式如下：
Figure BDA0001940391860000051
其中，λ为垂向速度梯度，a1为与炮点处的地表速度和回折点处的速度有关的系数，a2为与炮点处的地表速度、检波点处的地表速度和回折点处的速度有关的系数，a3为与检波点处的地表速度和回折点处的速度有关的系数，a4和a5均为与炮点和检波点之间的距离、回折波从炮点到检波点的走时、炮点和检波点之间的高程差、炮点处的地表速度、检波点处的地表速度和回折点处的速度有关的系数，各系数的计算公式如下：
Figure BDA0001940391860000052
Figure BDA0001940391860000053
Figure BDA0001940391860000054
Figure BDA0001940391860000055
Figure BDA0001940391860000056
其中，vm为回折点处的速度，vs为炮点所在位置的地表速度，vr为检波点所在位置的地表速度，Xsr为炮点和检波点之间的距离，tsr为回折波从炮点到检波点的走时，Δzsr为炮点和检波点之间的高程差；
步骤七：利用当前共偏移距域内的初至走时数据计算回折点的深度，回折点的深度计算公式如下：
Figure BDA0001940391860000057
其中，vm为回折点的速度，vs为炮点处的速度，λ为垂向速度梯度，zs为炮点深度；
步骤八：判断是否还有未处理的共偏移距域数据：如果有，则把下一个共偏移距域作为当前共偏移距域，返回步骤六；如果没有，则执行下一步骤；
步骤九：利用上述计算的回折点处的速度，通过反距离加权算法计算出模型空间中各个点处的速度值，输出速度模型。
实施例2：
下面结合具体实施方式，对于本发明进行解释和说明。
为了进一步说明本方法的实现思路及实现过程并证明方法的有效性，用四川山区2D实测地震资料进行测试，并与基于水平地表假设回折波层析成像方法的结果进行比较，如图2和图3所示。
S1:选择的2D实测地震资料共有202炮，每炮240道。炮间距100m，道间距40m。对野外采集的地震记录进行预处理，预处理包括剔除坏道、去除噪声、道均衡。预处理后第52炮地震记录详见图4。
S2:从预处理后的地震记录中拾取初至走时数据，初至走时数据包括炮点的空间坐标、检波点的空间坐标、炮点与检波点之间的距离、初至旅行时。
S3:通过直达波估计地表的速度。
S4:利用公式1和公式2计算所有地震道对应的射线参数。
S5:利用公式3计算所有地震道对应回折波回折点处的速度。
S6:从共炮域初至走时数据中抽取共偏移距域初至走时数据，并从小偏移距到大偏移距对共偏移距域进行编号，把第一个共偏移距域设置为当前共偏移距域。
S7:在当前共偏移距域内，利用公式4～9计算每一道地震记录对应的垂向速度梯度。
S8:在当前共偏移距域内，利用公式10计算每一道地震记录对应回折波回折点的深度。
S9：判断是否还有未处理的共偏移距域数据，如果有，则把下一个共偏移距域作为当前共偏移距域，返回步骤七；如果没有，则执行下一步骤；
S10：利用上述计算的回折点处的速度，通过反距离加权算法计算出模型空间中各个点处的速度值，然后，输出速度模型。
通过对比图2和图3，可以看出考虑地形起伏对射线参数和回折点深度计算的影响，建立的速度模型在横向上变化更加平缓，在纵向上速度随深度的增加而明显地增加，符合实际地质情况。然而，基于水平地表假设回折波层析成像方法建立的近地表速度模型在横向上变化剧烈，存在明显地条带状，不符合地质情况。
为了进一步说明本发明的有益效果，基于图2和图3所示的速度模型，对第52炮预处理后的地震记录进行静校正，静校正后地震记录分别如图5和图6所示。
对比图5和图6，可以明显地看出采用本发明建立的近地表速度模型进行静校正后，反射同相轴更加连续、平滑，更接近双曲线形态，而采用基于水平地表假设回折波层析成像方法建立的近地表速度模型进行静校正后，反射同相轴存在明显地扭曲，剖面质量差。这表明本发明在近地表速度横向变化大、地表起伏剧烈的地区，可以取得比基于水平地表假设回折波层析成像方法更好的应用效果。
本发明所述的起伏地表无射线追踪回折波层析成像方法，考虑到了地表倾角对射线参数计算的影响，还考虑到了地表炮点和检波点高程差异大导致回折点深度计算不准的问题，解决了基于水平地表假设的回折波层析成像方法无法用于地表剧烈起伏地区速度建模的问题；本发明计算简单、易于实现、耗时少，具有很强的适应性，且反演结果可靠性高。
本发明可广泛运用于地震走时层析成像场合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而己，并不以本发明为限制，凡在本发明的精神和原则之内所作的均等修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的专利涵盖范围内。

Claims (2)

1.一种起伏地表无射线追踪回折波层析成像方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：对原始共炮域地震记录进行预处理，预处理包括剔除坏道、去噪、道均衡；
步骤二：从预处理后的共炮域地震记录中拾取初至走时数据；
步骤三：利用拾取的初至走时数据计算起伏地表每一道地震记录对应的射线参数：
射线参数的计算公式如下：
Figure FDA0002407398770000011
其中，p为射线参数，θ为检波点处的地表倾角，v0为通过直达波估计的检波点处的地表速度，l为走时梯度；
走时梯度的计算公式如下：
Figure FDA0002407398770000012
其中，Δt为相邻道初至走时之差，Δx为相邻道偏移距之差；
步骤四：计算每一道地震记录对应回折波回折点处的速度，回折点处的速度计算公式如下：
Figure FDA0002407398770000013
其中，vm为回折点处的速度，p为射线参数；
步骤五：从共炮域初至走时数据中抽取共偏移距域初至走时数据，并从小偏移距到大偏移距对共偏移距域进行编号，把第一个共偏移距域设置为当前共偏移距域；
步骤六：利用当前共偏移距域内的初至走时数据计算该域内每一道地震记录对应的垂向速度梯度：
垂向速度梯度的计算公式如下：
Figure FDA0002407398770000014
其中，λ为垂向速度梯度，a1为与炮点处的地表速度和回折点处的速度有关的系数，a2为与炮点处的地表速度、检波点处的地表速度和回折点处的速度有关的系数，a3为与检波点处的地表速度和回折点处的速度有关的系数，a4和a5均为与炮点和检波点之间的距离、回折波从炮点到检波点的走时、炮点和检波点之间的高程差、炮点处的地表速度、检波点处的地表速度和回折点处的速度有关的系数，各系数的计算公式如下：
Figure FDA0002407398770000021
Figure FDA0002407398770000022
Figure FDA0002407398770000023
Figure FDA0002407398770000024
Figure FDA0002407398770000025
其中，vm为回折点处的速度，vs为炮点所在位置的地表速度，vr为检波点所在位置的地表速度，Xsr为炮点和检波点之间的距离，tsr为回折波从炮点到检波点的走时，Δzsr为炮点和检波点之间的高程差；
步骤七：利用当前共偏移距域内的初至走时数据计算回折点的深度；
步骤八：判断是否还有未处理的共偏移距域数据：如果有，则把下一个共偏移距域作为当前共偏移距域，返回步骤六；如果没有，则执行下一步骤；
步骤九：利用上述计算的回折点处的速度，通过反距离加权算法计算出模型空间中各个点处的速度值，输出速度模型。
2.根据权利要求1所述的起伏地表无射线追踪回折波层析成像方法，其特征在于，所述步骤七中，回折点的深度计算公式如下：
Figure FDA0002407398770000026
其中，vm为回折点的速度，vs为炮点处的速度，λ为垂向速度梯度，zs为炮点深度。
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