CN111273344B - 一种基于续至折射波的层析反演方法及处理终端 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于续至折射波的层析反演方法及处理终端，所述方法包括如下步骤：步骤1：将海洋岩石圈从海底开始由上往下依次划分若干地层，并分别获得每一个地层的续至折射波的旅行时，以及获得初至折射波的旅行时；步骤2：以沉积层续至折射波的旅行时为输入进行反演；步骤3：以结晶洋壳层续至折射波的旅行时为输入进行反演；步骤4：以上地幔地层折射波的旅行时为输入进行反演；步骤5：以步骤4的反演结果作为初始模型，以全部地层的初至折射波的旅行时作为输入数据进行初至旅行时反演。本发明反演结果的分辨率和可信度得到极大的提高，并增加反演的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及地震层析反演技术领域，具体是一种基于续至折射波的层析反演方法及处理终端。
背景技术
对海洋勘探而言，海洋岩石圈的速度结构是了解深海盆地演化以及地球动力学的关键参数，经典的海洋岩石圈主要由沉积层，结晶洋壳以及上地幔组成，整个海洋岩石圈的厚度达到几十公里。在海洋勘探中，有必要获得海洋岩石圈的速度结构，也即获得地层速度结构。通常，获得地层速度结构主要有两种方法：第一种，基于拖缆多道地震的速度分析方法；第二种，采用海底地震仪(OBS)的速度分析方法。
利用OBS获得海洋岩石圈的速度结构的方法中，通常将OBS布设在海底，在海面激发地震波的方式来获得原始的观测数据。这种情况下，OBS获得的观测数据的偏移距较大，可达几百公里，不仅记录来自地层界面的反射波，还记录了来自沉积层、洋壳以及上地幔地层的折射波。通过原始的观测数据获得速度结构时，通常采用旅行时反演来获得地下构造的速度和形态参数，主要包括初至旅行时反演、反射旅行时反演以及反射与折射旅行时联合反演等方法。但反射旅行时反演需要把拾取的反射旅行和某一个界面关联起来，人工干预的成分较大，会引起较大的误差，而且由于OBS获得的大偏移距的观测数据，反射旅行时的拾取比较困难。
目前来说，采用初至折射波反演方法获得海洋岩石圈的速度结构是最常用和最稳健的方法，但主要存在两个问题：其一，仅仅考虑初至的折射波，而忽略了其他类型的折射波，比如续至折射波以及折射多次波等，初至折射波指的是首先到达OBS的折射波，续至折射波是指后续到达的折射波；其二，反演是对于从上到下所有的地层一起进行的，例如万奎元等提出利用在沉积层中经过多次反射的二次Pg折射波来增加反演的分辨率，Bharadwaj提出的利用地震干涉方法把折射的一阶多次波转换为初至折射，以及申请号为“201810648783.2”的中国专利提出基于镜像原理把折射多次波转换为虚拟OBS点上的初至波，但这些方法均是仅利用了更多的折射波信息，均未考虑续至折射波。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的之一提供一种基于续至折射波的层析反演方法，其能够解决地震勘探的层析反演的问题；
本发明的目的之二提供一种处理终端，其能够解决地震勘探的层析反演的问题。
实现本发明的目的之一的技术方案为：一种基于续至折射波的层析反演方法，包括如下步骤：
步骤1：将海洋岩石圈从海底开始由上往下依次划分沉积层、结晶洋壳层和上地幔地层，并分别获得每一个地层的续至折射波的旅行时，以及获得所有地层的初至折射波的旅行时，其中，每一个地层的续至折射波的旅行时记录成独立的数据文件，来自全部地层的初至折射波旅行时记录成1个数据文件；
步骤2：以沉积层的续至折射波的旅行时和初始速度模型作为输入，输入至层析反演模块中进行第一次层析反演，得到速度模型m1，其中，初始速度模型为常数速度模型，并限定反演模型的深度；
步骤3：以结晶洋壳层的续至折射波的旅行时和初始速度模型作为输入，输入至层析反演模块中进行第二次层析反演，得到速度模型m2，其中，初始速度模型中的沉积层的速度采用速度模型m1中对应地层的速度值，结晶洋壳层的速度为常数，并限定反演模型的深度，且本次限定反演模型的深度大于步骤2中限定反演模型的深度；
步骤4：以上地幔地层的续至折射波的旅行时和初始速度模型作为输入，输入至层析反演模块中进行第三次层析反演，得到速度模型m3，其中，初始速度模型中的沉积层和结晶洋壳层的速度值采用速度模型m2中对应地层的速度值，上地幔地层的速度值使用常数，并限定反演模型的深度，且本次限定反演模型的深度大于步骤3中限定反演模型的深度；
步骤5：以步骤4的速度模型m3作为初始速度模型，以全部地层的初至折射波的旅行时和初始速度模型作为输入数据，输入至层析反演模块中进行初至旅行时反演，得到层析反演的最终速度模型。
进一步地，以沉积层的续至折射波旅行时作为输入数据进行层析反演时，限制层析反演模型的深度为5-8公里。
进一步地，以结晶洋壳层的续至折射波旅行时作为输入数据进行层析反演时，限制层析反演模型的深度为8-15公里。
进一步地，以上地幔地层的续至折射波旅行时作为输入数据进行层析反演时，限制层析反演模型的深度为20公里。
实现本发明目的之二的技术方案为：一种处理终端，其包括，
存储器，用于存储程序指令；
处理器，用于运行所述程序指令，以执行所述基于续至折射波的层析反演方法中的步骤。
本发明的有益效果为：本发明具有两个明显的好处：
(1)不仅利用了初至折射波，还利用了续至折射波，由于使用了更多的数据，反演的速度模型的分辨率和可信度得到极大的提高。
(2)通过从浅部区域到深部区域，从沉积层到结晶洋壳层再到上地幔地层，逐层递进反演的方式，能够增加反演的稳定性。
附图说明
图1为经典岩石圈结构对应的折射波及反射波的示意图；
图2(a)为来自不同地层的折射波射线路径示意图；
图2(b)为来自不同地层的折射波的旅行时示意图；
图3为一个实际获得观测数据的折射波波类型的示意图；
图4为本发明的流程示意图；
图5(a)为沉积层续至折射波旅行时反演时的模型深度范围；
图5(b)为来自沉积层的续至折射波旅行时示意图；
图6(a)为洋壳层续至折射波旅行时反演时的模型深度范围；
图6(b)为来自洋壳层的续至折射波旅行时示意图；
图7(a)为上地幔地层续至折射波旅行时反演时的模型深度范围；
图7(b)为来自上地幔地层的折射波旅行时示意图；
图8(a)为所有地层的初至折射波旅行时反演时的模型深度范围；
图8(b)为来自所有地层初至折射波旅行时的示意图；
图9(a)常规初至旅行时反演的结果；
图9(b)本发明方案续至折射波反演的结果；
图10为本发明一种处理终端的结构示意图。
具体实施方案
下面，结合附图以及具体实施方案，对本发明做进一步描述：
如图1-图3所示，首先，介绍经典的海洋岩石圈相对应的折射波类型。按折射波的来源可分为来自沉积层的折射波Ps、来自结晶洋壳层的折射波Pg，以及来自上地幔地层的折射波Pn，图1中还包括来自莫霍面的反射波。其中，图2(a)中上方的粗黑色断实线以及图2(b)中的ABB’均对应沉积层的折射波Ps；图2(a)中下方的粗黑色断实线以及图2(b)中的BCC’均对应结晶洋壳层的折射波Pg；图2(a)中最下方的虚线以及图2(b)中的CD均对应上地幔地层的折射波Pn。按折射波到达OBS的时间可分为初至折射波(对应图2(b)中的ABCD)、续至折射波(包括图2(b)中的BB’和CC’)，其中，通常的旅行时反演即是利用初至折射波旅行时，即图2(b)中的ABCD。图3中显示了OBS获得实际数据的各种折射波，标识出各种可能的折射波，由于炮点和OBS的距离不够，实际OBS数据中并未观测到来自上地幔地层的折射波，图中的SHOTLINE表示采集的线号，SHOTRECORD表示炮号。其中，将海洋岩石圈从海底开始分成N个地层，则来自N个地层的续至折射波的旅行时记录成N个独立数据文件，来自全部地层的初至折射波旅行时记录成1个数据文件
如图4-图9所示，一种基于续至折射波的层析反演方法，包括依次进行的如下步骤：
步骤1：拾取来自海洋岩石圈的每一个地层的初至折射波的旅行时和来自每一个地层的续至折射波的旅行时。本发明将海洋岩石圈从上至下依次分为沉积层、结晶洋壳层和上地幔地层。其中，来自沉积层的续至折射波的旅行时记为Ts，来自结晶洋壳层的续至折射波的旅行时记为Tg，来自上地幔地层的续至折射波的旅行时记为Tn，初至折射波的旅行时记为Tfb。需要注意的是，本发明将海洋岩石圈从上至下依次分为沉积层、结晶洋壳层和上地幔地层，但实际使用时，也可以采用更细化的分层方式，例如，将结晶洋壳层从上至下细分为上地壳层和下地壳层。以上所有的续至折射波的旅行时均可从OBS数据中拾取出来。
步骤2：如图5(包括(a)和(b))所示，设定第一次反演的层析反演模型的深度为a，a为正整数，以常数速度模型作为初始速度模型，以沉积层的续至折射波的旅行时和初始速度模型为输入，输入至层析反演模块中进行旅行时反演，得到速度模型m1。
在本步骤中，限制进行第一次反演的层析反演模型的深度a，a的取值可参考对应作业区域的沉积层的深度信息，例如a为海底以下5-8公里(km)，使得来自结晶洋壳层以及上地幔地层的折射波不包括在本步骤反演的模型范围之内。这样，可以视为来自结晶洋壳层以及上地幔地层的折射波不存在，从而将来自沉积层的续至折射波变成了虚拟的初至折射波。然后，以来自沉积层的续至折射波的旅行时Ts作为输入数据，进行旅行时反演，得到速度模型m1。
步骤3：如图6(包括(a)和(b))所示，设定第二次反演的层析反演模型的深度b，b为正整数，例如为8-15公里(km)，并建立初始速度模型，初始速度模型中的沉积层的速度采用速度模型m1中的速度值，结晶洋壳层的速度为常数，本实施例为7km/s。并以结晶洋壳层的续至折射波的旅行时Tg和初始速度模型为输入，输入至层析反演模块中进行旅行时反演，从而得到包含沉积层和结晶洋壳层速度信息的速度模型m2。在旅行时反演过程中，沉积层的速度保持不变，一直为沉积层速度模型m1中的速度值。
本步骤中，设定进行第二次反演的层析反演模型的深度b，b的取值可参考对应作业区域的结晶洋壳层的深度信息，例如b为海底以下10公里(km)，以使得来自上地幔地层的折射波不包括在本步骤反演的模型范围之内。这样，可以视为来自上地幔地层的折射波不存在，从而将来自结晶洋壳层的续至折射波变成了虚拟的初至折射波。
步骤4：如图7(包括(a)和(b))所示，设定第次三反演的层析反演模型的深度c，本实施例中，深度c为海底以下20公里(km)。同样的，建立相应的初始速度模型，初始速度模型中，沉积层和结晶洋壳层的速度值使用步骤3中的速度模型m2中对应的速度值，上地幔地层的速度值使用常数速度，本实施例为9km/s。以上地幔地层的续至折射波的旅行时和初始速度模型作为输入，输入至层析反演模块中进行旅行时反演。同前面步骤一样，在上地幔地层之上的沉积层、结晶洋壳层的速度值均维持不变，从而得到包含所有地层速度信息的速度模型m3，也即，速度模型m3包含了沉积层、结晶洋壳层和上地幔地层的速度信息。
本步骤中，设定进行第三次反演的层析反演模型的深度c为海底以下20公里，目的在于使得来自上地幔地层的所有续至折射波均包含在本步骤反演的模型范围之内。
步骤5：如图8(包括(a)和(b))所示，以步骤4得到的速度模型m3作为初始速度模型，以来自所有地层的初至折射波的旅行时Tfb和初始速度模型作为输入数据，输入至层析反演模块中进行旅行时反演，从而得到层析反演的最终速度模型。
以上步骤中，步骤2-步骤5是依次进行反演的，每一次反演会设定对应的深度，以及设定对应的初始速度模型，并均涉及到层析反演模块，所谓层析反演模块即是采用初至旅行时反演方法进行的一套程序，输出结果即为速度模型。
在步骤2-步骤5均涉及到初至旅行时反演，本实施例中，初至旅行时反演的目标泛函数J(m)为：
公式①中，||||2表示二范数，Tobs表示初至折射波旅行时，步骤2中，Tobs＝Ts，步骤3中，Tobs＝Tg，步骤4中，Tobs＝Tn，步骤5中，Tobs＝Tfb，Tcal(m)表示正演模拟计算旅行时。
然后，可以采用基于梯度下降的迭代方法计算出目标泛函数J(m)的极小化，从而计算出步骤2-步骤5中对应的速度模型，从而获得最终层析反演结果。由于初至旅行时反演属于现有技术，这里不进行赘述。
本实施例通过控制反演模型的深度范围，将续至折射波转换成为虚拟的初至折射波，同时，通过限制折射波的路径，提出了折射旅行时逐层递进进行反演的方法。这样具有两个明显的好处：
(1)不仅利用了初至折射波，还利用了续至折射波。对比图9(a)和图9(b)可以看出，由于使用了更多的数据，反演的速度模型的分辨率和可信度得到极大的提高。
(2)通过从浅部区域到深部区域，从沉积层到结晶洋壳层再到上地幔地层，逐层递进反演的方式，能够增加反演的稳定性。
如图10所示，本发明还涉及加快层析反演速度收敛的速度融合方法的实体实现处理终端100，其包括，
存储器101，用于存储程序指令；
处理器102，用于运行所述程序指令，以执行所述基于续至折射波的层析反演方法的步骤。
本说明书所公开的实施例只是对本发明单方面特征的一个例证，本发明的保护范围不限于此实施例，其他任何功能等效的实施例均落入本发明的保护范围内。对于本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及变形，而所有的这些改变以及变形都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于续至折射波的层析反演方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：将海洋岩石圈从海底开始由上往下依次划分N个地层，N≥2，并分别获得每一个地层的续至折射波的旅行时，以及获得全部地层的初至折射波的旅行时，续至折射波是指除去第一个到达的折射波之外的后续到达的折射波；
步骤2：按从上到下的地层顺序，以当前地层对应的续至折射波旅行时和初始速度模型作为输入数据，输入至层析反演模块中进行层析反演，得到每一次层析反演对应的速度模型，速度模型包括了当前地层以及当前地层以上的所有地层的速度值，
在每一次的层析反演中，限定层析反演模型的深度范围，通过限制反演模型的深度范围，以使得将当前地层的续至折射波转化为初至折射波，其中，当前层析反演的层析反演模型的深度大于上一次层析反演的层析反演模型深度，当前层析反演的初始速度模型包括当前地层的速度和当前地层以上的所有地层的速度值，当前地层的速度值为预设常数，当前地层以上的各个地层的速度值为上一次层析反演的速度模型中对应地层的速度值；
步骤3：以步骤2中第N次层析反演的结果作为第一初始速度模型，以全部地层的初至折射波的旅行时和第一初始速度模型作为输入数据，输入至层析反演模块进行旅行时反演，从而得到最终的速度模型。
2.根据权利要求1所述的基于续至折射波的层析反演方法，其特征在于，将海洋岩石圈从海底开始由上往下依次划分为沉积层、结晶洋壳层和上地幔地层。
3.根据权利要求2所述的基于续至折射波的层析反演方法，其特征在于，以沉积层的续至折射波旅行时作为输入数据进行层析反演时，限制层析反演模型的深度，使得来自结晶洋壳层和上地幔地层的折射波不包含在层析反演模型的深度范围之内中。
4.根据权利要求3所述的基于续至折射波的层析反演方法，其特征在于，所述限制层析反演模型的深度为5-8公里。
5.根据权利要求2所述的基于续至折射波的层析反演方法，其特征在于，以结晶洋壳层的续至折射波旅行时作为输入数据进行反演时，限制层析反演模型的深度，使得来自上地幔地层的折射波不包含在反演模型的深度范围之内中。
6.根据权利要求5所述的基于续至折射波的层析反演方法，其特征在于，所述限制层析反演模型的深度为8-15公里。
7.根据权利要求1所述的基于续至折射波的层析反演方法，其特征在于，来自N个地层的续至折射波的旅行时记录成N个独立数据文件，来自全部地层的初至折射波旅行时记录成1个数据文件。
8.一种处理终端，其特征在于，其包括，
存储器，用于存储程序指令；
处理器，用于运行所述程序指令，以执行如权利要求1-7任一项所述的基于续至折射波的层析反演方法中的步骤。
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN111273344A (zh) | 2020-06-12 |
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