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High-resolution full waveform seismic imaging: Progresses, challenges, and prospects

Science China Earth Sciences 2025年第2期68卷 315-342页

作者： Dinghui YANG xingpeng dong Jiandong HUANG Zhilong FANG Xueyuan HUANG Shaolin LIU Mengxue LIU Weijuan MENG Department of Mathematical Sciences Tsinghua UniversityBeijing 100084China Institute of Geology China Earthquake AdministrationBeijing 100029China School of Resources and Environment University of Electronic Science and Technology of ChinaChengdu 611731China School of Mathematics and Statistics Beijing Technology and Business UniversityBeijing 100048China National Institute of Natural Hazards Ministry of Emergency Management of ChinaBeijing 100085China

Full waveform inversion(FWI) is a seismic imaging method with a unified mathematical framework based on wave equation constraints. The FWI method can be used to generate a variety of high-resolution seismic parameter models(e.g.,velocity, anisotropy, viscoelasticity, and attenuation), which can facilitate an in-depth understanding of important scientific problems such as the Earth's interior structure and material composition, earthquake preparation and occurrence, and plate motion and dynamic processes. With the development and cross-integration of disciplines such as geophysics, applied mathematics, and computer science, FWI imaging theories and methods not only play a crucial role in revealing the Earth's interior structure, dynamic evolution, and earthquake mechanisms but also show a wide range of application potential in fields such as resource exploration, medical imaging, engineering inspection, carbon dioxide geological sequestration, and earthquake disaster prediction. In this paper, we provide a comprehensive review and analysis of the development of the FWI method,addressing its current challenges, identifying key issues, future directions, and potential research areas in the theory, methodology, and application of high-resolution FWI imaging. We also offer new insights and perspectives to promote advancements of high-resolution FWI research and applications in Earth sciences and other related fields.

关键词： Full waveform inversion High-resolution imaging Interior structure of the Earth Earthquake preparation me-chanism Multidisciplinary integration

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Geometry-preserving full-waveform tomography and its application in the Longmen Shan area

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Science China Earth Sciences 2022年第3期65卷 437-448页

作者： xingpeng dong Dinghui YANG Hejun ZHU Yun CHEN Institute of Geology China Earthquake AdministrationBeijing 100029China Department of Mathematical Sciences Tsinghua UniversityBeijing 100084China Department of Geosciences The University of Texas at DallasDallas 75080USA State Key Laboratory ofLithospheric Evolution Institute of Geology and GeophysicsChinese Academy of SciencesBeijing 100029China

Classic L2-norm-based waveform tomography is often plagued by insurmountable cycle skipping problems;as a result,the iterative inversion falls into local minima,yielding erroneous *** to the optimal transportation theory,we adopt a novel geometry-preserving misfit function based on the quadratic Wasserstein metric(W2-norm),which improves the stability and convexity of the inverse *** experiments illustrate that W2-norm-based full-waveform tomography has a larger convergence radius and a faster convergence rate than the L2-norm and can effectively mitigate cycle skipping *** apply this method to the Longmen Shan area and obtain a reliable lithospheric velocity *** tomographic results indicate that the crystalline crust underlying the Sichuan Basin wedges into the crustal interior of the Tibetan Plateau,and the mid-lower crust of the eastern Tibetan Plateau is characterized by low shear-wave velocities,indicating that ductile crustal flow and strong interactions between terranes jointly dominate the uplift behavior of the Longmen ***,we find that large earthquakes(e.g.,the Wenchuan and Lushan events)occur not only at the junction between high-and low-velocity regions but also in the transition zone from positive to negative radial *** findings improve our understanding of the mechanism responsible for large earthquakes in this region.

关键词： Optimal transportation Geometry-preserving properties Cycle skipping problem Longmen Shan Lower crustal flow model

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Three-dimensional frequency-domain full waveform inversion based on the nearly-analytic discrete method

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Earth and Planetary Physics 2021年第2期5卷 149-157页

作者： DeYao Zhang WenYong Pan DingHui Yang LingYun Qiu xingpeng dong WeiJuan Meng Department of Mathematical Sciences Tsinghua UniversityBeijing 100084China Key Laboratory of Petroleum Resource Research Institute of Geology and GeophysicsChinese Academy of SciencesBeijing 100029China Yau Mathematical Sciences Center Tsinghua UniversityBeijing 100084China

The nearly analytic discrete(NAD)method is a kind of finite difference method with advantages of high accuracy and *** studies have investigated the NAD method for simulating wave propagation in the *** study applies the NAD method to solving three-dimensional(3D)acoustic wave equations in the *** forward modeling approach is then used as the“engine”for implementing 3D frequency-domain full waveform inversion(FWI).In the numerical modeling experiments,synthetic examples are first given to show the superiority of the NAD method in forward modeling compared with traditional finite difference *** 3D frequency-domain FWI experiments are then carried out to examine the effectiveness of the proposed *** inversion results show that the NAD method is more suitable than traditional methods,in terms of computational cost and stability,for 3D frequency-domain FWI,and represents an effective approach for inversion of subsurface model structures.

关键词： three-dimension frequency-domain NAD method forward modeling full waveform inversion

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Reanimating lithosphere of North China: new insights from full-waveform seismic tomography

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Science Bulletin 2020年第10期65卷 775-777,M0003页

作者： xingpeng dong Dinghui Yang Department of Mathematical Sciences Tsinghua UniversityBeijing 100084China

The North China Craton(NCC)consists of the western Ordos block and the eastern block of the North China Basin,which are separated by the Taihang *** eastern NCC experienced multiple stages of tectonic-magmatic activity and internal deformation of the crust in the Mesozoic and Cenozoic[1],while the Ordos block retains the original cratonic characteristics,i.e.,it is stable and lacks seismic *** subduction of the western Pacific Plate is responsible for lithosphere reanimating in North China[2],but the detailed morphology of lithospheric thinning patterns remains *** rock wave velocity is affected by temperature,and rock anisotropy is mainly dominated by directional alignment of crystals,seismic tomography can be applied to depict the shapes of cooler lithosphere and warmer mantle flow,providing crucial constraints on crust and mantle deformation.

关键词： NCC Block 地震层析成像全波形岩石圈

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Positions of large earthquakes revealed from velocity heterogeneities and radial anisotropy in the eastern Tibetan Plateau

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Science Bulletin 2022年第20期67卷 2026-2029,M0003页

作者： xingpeng dong Dinghui Yang Institute of Geology China Earthquake AdministrationBeijing 100029China Department of Mathematical Sciences Tsinghua UniversityBejing 100084China

As the largest and highest plateau on the Earth,the Tibetan Pla-teau is the most important natural laboratory we have for under-standing continent–continent collision and mountain building;the Tibetan Plateau is characterized by conspicuous crustal thick-ening,considerable deformation,complex metamorphism,and sig-nificant uplift[1].Because of the resistance of the rigid Tarim lithosphere in the west,the eastern Tibetan Plateau has been the main region for the occurrence of lateral motions of escaped pla-teau materials caused by the continued penetration of India into Eurasia[2].To compensate for the compression of ongoing conver-gence,the eastward motion of crustal blocks is accommodated by a series of active strike-slip faults(e.g.,Xianshuihe,Kunlun,and AilaoShan-Red River).Based on geologic and geodetic observations,the hypothesis of lower crustal flow has been proposed to reconcile the paradox between limited young upper crustal shortening and anomalously high topography across the eastern plateau margin[3].

关键词： crustal Tibetan plateau

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青藏高原东北缘基于W2度量的全波形成像

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地球物理学报 2024年第3期67卷 843-854页

作者：董兴朋杨顶辉蒙伟娟中国地震局地质研究所北京100029 清华大学数学科学系北京100084

本研究收集青藏高原东北缘区域114个宽频带地震台站记录到的50个区域地震事件波形数据,采用基于二次Wasserstein(W2)度量的全波形成像方法,获得了10~100 s频带下该区域的高分辨率壳幔结构图像.结果显示,秦岭造山带中下地壳呈高速特征,... 详细信息

本研究收集青藏高原东北缘区域114个宽频带地震台站记录到的50个区域地震事件波形数据,采用基于二次Wasserstein(W2)度量的全波形成像方法,获得了10~100 s频带下该区域的高分辨率壳幔结构图像.结果显示,秦岭造山带中下地壳呈高速特征,表明高原内部弱物质未流入此处;而从松潘—甘孜地块跨过昆仑断裂至秦祁地块内的中下地壳呈现低S波速、正径向各向异性(V_(SH)>V_(SV))和高泊松比异常,暗示深部地壳物质存在水平流动.在秦祁地块中部,深部地壳高速特性及负径向各向异性(V_(SH)

关键词：青藏高原东北缘 Wasserstein度量波形反演地壳流径向各向异性泊松比

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熔/流体迁移与2022年泸定Ms 6.8地震

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科学通报 2023年第20期68卷 2642-2647页

作者：董兴朋杨顶辉蒙伟娟中国地震局地质研究所北京100029 清华大学数学科学系北京100084

2022年9月5日,鲜水河断裂带东南末端发生泸定Ms 6.8级地震,造成严重的人员伤亡和财产损失.为深入探究该地震构造背景和孕震机理,利用全波形反演方法获得了震源区及周边高精度地震波速度、径向各向异性和泊松比结构.研究表明,泸定地震发... 详细信息

2022年9月5日,鲜水河断裂带东南末端发生泸定Ms 6.8级地震,造成严重的人员伤亡和财产损失.为深入探究该地震构造背景和孕震机理,利用全波形反演方法获得了震源区及周边高精度地震波速度、径向各向异性和泊松比结构.研究表明,泸定地震发生在低波速异常区边缘,在其下方存在显著的低S波速、负径向各向异性(V_(SH)

关键词：泸定地震熔/流体迁移全波形反演孕震机理

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相似度-遗传神经网络在储层物性预测中的应用

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测井技术 2012年第3期36卷 267-271页

作者：董兴朋中国地震局地震研究所湖北武汉430071

传统的测井解释需要建立精确的数学模型,并常伴有严格的条件限制,因此很难得到真实反映储层特性的结果。采用遗传算法与BP神经网络相结合,利用遗传算法的全局寻优特点,优化神经网络的连接权值和阀值,提高网络的训练精度和预测精度,避免... 详细信息

传统的测井解释需要建立精确的数学模型,并常伴有严格的条件限制,因此很难得到真实反映储层特性的结果。采用遗传算法与BP神经网络相结合,利用遗传算法的全局寻优特点,优化神经网络的连接权值和阀值,提高网络的训练精度和预测精度,避免了BP算法易陷入局部极小的缺点,提高运算速度。将相似度的概念引入到测井中,定义相似度在测井中的计算公式,提出相似度与遗传神经网络相结合的方法。实例研究表明,预测准确性较高,可以有效控制预测精度,避免因储层差别大而造成的预测精度降低的现象。

关键词：地球物理测井遗传算法相似度神经网络储层物性预测

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基于辛-谱元-FK混合方法的保结构远震波场模拟

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地球物理学报 2019年第11期62卷 4339-4352页

作者：李冰非董兴朋李小凡司洁戈中国科学院地质与地球物理研究所北京100029 中国科学院大学北京100049 中国地震灾害防御中心北京100029 清华大学数学科学系北京100084 中国电子科技集团公司第三研究所北京100015

远震全波形层析成像能获得研究区域下方岩石圈乃至地幔过渡带高分辨率速度结构,是研究地球深部构造与动力学过程的有效工具.该类方法需以高精度及长时程远震波场正演模拟为基础,这为设计高精度长时程稳定的正演算法带来了挑战.在此背景... 详细信息

远震全波形层析成像能获得研究区域下方岩石圈乃至地幔过渡带高分辨率速度结构,是研究地球深部构造与动力学过程的有效工具.该类方法需以高精度及长时程远震波场正演模拟为基础,这为设计高精度长时程稳定的正演算法带来了挑战.在此背景之下,本文提出了一种适用于远震波场模拟的保结构算法.该方法采用谱元法(SEM)对研究区域进行空间离散,在不考虑耗散项情况下,将空间离散后的常微分方程变换为哈密顿系统形式,采用保辛分部龙格-库塔方法数值求解.在三级保辛分部龙格-库塔算法基础上添加额外空间离散项,得到修正辛算法.本文将该时间-空间全离散形式称为修正辛-谱元法(SSEM),并将SSEM算法与频率波数域(FK)方法结合,发展了可模拟高频远震波场在局域模型内传播的SSEM-FK混合方法.该方法结合了FK方法模拟层状介质中平面波传播的高效性和SSEM计算复杂介质中弹性波传播的精确性.数值实验表明,SSEM-FK能够准确模拟高频远震波场在研究区域内的传播,结合该方法在计算效率上的优势,可为高效、高精度的远震全波形层析成像打下基础.

关键词：辛算法弹性波方程远震波场模拟谱元法

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基于逐元和轴对称谱元的混合方法及远震波场模拟

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地球物理学报 2024年第5期67卷 1819-1831页

作者：李昊臻刘少林董兴朋蒙伟娟杨顶辉清华大学数学科学系北京100084 应急管理部国家自然灾害防治研究院北京100085 中国地震局地质研究所北京100029

远震波形成像是研究地球内部结构和动力学过程的重要手段.然而,由于巨大的计算需求,当前在全球尺度(包含震源-台站)数值模拟高频(频率到2 Hz)地震波传播并不现实.谱元法是一种高有效性的数值模拟算法,具有高精度和网格剖分灵活的优点,... 详细信息

远震波形成像是研究地球内部结构和动力学过程的重要手段.然而,由于巨大的计算需求,当前在全球尺度(包含震源-台站)数值模拟高频(频率到2 Hz)地震波传播并不现实.谱元法是一种高有效性的数值模拟算法,具有高精度和网格剖分灵活的优点,并且已经成功应用于弹性波方程求解中.但缺点是求解远震问题时计算量和存储量较大.为了克服上述难题,本文发展了一种基于逐元并行谱元法与轴对称谱元法相结合的混合方法:即在全球尺度层状模型下使用具有快速计算效率的轴对称谱元法模拟远震背景波场,而在研究区域内使用逐元并行谱元法精确计算非均匀介质中远震波场传播.该方法减少了非均匀介质中远震波场模拟的计算量与存储量,并保持了逐元并行谱元法高精度、低存储量、易并行的优点.数值实验验证了该混合方法的可行性和精确性,并有望进一步应用于实际地震数据远震波形成像研究中.

关键词：弹性波方程混合方法逐元谱元法轴对称谱元法远震波场模拟

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