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海底地震仪与拖揽观测系统的联合走时层析海水速度建模

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地球物理学报 2024年第6期67卷 2378-2387页

作者：刘雯刘玉柱王建花张建明伍正杨涛同济大学海洋与地球科学学院上海200092 同济大学海洋地质国家重点实验室上海200092 中海油研究总院北京100028

在海洋地震勘探过程中,如果不考虑海水的非均匀性将会在后续层析成像过程中引入伪影,因此准确的海水速度建模是非常有必要的.海底地震仪(OBS)记录数据中的透射波具有较大的射线角度,能够为海水建模提供垂向分辨率;而拖缆观测可以补充OB... 详细信息

在海洋地震勘探过程中,如果不考虑海水的非均匀性将会在后续层析成像过程中引入伪影,因此准确的海水速度建模是非常有必要的.海底地震仪(OBS)记录数据中的透射波具有较大的射线角度,能够为海水建模提供垂向分辨率;而拖缆观测可以补充OBS分布稀疏造成的横向欠采样,同时可以定位海底深度并更新OBS位置信息.综合利用OBS和拖缆观测系统可以克服各自的局限性,提高海水速度建模的精度.为此,本文提出了一种基于OBS与拖缆观测系统的海水透射波、海底反射波联合走时层析方法,同时反演海水声速分布和海底深度.二维理论模型实验和实际资料处理结果表明,该方法能够准确反演海水声速分布和海底深度,提高震相走时的匹配程度,为后续成像提供准确的非均匀海水模型.

关键词：海底地震仪海水速度建模走时层析海水透射波海底反射波

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超深水区基准面延拓驱动的反射波形反演成像

石油地球物理勘探 2024年

作者：王璇王腾飞程玖兵武泗海朱峰刘玉柱同济大学海洋与地球科学学院海洋地质国家重点实验室

远离大陆架的海洋油气勘探与开发具有高风险、高投入的特征，对构造成像和储层预测精度要求很高，传统的基于射线理论的速度建模方法难以满足精细成像的需求。超深水探区地震观测受到巨厚水层的影响，导致记录时间较长、数据规模和模型... 详细信息

远离大陆架的海洋油气勘探与开发具有高风险、高投入的特征，对构造成像和储层预测精度要求很高，传统的基于射线理论的速度建模方法难以满足精细成像的需求。超深水探区地震观测受到巨厚水层的影响，导致记录时间较长、数据规模和模型空间巨大，因此难以在超深水探区大规模应用基于波动理论的速度建模方法。为此，提出基准面延拓驱动的反射波形反演成像技术。该技术利用基准面延拓剥离水层影响，消除地震波在水中的传播过程，降低数据规模、压缩模型空间、缓解速度—深度多解性，使全波形反演在深海区的实际应用成为可能。考虑到超深水探区有限炮检距难以记录到穿透较深的初至波，无法利用初至波进行波形反演更新速度，因此选用反射波形反演对延拓后数据进行速度建模，以便得到高精度速度模型和成像结果。理论模型合成数据和南海A区块实际数据处理结果表明，该技术能够大规模缩减数据量，并提高高精度速度建模的效率，可在超深水油气勘探中发挥积极作用。

关键词：超深水拖缆基准面延拓反射波形反演逆时偏移速度建模

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多方法协同的水下排污口排查技术体系应用

环境工程 2024年第5期42卷 139-146页

作者：陈超张洪星张海涛钱建华同济大学海洋与地球科学学院上海200092 上海遨拓深水装备技术开发有限公司上海200135

入河(海)排污口等点源污染与地表水环境质量密切相关,也是造成生态环境污染的主要原因。科学、有效地监测、评价和整治水环境污染,系统全面地掌握入河(海)排污口的各项数据并纳入水生态环境智能监测监管系统数据库中至关重要。针对水下... 详细信息

入河(海)排污口等点源污染与地表水环境质量密切相关,也是造成生态环境污染的主要原因。科学、有效地监测、评价和整治水环境污染,系统全面地掌握入河(海)排污口的各项数据并纳入水生态环境智能监测监管系统数据库中至关重要。针对水下排污口难以排查取证的技术痛点,基于声学、光学等多种探测手段建立了1套多源数据融合的水下排污口二级排查技术体系。以上海市某镇河道水下排污口排查为例,通过多方法协同,在累计35.5 km的岸线排查区域内共识别定位了51处疑似水下排污口,其中49处复核确认存在,排查成功率为96.1%。具体的,新发现水下排污口18处,已有登记的水下排污口31处也均被识别发现,即对已知水下排污口的排查成功率达到100%,进一步验证了二级排查技术体系的可靠性,为透明规范排污、科学精准治污及生态环境保护提供了翔实的基础数据。

关键词：水下排污口排查技术多源数据生态环境保护

改进的统计滤波方法在地震数据处理中的应用及局限性

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石油地球物理勘探 2022年第5期57卷 1057-1065,I0003页

作者：宋肖楠王华忠杨锴同济大学海洋与地球科学学院波现象与智能反演成像研究组上海200092

地震数据噪声压制技术有着广泛的应用需求。地震数据可以抽象地看成是由时距关系确定的地震同相轴与某种统计规律确定的随机噪声构成。以加权叠加为基础的经典统计滤波会影响地震数据中的同相轴信息,滤波效果不理想,所以需要依据地震数... 详细信息

地震数据噪声压制技术有着广泛的应用需求。地震数据可以抽象地看成是由时距关系确定的地震同相轴与某种统计规律确定的随机噪声构成。以加权叠加为基础的经典统计滤波会影响地震数据中的同相轴信息,滤波效果不理想,所以需要依据地震数据的特征改进统计滤波器。统计滤波需跟踪地震同相轴,自适应地设计与区域地质特征相匹配的扁平窗函数。为此,提出一种沿同相轴方向的各向异性滤波器,在不同区域自适应地沿同相轴方向滤波,从而设计出适应地震数据变化规律的滤波器。合成数据和实际数据验证了该方法可以有效提高信噪比,并保持地震数据中同相轴的有效信息。根据信噪比、残差、误差曲线的定性和定量结果分析说明了统计滤波器应用的局限性。

关键词：滤波器设计统计滤波器同相轴方向定量误差信噪比

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基于相对熵准则的CMP道集Q扫描

石油地球物理勘探 2023年第4期58卷 801-811页

作者：李鹏辉王华忠同济大学海洋与地球科学学院波现象与智能反演成像研究组上海200092

地下介质的大地滤波效应(主要包括薄层叠合效应、散射效应和非弹性效应等)使地震信号振幅变小、频带变窄、主频降低、相位畸变,这可用等效Q值引起的效应表示。合理估计等效Q值并进行相应的Q值补偿对提高地震资料的分辨率十分重要。吸收... 详细信息

地下介质的大地滤波效应(主要包括薄层叠合效应、散射效应和非弹性效应等)使地震信号振幅变小、频带变窄、主频降低、相位畸变,这可用等效Q值引起的效应表示。合理估计等效Q值并进行相应的Q值补偿对提高地震资料的分辨率十分重要。吸收衰减是一个累积效应,当地层Q值一定时,地震子波的衰减现象随传播距离/时间的增加和频率的增大而愈明显,即深层、远炮检距反射子波的能量和高频成分衰减更严重。为此,假设地层为水平层状、反射同相轴满足双曲线规律,已知地下均方根速度模型,利用CMP道集,沿双曲线轨迹开时窗以提取单个衰减子波;然后选取一组Q值,在频率域对衰减子波振幅谱做Q值补偿处理,依据不同炮检距处补偿后地震子波振幅谱一致性最佳原则估计水平地层的等效Q值。该方法需要一个合适的度量准则,因此对比、分析了相似系数、质心频率和KL散度、JS散度等准则。实验表明,在选取合适频带范围(如0~60 Hz)后,JS散度准则对规范化后的振幅谱一致性度量的敏感性更高,抗噪能力更强;在合适的信噪比条件下,基于相对熵准则的CMP道集扫描估计品质因子方法可以得到比较稳定的等效Q值估计结果。

关键词：吸收衰减 CMP道集振幅谱一致性 Q扫描相对熵 JS散度等效Q值

长大深埋隧道勘察中的综合地球物理方法应用研究

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地球物理学进展 2024年

作者：陈楠赵永辉王海陈忠叶薇周立军宁波市市域铁路投资发展有限公司同济大学海洋与地球科学学院绍兴市上虞区轨道交通建设指挥部宁波宁大地基处理技术有限公司浙江省地质院

作为市域铁路全线岩土工程勘察的重难点之一，山岭隧道勘察常采用地质测绘、钻探与物探相结合的方式，而长大深埋隧道由于其复杂的地质地貌条件和外部环境，单一的物探方法存在一定的技术局限性，因此，需要多种物探技术进行综合勘察。... 详细信息

作为市域铁路全线岩土工程勘察的重难点之一，山岭隧道勘察常采用地质测绘、钻探与物探相结合的方式，而长大深埋隧道由于其复杂的地质地貌条件和外部环境，单一的物探方法存在一定的技术局限性，因此，需要多种物探技术进行综合勘察。在宁波西舟岭隧道勘察中，采用瞬态面波法、高密度电法和地震共振频率成像法相结合的综合物探技术，取得了较好的勘察成效，为后续工程设计、施工提供了可靠的工程地质依据。研究和实践表明，瞬态面波法能精确查明隧道覆盖层的厚度，高密度电法能有效查明浅埋段断层破碎带等地质问题，而地震共振频率成像法能有效弥补瞬态面波和高密度电法对深部地下介质探测的短板，三种物探方法起到了较好的相互补充和验证作用。

关键词：长大深埋隧道综合物探瞬态面波法高密度电法地震共振频率成像法

基于高维多属性决策过程的复杂地表初至波识别与走时检测方法

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石油物探 2022年第4期61卷 599-608,704页

作者：李康丽冯波王华忠波现象与智能反演成像研究组(WPI) 同济大学海洋与地球科学学院上海200092

波动理论初至波走时层析速度反演及建模成为当今陆上地震波成像中关键步骤之一、“两宽一高”地震数据采集技术的逐渐普及使得人工进行海量数据的初至波识别及走时检测变得不再可行、复杂地表区的油气勘探越来越成为常规、各种机器学习... 详细信息

波动理论初至波走时层析速度反演及建模成为当今陆上地震波成像中关键步骤之一、“两宽一高”地震数据采集技术的逐渐普及使得人工进行海量数据的初至波识别及走时检测变得不再可行、复杂地表区的油气勘探越来越成为常规、各种机器学习算法的出现,所有这些因素都要求人们必须进一步深入探索高精度的初至波识别及走时检测方法。将问题定位为弱初至波掩埋在(较)强噪声中,提出了一套复杂地表区初至波识别及走时检测的自动化智能化处理技术流程,主要步骤包括炮集中与初至波相关的预处理、高维特征空间的构建、多属性加权K均值聚类划分初至波分布区域、多属性约束的马尔可夫决策过程(Markov decision process,MDP)进行初至走时检测等。在MDP理论框架下,选择合理的基准面消除初至波高频道间时差,将三维(或二维)炮集中的初至波场视为一个有机的整体,提取高维特征属性,引入多属性加权K均值聚类划分出初至波分布区域,缩小拾取范围,利用多属性约束构建马尔可夫最优演化算法,充分考虑初至信息之间的横向连续性,进行初至波走时检测。实际数据测试结果表明,该方法能够自动地以较高的精度和稳健性进行初至走时的拾取,在中等复杂度情形下有较好的实用效果。

关键词：初至波识别走时检测高维特征空间 K均值聚类马尔可夫决策多属性约束

基于单频走时敏感度核函数的三维波动方程初至层析

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地球物理学报 2023年第2期66卷 784-795页

作者：冯波许荣伟王华忠罗飞同济大学海洋与地球科学学院波现象与智能反演成像研究组上海200092 中国石油化工股份有限公司石油物探技术研究院南京211103

地震波走时层析是主要的近地表速度建模技术.对于变速模型,尤其是复杂近地表模型,波动方程能够更加精确地描述地震波的一阶绕射效应,理论上反演精度高于射线(束)类层析.然而,波动方程的数值求解的计算量较射线理论增加了几个数量级,严... 详细信息

地震波走时层析是主要的近地表速度建模技术.对于变速模型,尤其是复杂近地表模型,波动方程能够更加精确地描述地震波的一阶绕射效应,理论上反演精度高于射线(束)类层析.然而,波动方程的数值求解的计算量较射线理论增加了几个数量级,严重制约了波动方程走时层析技术的三维实用化.为解决波动方程走时层析中遇到的计算和存储问题,本文通过引入随机边界条件以及离散Fourier积分,提出了基于单频梯度反演策略的实用化三维波动方程初至层析方法.本文方法的优势在于:在计算和存储方面,相比于基于波场重构算法(需要三次波传播)的梯度计算策略,本文提出的单频梯度计算方法对内存需求极低(相对于波动方程正演,仅需要增加两个单频波场以及一个成像体),且计算量至少减少1/3(仅需要两次波传播且无需处理数值吸收边界).此外,随机边界的引入使得正演算法大幅简化因而更适用于GPU(Graphics Processing Unit,图形处理器)加速.在理论层面,由于影响地震波一阶散射效应的主要区域集中在连接炮检的中心射线邻域的第一菲涅尔带内,随机边界条件的引入降低了随机边界内产生的散射波的空间相关性,使得第一菲涅尔带内的单频梯度相干加强;同时,地震观测系统的多次覆盖特性有助于第一菲涅尔带外的高波数振荡相互干涉.数值实验表明,光滑处理后的单频梯度仍然保留了非常可观的低波数成分,有助于实现背景速度反演.此外,三维复杂模型反演结果验证了本文方法能够较为准确地反演近地表速度结构.相对于传统的波动方程走时层析实现方案,本文方法在显著降低内存需求的同时进一步提高了计算效率,有望将波动方程初至层析技术推向三维实用化.

关键词：三维波动方程初至层析单频走时敏感度核函数单频梯度随机边界条件广义Rytov近似

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一阶Rytov近似有限频走时层析

地球物理学报 2019年第6期62卷 2217-2226页

作者：冯波罗飞王华忠同济大学海洋与地球科学学院波现象与智能反演成像研究组

传统的波动方程走时核函数(或走时Fréchet导数)多基于互相关时差测量方式及地震波场的一阶Born近似导出,其成立条件非常苛刻.然而,地震波走时与大尺度的速度结构具有良好的线性关系,对于小角度的前向散射波场,Rytov近似优于Born近似.因... 详细信息

传统的波动方程走时核函数(或走时Fréchet导数)多基于互相关时差测量方式及地震波场的一阶Born近似导出,其成立条件非常苛刻.然而,地震波走时与大尺度的速度结构具有良好的线性关系,对于小角度的前向散射波场,Rytov近似优于Born近似.因此,本文基于Rytov近似和互相关时差测量方式,导出了基于Rytov近似的有限频走时敏感度核函数的两种等价形式:频率积分和时间积分表达式.在此基础之上,本文提出了一种隐式矩阵向量乘方法,可以直接计算Hessian矩阵或者核函数与向量的乘积,而无需显式计算和存储核函数及Hessian矩阵.基于隐式矩阵向量乘方法,本文利用共轭梯度法求解法方程实现了一种高效的Gauss-Newton反演算法求解走时层析反问题.与传统的敏感度核函数反演方法相比,本文方法在每次迭代过程中,无需显式计算和存储核函数,极大降低了存储需求.与基于Born近似的伴随状态方法走时层析相比,本文方法具有准二阶的收敛速度,且适用范围更广.数值试验证明了本文方法的有效性.

关键词： Rytov近似有限频走时敏感度核函数波动方程走时层析初至波隐式矩阵向量乘 Gauss-Newton方法