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全波形反演研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

2014-04-07 14:07楊勤勇胡光輝王立歆
石油物探 2014年1期
關(guān)鍵詞:波場反演波形

楊勤勇,胡光輝,王立歆

(中國石油化工股份有限公司石油物探技術(shù)研究院,江蘇南京211103)

縱觀石油工業(yè)的發(fā)展歷程,其實(shí)是一部勘探地球物理技術(shù)的發(fā)展史。每一次勘探地球物理技術(shù)的進(jìn)步都帶來了油氣產(chǎn)量的飛躍。隨著勘探開發(fā)程度的不斷深入,對高精度成像、儲(chǔ)層描述和精細(xì)地震地質(zhì)解釋提出了更高的要求,亟需地球物理技術(shù),尤其是精確的反演成像技術(shù)的進(jìn)步。全波形反演(full waveform inversion,FWI)理論和技術(shù)以其高精度、多參數(shù)建模的能力,吸引了越來越多的勘探地球物理學(xué)家的目光,已成為當(dāng)前勘探地球物理領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。它利用疊前地震波場中的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)信息,具有揭示復(fù)雜地質(zhì)背景下構(gòu)造細(xì)節(jié)及巖性的潛在能力。但是,在數(shù)學(xué)上它是一個(gè)高度病態(tài)的非線性問題[1],需要解決其多解性及收斂性問題。從地球物理角度看,它涉及模型的參數(shù)化、誤差泛函的建立、數(shù)據(jù)預(yù)處理、波場的數(shù)值模擬、子波的估計(jì)等研究內(nèi)容[2]。在某種程度上可以說,全波形反演理論和技術(shù)是地球物理領(lǐng)域的一項(xiàng)終極技術(shù)。因此,該項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展必然是長期的、逐步完善的過程。

全波形反演是Bayes估計(jì)理論在勘探地球物理領(lǐng)域的一個(gè)應(yīng)用范例。它可以描述為一個(gè)基于地震全波場模擬的數(shù)據(jù)擬合過程,其使用了地震記錄中的全波形信息[1],而不像其它傳統(tǒng)的方法僅使用地震波形中的部分信息(如旅行時(shí)層析成像等技術(shù))。全波形反演的實(shí)現(xiàn)是在正則化約束下通過更新迭代初始模型進(jìn)而減小計(jì)算數(shù)據(jù)和觀測數(shù)據(jù)之間的誤差,逐步逼近真實(shí)模型的過程[3]。理論上,全波形反演已被證明為一種建立高精度速度模型的有效手段[4-5]。

全波形反演理論是一套完美的體系,但它對數(shù)據(jù)、初始模型、地震波正演、激發(fā)子波是有理論假設(shè)的。某些數(shù)值模型驗(yàn)證全波形反演過程可以得到幾乎和真實(shí)模型完全匹配的反演結(jié)果,但是在復(fù)雜介質(zhì)情況下,即使理論模型數(shù)據(jù)的FWI反演結(jié)果也不收斂,更不用說實(shí)際地震數(shù)據(jù)了。FWI反演結(jié)果很難收斂到正確的結(jié)果上,核心問題在于地震波波場(尤其是反射地震波場)與反演參數(shù)之間的關(guān)系是嚴(yán)重非線性的,誤差泛函存在非常多的局部極值點(diǎn),因此需要很好的初始模型來降低誤差泛函的非線性性。然而,在復(fù)雜介質(zhì)和低信噪比情況下,正確的初始模型的獲取本身就十分困難;其次,簡單的地震波正演模擬算子不能模擬實(shí)測地震波場中復(fù)雜的波現(xiàn)象;第三,地震子波的空變特征更加重了地震波場與反演參數(shù)之間的非線性關(guān)系,這是陸上地震數(shù)據(jù)進(jìn)行FWI測試更為困難的基本原因。更深入地看,地震波在地下介質(zhì)中傳播,不同的波現(xiàn)象與不同的介質(zhì)成分緊密關(guān)聯(lián)。譬如潛波(Diving Wave)可以認(rèn)為是一種地表觀測的透射波,利用Diving Wave可以反演背景速度(初始速度模型)。但是,Diving Wave要在深層介質(zhì)中傳播,一定是低頻的。另一方面,還需要長偏移距才能觀測到中深層的Diving Wave。這是FWI需要低頻長偏移距數(shù)據(jù)的基本原因。缺乏了低頻長偏移距數(shù)據(jù),背景速度就需要用其它的方式獲取。與此同時(shí),FWI的實(shí)用化必然與計(jì)算效率相關(guān)。在一般的迭代算法中,FWI的一個(gè)迭代步驟至少需要全部炮集的3次地震波正演計(jì)算。據(jù)此可以看出,FWI的計(jì)算量多么巨大!

總之,盡管FWI理論和技術(shù)看起來很完美,但是它的理論限制和應(yīng)用瓶頸很多。在海上地震資料處理中,全波形速度反演的精度比目前的層析速度反演要高。陸上資料的全波形反演應(yīng)用主要受限于子波空變、信噪比低,經(jīng)典意義下的全波形反演還沒有很成功的應(yīng)用實(shí)例。但是,無論如何,當(dāng)前的FWI反演技術(shù)主要功能還是估計(jì)比較精確的背景速度,與逆時(shí)偏移(reverse-time migration,RTM)一起實(shí)現(xiàn)精確的反射地震波成像,距離精確的儲(chǔ)層參數(shù)反演還有較長的路要走。深入分析FWI理論及其受限制原因,提出滿足其基本假設(shè)的數(shù)據(jù)預(yù)處理方法和實(shí)現(xiàn)FWI的更合理的流程,是將FWI導(dǎo)向?qū)嵱没仨毜呐e措。

我們在全面調(diào)研的基礎(chǔ)上,介紹了全波形反演技術(shù)的研究進(jìn)展、應(yīng)用現(xiàn)狀、存在的瓶頸及發(fā)展趨勢,著重分析了陸上地震資料應(yīng)用的困難及可能的解決方案,最后展望了全波形反演技術(shù)的實(shí)用化進(jìn)程。

1 全波形反演技術(shù)研究進(jìn)展

20世紀(jì)80年代,Tarantola[1,6]提出了基于廣義最小二乘的時(shí)間域全波形反演,這一方法的產(chǎn)生推動(dòng)了全波形反演的發(fā)展,對其后全波形反演理論體系的發(fā)展產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。Tarantola借鑒了共軛狀態(tài)法求梯度的思想,通過炮點(diǎn)正傳波場與檢波點(diǎn)殘差逆?zhèn)鞑▓龅幕ハ嚓P(guān)估計(jì)出梯度方向,避開了Frechet導(dǎo)數(shù)的直接計(jì)算,使得二維時(shí)間域全波形反演的實(shí)現(xiàn)成為可能。據(jù)此也可以看出,高精度、高效率地模擬地震波傳播的波場是全波形反演計(jì)算的核心問題[7]。

Virieux[8-9]首先將二階有限差分交錯(cuò)網(wǎng)格方法運(yùn)用于地震波場模擬;之后,Levander[10]將該方法推廣至四階,由于其在精度及效率上與全波形反演的要求吻合[11],四階有限差分交錯(cuò)網(wǎng)格法一直被廣泛采用。此外,Kosloff等[12-13]提出的偽譜法和Marfurt[14]提出的有限元法也得到了充分的應(yīng)用和發(fā)展。在反演策略上,由于時(shí)間域全波形反演可以靈活地對數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的預(yù)處理,以及靈活選取所需的特征波等特點(diǎn)而受到關(guān)注。但時(shí)間域反演同時(shí)反演所有頻率成分,增大了問題的非線性性,因此,Bunks等[15]提出了時(shí)間域的多尺度反演,這種算法通過對資料的處理將問題分解為不同的空間尺度,增加了問題求解的穩(wěn)定性,降低其非線性程度。

20世紀(jì)90年代,Pratt[16-17]將Tarantola的理論發(fā)展到了頻率域,由此奠定了頻率域全波形反演發(fā)展的基礎(chǔ),并極大地推動(dòng)了全波形反演的實(shí)用化進(jìn)程。在此之前,Marfurt[14]就明確指出,對于處理多震源問題,頻率域的有限元或有限差分法是最有效的數(shù)值離散化手段。但后來被Operto等[18]證明頻率域波場模擬在處理三維較大模型時(shí)有很大的局限性,尤其是對內(nèi)存的需求。頻率域全波形反演僅需幾個(gè)離散的頻率即可完成模型的高精度重建,因此,對每道地震記錄而言,幾個(gè)相應(yīng)的傅里葉級數(shù)取代時(shí)間域整個(gè)時(shí)間序列,大大節(jié)省了存儲(chǔ)空間;其次,頻率域全波形反演直接在頻率域求解,反演過程中直接處理頻率域的解,因此,容易實(shí)現(xiàn)從低頻到高頻的多尺度反演;此外,頻率域求解過程中容易加入吸收因子等參數(shù)[11]。所以,近年來頻率域全波形反演備受關(guān)注。頻率域正演的發(fā)展為頻率域反演的實(shí)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。其中具代表性的有Operto等[18]提出的基于三維27點(diǎn)加權(quán)平均算子的粘聲波正演法;Brossier等[19]提出的省資源有限體積法;Etienne等[20]提出的不連續(xù)的Galerkin方法。

由于三維頻率域正演對內(nèi)存的超大要求,一般的機(jī)群很難滿足,使三維頻率域全波形反演的發(fā)展受到了很大的限制,也因此促進(jìn)了頻率域反演聯(lián)合時(shí)間域正演的混合域反演方法的發(fā)展[21]。混合域反演聯(lián)合了頻率域反演和時(shí)間域正演的優(yōu)點(diǎn),利用傅里葉變換在波場模擬過程中直接求解頻率域的解,不增加額外的計(jì)算量,同時(shí)可以獲得多個(gè)頻率域的波場信息。這種算法既節(jié)約了存儲(chǔ)空間、方便實(shí)現(xiàn)多尺度算法,又可以靈活地對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,且不需要超大內(nèi)存空間,更適應(yīng)現(xiàn)有機(jī)群設(shè)施,在計(jì)算資源滿足的條件下適用于大規(guī)模并行計(jì)算,最大程度地提高計(jì)算效率[11]。所以,混合域反演方法的誕生極大程度地促進(jìn)了三維全波形反演在實(shí)際資料中的應(yīng)用進(jìn)程。

低頻數(shù)據(jù)與初始模型的耦合是全波形反演在實(shí)際資料應(yīng)用中遇到的最大瓶頸。低頻信息的缺失,使得常規(guī)建模手段難以滿足全波形反演對初始模型精度的要求。因此,無論是時(shí)間域反演還是頻率域反演,往往造成模型更新迭代過程中的錯(cuò)誤收斂。為了解決實(shí)際應(yīng)用中的這一問題,Shin等[22-24]利用拉普拉斯域?qū)︻l率不敏感的特性發(fā)展了拉普拉斯域的全波形反演。遺憾的是拉普拉斯域的全波形反演只能恢復(fù)模型中的長波長信息,并不能獲得像頻率域全波形反演那么高的精度。但有了準(zhǔn)確的長波長速度分量,作為頻率域全波形反演的初始模型,是幫助頻率域全波形反演繞過低頻信息的有效手段。因此,Kim等[25]又發(fā)展了拉普拉斯域聯(lián)合頻率域的全波形反演。

近年來,全波形反演得到了越來越多的關(guān)注,一些優(yōu)化算法的提出更促進(jìn)了全波形反演的實(shí)用化進(jìn)程。全波形反演從最初的時(shí)間域已經(jīng)逐步發(fā)展到了頻率域、拉普拉斯域,值得一提的是混合域算法的提出對全波形反演的實(shí)用化進(jìn)程有著巨大的推進(jìn)作用。在當(dāng)前計(jì)算能力快速發(fā)展的支撐下,全波形反演的應(yīng)用已經(jīng)從二維走向了三維,從模型驗(yàn)證階段逐漸走向了實(shí)用化階段。

2 全波形反演的應(yīng)用現(xiàn)狀

全波形反演的應(yīng)用最早出現(xiàn)于20世紀(jì)80年代,Gauthier等[26]和Mora[27]實(shí)現(xiàn)了二維地震資料的全波形反演。這些應(yīng)用實(shí)例證明了全波形反演是一種高精度的建模手段,它具有精細(xì)刻畫地下構(gòu)造及巖性的能力,但同時(shí)也指出了全波形反演對初始模型的嚴(yán)重依賴,這一“病態(tài)”性使得全波形反演在缺少低頻信息的情況下很難取得成功。受計(jì)算資源的限制,當(dāng)時(shí)FWI技術(shù)的應(yīng)用始終局限在二維情況。之后,地球物理學(xué)家對全波形反演的應(yīng)用進(jìn)行了更深入的研究,一些新方法被應(yīng)用到全波形反演中,并出現(xiàn)了很多成功應(yīng)用的案例[28-31]。

三維全波形反演在20世紀(jì)90年代中后期陸續(xù)出現(xiàn)[32-33],當(dāng)然計(jì)算水平的提高在三維全波形反演應(yīng)用中扮演了重要角色。2010年,Sirgue等[34]率先對挪威北海油田(Valhall地區(qū))OBC數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)了三維全波形反演,這一成果極大地鼓舞了全波形反演的研究熱潮。Valhall地區(qū)由于淺層氣云的覆蓋,一直是建模、成像的難點(diǎn),甚至被稱為勘探的“盲區(qū)”。全波形反演不僅對該氣云形態(tài)進(jìn)行了準(zhǔn)確的描述,對其周邊充氣的斷裂構(gòu)造也進(jìn)行了精細(xì)的刻畫。由此也發(fā)展了直接對高精度速度體進(jìn)行地質(zhì)解釋的地震資料解釋新思路。淺層建模一直是建模的難點(diǎn),從Valhall地區(qū)反演結(jié)果來看,全波形反演完全有能力實(shí)現(xiàn)淺層的高精度建模,其對該地區(qū)淺表層古河道的精細(xì)刻畫,達(dá)到了常規(guī)建模手段無法達(dá)到的精度。之后,全波形反演對海上三維實(shí)際資料的應(yīng)用陸續(xù)出現(xiàn)[35-37]。遺憾的是,這一技術(shù)仍然停留在只能應(yīng)用于海上地震資料階段,陸上資料的應(yīng)用還存在很大挑戰(zhàn),主要是無法提供滿足全波形反演要求精度的初始速度模型及足夠低頻的觀測數(shù)據(jù)。

2012年,殼牌公司與東方地球物理公司合作實(shí)現(xiàn)了二維陸上資料的全波形反演[38]。雖然這一研究是基于低頻大偏移距的特殊觀測系統(tǒng),在實(shí)際地震資料采集中很難大規(guī)模實(shí)施,但這一結(jié)果也證明了陸上資料全波形反演應(yīng)用的可行性。從1.5Hz的初始頻率開始反演,減少了全波形反演對初始模型的依賴。大偏移距的勘探,保證了記錄中的全波場信息。因此,從一個(gè)均勻遞增的背景速度場出發(fā),也得出了很好的反演效果。低頻數(shù)據(jù)對恢復(fù)長波長速度分量起到了重要作用。也再一次證明了低頻數(shù)據(jù)的重要性。

在2013年美國勘探地球物理學(xué)家學(xué)會(huì)(SEG)年會(huì)上,出現(xiàn)了很多不同區(qū)塊的全波形反演實(shí)際資料應(yīng)用實(shí)例。此外,拉普拉斯域的全波形反演也得到了發(fā)展。Pyun等[39]發(fā)展了拉普拉斯域的三維彈性波全波形反演。與直接解法不同,他們采取和頻率域近似的迭代解法,使該方法更適用于大尺度三維全波形反演。針對海洋深水環(huán)境,Lee等[40]提出了一種剝離直達(dá)波的拉普拉斯域全波形反演,與常規(guī)的對數(shù)正態(tài)的拉普拉斯域全波形反演相比,剝離直達(dá)波的全波形反演方法更適合海洋深水環(huán)境。此外,拉普拉斯混合頻率域的全波形反演也在實(shí)際資料應(yīng)用中得到了驗(yàn)證[24]。在缺少低頻信息的情況下,利用拉普拉斯域全波形反演對頻率不敏感的特性首先恢復(fù)長波長信息,繼而以此為初始模型利用頻率域全波形反演恢復(fù)模型的短波長分量,實(shí)現(xiàn)模型的高精度重建。

國內(nèi)對全波形反演的研究起步較晚,技術(shù)水平較國外還有一定的差距,目前國內(nèi)還沒有看到全波形反演成功應(yīng)用的實(shí)例。針對國內(nèi)陸上探區(qū)特點(diǎn),中國石油化工股份有限公司石油物探技術(shù)研究院開展了針對目標(biāo)層的全波形反演研究,并取得了階段性成果[41],該結(jié)果展示了全波形反演對中淺層建模的積極作用,對成像剖面有較大改善,構(gòu)造與測井信息更加吻合。

目前,無論是海上資料還是陸上資料的全波形反演,都使用層析反演的手段來獲取初始速度模型,但結(jié)果表明,這一速度模型精度并不能滿足全波形反演的要求。因此,Shin提出的拉普拉斯域全波形反演為經(jīng)典意義下的全波形反演提供初始速度模型備受關(guān)注。此外,特征波的波形反演也為初始模型建模帶來了新的曙光。雖然我們已看到了陸上資料全波形反演成功應(yīng)用的實(shí)例,但這些大多需要特殊的觀測系統(tǒng)和低頻勘探作為保障,又或者與經(jīng)典意義下的全波形反演不同,僅實(shí)現(xiàn)了特征波的全波形反演。所以,能否實(shí)現(xiàn)陸上地震資料的全波形反演,更進(jìn)一步地說,能不能實(shí)現(xiàn)常規(guī)觀測系統(tǒng)下陸上資料的全波形反演,將是極具挑戰(zhàn)性的研究課題。

3 陸上地震資料應(yīng)用的瓶頸及發(fā)展動(dòng)向

理論上,全波形反演處理應(yīng)用于海上地震資料或陸上地震資料時(shí)并無差異。無論是波場模擬、梯度求取還是優(yōu)化算法都是同一套理論體系。那么,為什么海上地震資料可以正確收斂到一個(gè)高精度的速度模型,而陸上地震資料的應(yīng)用卻一直受到限制呢?王華忠等[42]從概率論的觀點(diǎn)分析了波形反演的本質(zhì),并指出在假設(shè)觀測噪聲為高斯白噪的情況下,Bayes估計(jì)可以在最小二乘意義下實(shí)現(xiàn);分析了全波形反演難以實(shí)現(xiàn)的根本原因在于數(shù)據(jù)空間向參數(shù)空間映射的強(qiáng)非線性關(guān)系以及介質(zhì)模型的復(fù)雜性和描述地震波場物理傳播過程的正演算子的復(fù)雜性。胡光輝等[3]通過模型驗(yàn)證分析了全波形反演的應(yīng)用現(xiàn)狀并指出了其在陸上資料應(yīng)用中的困難。對比海上地震資料與陸上地震資料的特點(diǎn),從數(shù)據(jù)域的角度出發(fā),我們認(rèn)為陸上地震資料全波形反演的應(yīng)用瓶頸主要在于:

1) 全波形反演要求全方位角、大偏移距的觀測系統(tǒng)。海洋資料OBC數(shù)據(jù)很好地適應(yīng)了這一要求,Valhall油田的成功應(yīng)用也證實(shí)了這一點(diǎn)。而陸上地震資料的常規(guī)三維勘探多為滾動(dòng)采集,這對全方位角的要求有一定的限制。但最為嚴(yán)重的是,傳統(tǒng)的觀測系統(tǒng)設(shè)計(jì)多基于反射波勘探,偏移距較小,波路徑正交程度差,這在很大程度上限制了全波場信息的獲取。

2) 低頻信息的缺失。海上數(shù)據(jù)去除海洋噪聲干擾,一般最低可用頻帶為3.0~3.5Hz。而傳統(tǒng)的陸上檢波器所能響應(yīng)的頻帶有效范圍往往在6Hz以上,即使數(shù)字檢波器可以響應(yīng)低頻信息,而面波的干擾也使得該頻段不可用。此外,常規(guī)的建模手段又很難較準(zhǔn)確地恢復(fù)模型的長波長信息。因此,沒有低頻數(shù)據(jù)與初始模型很好地耦合,使這一“病態(tài)”的反演問題極易陷入局部極小,不能獲得全局的最優(yōu)解。

3) 數(shù)據(jù)預(yù)處理面臨挑戰(zhàn)。全波形反演除了運(yùn)用地震波的走時(shí)信息,最重要的是它考慮了波傳播的動(dòng)力學(xué)特征,因此在數(shù)據(jù)擬合過程中,其對噪聲非常敏感。這就對數(shù)據(jù)預(yù)處理工作提出了更高的要求,既要消除噪聲干擾,又不能破壞波的動(dòng)力學(xué)特征。尤其在聲波近似的全波形反演過程中,面波作為干擾波需要清除,而在去除面波的過程中,往往損害了地震記錄的低頻信息。甚至由于其線性特征,同時(shí)損害了初至及淺層折射等有明顯線性特征的有效波信息。

4) 與海上氣槍震源相比,陸上炸藥震源穩(wěn)定性較差,受藥量、激發(fā)巖性等因素影響,隨機(jī)干擾嚴(yán)重。地面檢波器受地表?xiàng)l件影響也制約了陸上資料的品質(zhì),且檢波器與地面的耦合性遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能做到水上檢波器與海水這種一致性的耦合。而且與海水這一均質(zhì)的速度體相比,近地表介質(zhì)極其復(fù)雜,許多不確定因素導(dǎo)致波動(dòng)方程并不能完全模擬全部波形,因此在構(gòu)建誤差函數(shù)時(shí)累積了更多的錯(cuò)誤與誤差,進(jìn)而影響其收斂方向。

全波形反演是一套完美的數(shù)學(xué)理論體系,已逐漸從模型試算走向?qū)嶋H資料的應(yīng)用,并已在海上資料的實(shí)際應(yīng)用中獲得了成功。陸上資料的成功應(yīng)用雖然還存在種種困難,但地球物理學(xué)家們已經(jīng)注意到了其中的種種挑戰(zhàn),意識(shí)到陸上資料全波形反演應(yīng)用的限制已經(jīng)不屬其理論范疇。所以,當(dāng)前全波形反演的發(fā)展已經(jīng)從理論研究轉(zhuǎn)向了推動(dòng)其實(shí)用化的研究,以及為全波形反演實(shí)用化的各種準(zhǔn)備工作的研究。針對陸上資料特點(diǎn),Xu等[43]發(fā)展了基于反射波的波形反演研究,并在實(shí)際資料應(yīng)用中取得了較好的效果,也使特征波的全波形反演受到了人們的關(guān)注。Brossier等[44]改進(jìn)了反射波全波形反演的目標(biāo)函數(shù),使用伴隨狀態(tài)法的全波形反演策略實(shí)現(xiàn)了反射波這一特征波的全波形反演。特征波全波形反演,使用某一或某一些特征波的走時(shí)和波形信息逐步逼近全波形反演的結(jié)果及精度,是解決陸上資料全波形反演問題的有效途徑。這一方法也在實(shí)際資料應(yīng)用中得到了驗(yàn)證[45-46]。此外,針對陸上資料低頻信息缺失問題的研究也取得了新的進(jìn)展[47-48]。通過低頻補(bǔ)償、頻率外推以及改變目標(biāo)函數(shù)[49-50]對頻率的敏感性等方式,減小低頻信息缺失帶來的不利影響,完成缺少低頻信息下的全波形反演。

4 全波形反演應(yīng)用前景展望

全波形反演技術(shù)是地球物理領(lǐng)域一個(gè)新的研究熱點(diǎn),近年來得到了快速的發(fā)展。在某些海上實(shí)際資料的應(yīng)用中得到了優(yōu)于現(xiàn)有其它速度建模方法的結(jié)果,陸上地震資料全波形反演的應(yīng)用還受到種種限制。隨著地震采集技術(shù)水平的不斷提高,全波場、寬頻帶、炮-檢對等觀測手段的實(shí)現(xiàn),以及預(yù)處理保真技術(shù)的發(fā)展,陸上全波形反演的應(yīng)用將逐步走向?qū)嵱没?/p>

我們認(rèn)為,經(jīng)典的全波形反演方法的實(shí)用化是非常困難的,需要發(fā)展一種反演流程,通過分步驟、分尺度、多種手段聯(lián)合來實(shí)現(xiàn)全波形反演,大幅度提高目前的速度估計(jì)和成像的精度。王華忠等[42]分析指出,速度場的反演利用特征波的波形反演(CWI)要優(yōu)于全波形反演;需要合理地增加相位信息在泛函中的比例以及考慮模型的先驗(yàn)信息。FWI反演的根本問題在于地震波場與反演參數(shù)之間的非線性性,在于實(shí)測地震波場的概率特征并不完全符合高斯分布,在于地震波正演不能很好地模擬實(shí)測波場,在于反射波振幅不只受速度改變的影響。針對這些根本問題,首先要弄清楚地震波場中的不同成分與速度參數(shù)的不同成分之間的關(guān)系,盡量讓這些關(guān)系緊密化和線性化。因此,將地震波場分解成特征波場,不同特征波場成分反演速度場的不同成分,綜合應(yīng)用波場中的旅行時(shí)、相位、振幅信息,構(gòu)建實(shí)用化的全波形反演技術(shù)的反演流程,是將全波形反演技術(shù)應(yīng)用于陸上地震數(shù)據(jù)當(dāng)前需要解決的問題。Xu等[43]發(fā)展的反射波全波形反演就是這種特征波反演思想的體現(xiàn)。此外,通過設(shè)置目標(biāo)函數(shù)對減小非線性問題,提取波場特征量信息以及對不同攝動(dòng)尺度的響應(yīng)扮演著重要角色。董良國等[50]分析了不同的目標(biāo)函數(shù)隨不同物性參數(shù)的不同攝動(dòng)尺度的變化性態(tài),并給出了模型驗(yàn)證結(jié)果,對選擇合理的反演方法以及反演策略具有重要意義。不同目標(biāo)函數(shù)的非線性程度不同,對目標(biāo)函數(shù)形態(tài)的有效分析是研究陸上資料全波形反演應(yīng)用的恰當(dāng)舉措。拉普拉斯域全波形反演以及地震道包絡(luò)構(gòu)造的目標(biāo)函數(shù)正是利用了它們在數(shù)據(jù)空間和模型參數(shù)之間的相對較低的非線性程度。所以,分步驟、分尺度反演方法和反演策略以及多種手段的有效聯(lián)合是實(shí)現(xiàn)陸上地震資料全波形反演的有效途徑。

我們相信,在不久的將來,全波形反演基本思想和方法一定會(huì)對彈性參數(shù)反演、多參數(shù)反演/建模、高精度成像以及儲(chǔ)層參數(shù)估計(jì)與儲(chǔ)層描述產(chǎn)生積極而又深遠(yuǎn)的影響。

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