（固体地球物理学专业论文）角度域共成像点道集及偏移速度分析.pdf

摘要 摘要 油气勘探程度的提高、勘探目标的日益复杂促进了叠前深度偏移成像技术 的快速发展。波动方程叠前深度偏移在生产中逐步得到了广泛应用。波动方程 叠前深度偏移对输入速度模型的要求较高，急需新的偏移速度分析( m v a ) 方 法与之匹配。近年来，角度域共成像点道集( a d c i g ) 被引入地球物理领域， 它被认为无论是在m v a 方面还是在成像方面都具有巨大的发展潜力。本文着重 研舢c i g 在m v a 方面的应用。 a d c i g 反映了地震反射振幅随着入射角度的变化提取a d c i g 的过程就是 将多次覆盖的地震数据从偏移距域转化到入射角度域的过程。在现有的几种 转化方法中，通过倾斜叠加的方法将偏移距域共成像点道集( o d c i g ) 转化 为a d c i g ，其计算效率较高，被较为广泛的研究和应用。在入射角度域，地震 数据具有良好的性质。波动方程偏移得到的a d c i g 被证明是没有假象的道集， 这是它区别于其它道集的最大优点，也是其被认为是目前最为合理的共成像点 道集( c i g ) 的主要原因。 当偏移速度等于介质速度时，a d c i g 的同相轴是水平的，其中的角度为真 正地震入射角。当偏移速度不等于介质速度时，a d c i g 的同相轴向上或者向下 弯曲，其角度也不是真正的入射角，而是视入射角偏移速度偏大，视入射角 大于真实入射角，反之，则小于真实入射角偏大的偏移速度比同比例偏小的 速度在a d c i g 上引起的剩余时差( r m o ) 要大，即a d c i g 的r m o 对正的速度 误差更敏感。这种性质暗示以略微偏大的偏移速度作为初始速度进行速度分析 对速度误差判断较有利 本文通过引进时空移动成像条件，得到时移偏移距域共成像点道集 ( t s o d c i g ) 和时移角度域共成像点道集( t s a d c i g ) 在时空移动成像条 件的框架下，a d c i g 的成像条件和时移成像条件都可以视为它的一个特例。在 聚焦深度处，时移共成像点道集( t s c i g ) 上对应波场能量最大，t s a d c i g 上 对应角度域道集同相轴是水平的。在t s a d c i g 上，通过寻找拉平的道集，可 以准确定位波场的聚焦深度。不管偏移速度是否正确，在t s a d c i g 上总可以 找到某个时移量，它对应的角度道集是水平的。在此基础上，本文统一了当前 主要两种m v a 方法的速度正确判断准则，即剩余曲率分析( r c a ) 中a d c i g 的 摘要 同相轴拉平和深度聚焦分析( d f a ) 的成像深度与聚焦深度相等两者是等价 的，a d c i g 的同相轴拉平是反射波场聚焦的必然结果。r c a 和d f a 速度分析方 法，它们本质上追求的都是成像深度与聚焦深度的一致。 本文研究的最终目标是求出地下介质的速度结构。通过 j c 打s a d c i g 上r m o 的分析，得到了基于该道集的偏移速度模型更新公式。 结合d f a 速度分析抗噪音能力较强和r c a 速度分析精度较高的优点，设计了基 于t s a d c i g f i s c i g 的速度分析方法。在t s a d c i g 上通过同相轴拉平判断聚焦 深度，在t s c i g 上通过聚焦能量最大判断聚焦深度，两种方法相互补充，共同 参与对速度误差的判断，从而可以得到更为准确的速度误差信息。对理论模型 合成数据和实际地震数据处理表明了本文方法的有效性。 关键词：角度域共成像点道集，时空移动成像条件，时移角度域共成像点道 集，偏移速度分析 一n 一 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ep r e s t a c kd e p t hm i g r a t i o nd e v e l o p sf a s ta sar e s u l to ft h ep r o m o t i o no fo i l a n dg a se x p l o r a t i o na n dc o m p l i c a t e de x p l o r a t i o na i m s w a v ee q u a t i o np r e s t a c kd e p t h m i g r a t i o ni sw i d e l ya p p l i e dt ot h ei n d u s t r i a lp r o d u c t i o ns t e pb ys t e p t h ep r c s t a c k d e p t hm i g r a t i o nr e q u i r e sr e l a t i v e l ya c c u r a t ei n p u tv e l o c i t ym o d e l ，s ow cs t a r v ef o rn e w m i g r a t i o nv e l o c i t ya n a l y s i s ( m v a ) m e t h o d sw h i c hs u i tw a v ee q u a l i o np r e s t a c kd e p t h m i g r a t i o n r e c e n t l y , a n g l ed o m a i nc o m m o ni m a g eg a t h e r s ( a d c i g ) a l ei n t r o d u c e d i n t og e o p h y s i c s ，t h e ya r ec o n s i d e r e dt oh a v eg r e a tp o t e n t i a lt ob o t hm v aa n di m a 咖g t h i sp a p e ri n t e n d st os t u d yt h em v am e t h o d su s i n ga d c i g a d c i gr e f l e c tt h es e i s m i cr e f l e c t i o na m p l i t u d ev e r s u si n c i d e n ta n g l e s t h ep r o - c e s so fe x t r a c t i n ga d c i gi se s s e n t i a l l yt ot r a n s f o r mt h em u l t i f o l ds e i s m i cd a t af r o m o f f s e td o m a i nt oi n c i d e n ta n g l ed o m a i n a m o n gt h ee x i s t i n gm a i nm e t h o d so fo b t a i n - i n ga d c i g ，t r a n s f o r m i n go f f s e td o m a i nc o m m o ni m a g eg a h e r s ( o d c i g ) i n t oa d c i g b ys l a n ts t a c ki sm o r ee f f i c i e n t , 8 0t h i sm e t h o di sw i d e l ys t u d i e da n da p p l i e d i ni n - c i d e n ta n g l ed o m a i n , s e i s m i cd a t ah a v eo u t s t a n d i n gp r o p e r t i e s a d c i gg a i n e df r o m w a v ee q u a t i o nm i g r a t i o na r ep r o v e dt ob ef r e eo fk i n e m a t i ca r t i f a c t s t h i si st h en k 一 i m a lm e r i ta p a r tf r o mo t h e rk i n d so fc i g i ti sa l s ot h em a i nr e a s o nw h ya d c i ga r e c u r r e n t l yc o n s i d e r e da st h em o s tr e a s o n a b l ec i g w h e nt h em i g r a t i o nv e l o c i t ye q u a l st om e d i u mv e l o c i t y , t h ee v e n to fa d c i g i sf i a t , a n da n g l e si na d c i ga r et r u es e i s m i ci n c i d e n ta n g l e s o t h e r w i s e 。t h ee v e n t c o u l d n tb ef i a t i tw i l lb ec u r v e du p w a r do rd o w n w a r d t h ea n g l e sw o n tb et h et r u e i n c i d e n ta n g l e sa n ym o r e ，t h e ya l ea p p a r e n ti n c i d e n ta n g l e s i ft h em i g r a t i o nv e l o c i t yi s h i g h e rt h a na c t u a lv e l o c i t y , t h ea p p a r e n ta n g l e s 锄 eg r e a t e rt h a nt h o s eo ft h et r u e s ，a n d v i c ev e r s a i na d c l 9 ，t h er e s i d u a lm o v e o u t ( r m o ) w i t hap o s i t i v em i g r a t i o nv e l o c i t y e i t o ri sl a r g e rt h a nt h a tw i t han e g a t i v eo n eo ft h es a m ef a c t o r , t h a ti st os a y , t h er m o o fa d c i gi sm o r es e n s i t i v et ot h ep o s i t i v em i g r a t i o nv e l o c i t ye l t o lt h i sp r o p e r t ys u g g e s t st h a tt a k i n gl a r g em i g r a t i o nv e l o c i t y 丛t h ei n i t i a lo n ef o rv e l o c i t ya n a l y s i sa v a i l s t oj u d g et h ev e l o c i t ye r r o r i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，w eo b t a i nt i m e s h i f to f f s e td o m a i nc o m m o ni m a g eg a t h e r s i 一 a b s t r a c t ( t s o d c i g ) a n dt i m e - s h i f ta n g l ed o m a i nc o m m o ni m a g eg a t h e r s ( t s a d c i g ) b yi n - t r o d u c i n gt h es p a c e - t i m e s h i f ti m a g i n gc o n d i t i o n b o t ha d c i gi m a g i n gc o n d i t i o na n d t i m e s h i f ti m a g i n gc o n d i t i o nc o u l db ec o n s i d e r e da ss p e c i a lc a s e so fs p a c e t i m e s h i f t i m a g i n gc o n d i t i o n a tt h ef o c a ld e p t h ，t h ew a v e f i e l de n e r g yo ft i m e - s h i f tc o m m o n i m a g eg a t h e r s ( t s c i g ) i st h el a r g e s t ，a n dt h ee v e n to fa d c i go ft s a d c i g i sf l a t o nt s a d c i g ，w ec a l la c c u r a t e l yl o c a t et h ef o c a ld e p t hb yl o c a t i n gt h ef l a tg a t h e r s w h e t h e rt h em i g r a t i o nv e l o c i t yi sc o r r e c t , w ec a na l w a y sf i n dac e r t a i nt i m e s h i f t , t h e e v e n to fi t sc o r r e s p o n d i n ga d c i gi sf l a t b a s e do nt h i si d e a , t h i sp a p e ru n i f i e st h e v e l o c i t yc r i t e r i o n sf o rt h et w om a i nm v am e t h o d s ，n a m e l y , t h ef l a t - e v e n tc r i t e r i o no f a d c i gu s e di nt h er e s i d u a lc u l v a t u l a n a l y s i s ( r c a ) a r ce q u i v a l e n tt ot h ee q u a l i t y o fi m a g i n gd e p t ha n df o c a ld e p t h u s i n gi nt h ed e p t hf o c u s i n ga n a l y s i s ( d f a ) t h ef l a t e v e n to fa d c i gi st h ei n e v i t a b l er e s u l to ff o c u s e dw a v e f i e l d t h er c aa n dt h ed f a e s s e n t i a l l y , b o t hp u r s u et h ec o h e r e n c eo ft h ei m a g i n gd e p t ha n df o c a ld e p t h t h eu l t i m a t eg o a lo ft h i sr e s e a r c hi st og e tt h ev e l o c i 哆s t r u c t u r eo fs u b s u r f a c e m e d i u m t h ei n - d e p t ha n a l y s i sa b o u tt h er m oo ft s a d c i gr e s u l t si nt h eu p d a t i n g f o r m u l a ef o rm v a c o m b i n i n gt h ea d v a n t a g eo fd f aa n dr c a ，t h ea u t h o rd e v i s e d av e l o c i t ya n a l y s i sm e t h o dw h i c hi sb a s e do nt s a d c i g 仃s c i g o nt s a d c i g ，t h e f o c a ld e p t hc o r r e s p o n d st ot h ef l a te v e n t , a n do nt s c i g ，i tc a nb ef o u n db yl o o k i n g f o r t h em a x i m u m f o c u s i n ge n e r g y t h e s et w om e t h o d ss u p p l e m e n te a c ho t h e ra n db o t h p a r t i c i p a t ei ne s t i m a t i n gm i g r a t i o nv e l o c i t ye r r o r s t e s t so ns y n t h e t i cs e i s m i cd a t aa n d r e a lf i e l dd a t ap r o c e s s i n gs h o wu st h ev a l i d i t yo ft h i sa n a l y s i sm e t h o d k e yw o r d s ：a n g l ed o m a i nc o m m o ni m a g eg a t h e r s ，s p a c e t i m e - s h i f ti m a g i n gc o n - d i t i o n ，t i m e - s h i f ta n g l ed o m a i nc o m m o ni m a g eg a t h e r s ，m i g r a t i o nv e l o c i t ya n a l y s i s i v 主要符号对照表 a d c i g c i g c m p d f a d m o d s r f f 】d g s p m v a n m o o d c i g p h c i g r c a i 湖o s s f s s r t s a d c i g t s c i g t s o d c i g 主要符号对照表 角度域共成像点道集 共成像点道集 共中心点道集 深度聚焦分析 倾角校正 双平方根 傅立叶有限差分 广义屏 偏移速度分析 动校正 偏移距域共成像点道集 射线参数域共成像点道集 剩余曲率分析 剩余时差 裂步傅立叶 对平方根 时移角度域共成像点道集 时移共成像点道集 时移偏移距域共成像点道集 一v i 一 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 别守侈 秒辟弓月缈日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名：训 l 守侈 、御年3 月他日 第一章绪论 第一章绪论 登山不以艰险雨止则必臻乎峻岭矣o 晋葛洪抱朴子广譬 1 1 地震勘探中的速度 地震勘探的主要任务是实现对地下构造的成像，这要靠偏移成像来完成。 偏移成像的成功与否主要依赖于对地震波在地层中传播的背景参数的了解程 度。在这些参数中，速度与反射信号的运动学和动力学特征紧密相关，是最为 重要的一个事实上，在地震勘探的每一个环节中，速度均起着至关重要的作 用，但是我们用直接手段获得地下介质的速度分布的机会很少，通常只能利用 地表观测的地震资料来确定地下速度 严格的讲，地下介质的各个不同部分或者沿着不同方向，地震波的传播速 度都是不同的，要精确表示地震波的传播速度应当用函数钞= ( z ，y ，z ) 来表示， 这才是地下介质的真实速度。在实际生产中，不可能真正确定这种函数关系， 只能根据生产的需要和地震勘探技术所能达到的水平，对地下介质进行各种简 化，建立种种简化的速度模型，从而引进不同的地震勘探速度在地震勘探的 不同阶段，根据对介质的不同简化或者获得速度的原始资料和计算方法不同或 者用途不同等，得到了不同的地震勘探速度，如平均速度、均方根速度、叠加 速度、层速度等。平均速度是在水平层状介质中，地震波垂直穿过某个界面以 上各层的总厚度与总传播时间之比，在偏移距不为零时，根据平均速度计算的 地震波旅行时不能够满足最短路径原理，因此已经很少应用。对地震数据进行 叠加处理，我们需要叠加速度即可，它是通过分析叠加速度谱的方式得到。 对于时间偏移，只要得到介质的均方根速度即可。均方根速度一般是首先 得到叠加速度，然后将叠加速度通过倾角校正等处理转化而来，这是比较容易 做到的，因此，时间偏移对速度的要求比较低，可以比较容易的实现。对于深 度偏移，则需要比较精确的地下介质模型的层速度。在地震勘探中，把某一速 一1 一 第一章绪论 度层的波速叫做这一层的层速度。一般的，速度分层没有地质分层那么细，它 只是反射地震中根据反射位置划分的速度层位。在比较简单的情况下，层速度 可以通过均方根速度利用d i x 公式转化得到。地下构造稍一复杂，d i x 公式就不 能胜任转化层速度的重任，甚至可能得到完全不符合实际的层速度。因此，得 到地震勘探中的层速度需要新的方法，这个新方法就是偏移速度分析的方法。 所谓偏移速度分析( m v a ) 就是利用地震数据中携带的地下构造信息，利用偏 移成像方法，通过多次迭代等方式，逐步修正速度模型，最终得到能够使地下 构造最佳成像的过程。因此，m v a 应该包括两部分内容，即速度分析过程和 模型建立过程分析过程通过偏移中得到的剩余时差或者剩余深度等信息，转 化为速度模型修正量，模型建立过程通过一系列手段，将得到的速度修正量组 合为新的速度模型。因此，分析过程是m v a 的核心，模型建立是整个过程的外 围，两者共同作用，最终得到最佳速度模型。 不同的深度域成像方法对层速度的要求也是不同的。用k i r c h h o f f 积分法求 解波动方程即可得到k h l l o l j f 积分叠前深度偏移( s c h n e i d e r ，1 9 7 8 ) 的波场外推 公式。所谓波动方程偏移即利用偏移算子进行地震波场外推，结合成像条件， 得到地下地质构造的像。所以说k i r c h h o f f 积分偏移也是波动方程偏移的一种形 式，但是，通常情况下，为了将其与波动方程微分数值解形式的波场外推加以 区别，波动方程偏移被用来专指用波动方程微分数值解实现波场外推的偏移方 法。 在k i r c h h o f f 积分法叠前深度偏移的实践中，g r e e n 函数的振幅和相位一般 被分开来处理，它的相位通过计算旅行时场来获得，因此k i r c h h o f f 积分法的关 键是旅行时计算及振幅值计算( 在实践中还要考虑偏移孔径的大小以及反假频 等问题) 在k i r c h h o f f 积分法叠前深度偏移成像中，地下的成像点被视为绕射 点，在高频近似的条件下，应用射线理论计算震源点到成像点再到接收点的旅 行时和振幅，然后根据计算出的旅行时和振幅对设定的孔径内的地震道进行叠 加。k i r c h h o f f 积分偏移原理简单、实现灵活，它的三维叠前深度偏移在上世纪 九十年代初就已经应用于工业生产。但是在地下构造非常复杂的情况下，由于 积分公式中的g r e e n 函数是在高频近似情况下计算的，旅行时场及振幅因子不 能准确描述地震波在介质中的传播，因此它的成像能力是比较有限的。 k i r c h h o f f 积分叠前深度偏移中旅行时场和振幅因子是根据射线理论计算 的，因此k i r c h h o f f 积分叠前深度偏移在应用中要求成像速度场是缓变的。所 以，偏移速度场中正确含有介质速度中的低波数速度成份是保证k i r c h h o f f 积分 一2 一 第一章绪 论 叠前深度偏移成像取得好的成像结果的关键。偏移速度场中介质高波数成份的 速度的存在反而会使得成像质量下降，在k i r c h h o f f 积分叠前深度偏移实践中， 通常应该对成像速度场做平滑，以消除成像速度中的高波数速度成份 与基于射线理论的深度偏移成像不同，波动方程深度偏移成像能比较准确 的描述地震波在复杂构造中的传播，在速度强横向变化情况下可以很好的解决 焦散和多路径问题，相对于基于射线的叠前深度偏移，波动方程叠前深度偏移 不仅具有理论上的先进性，而且对于复杂构造地区的构造成像及后续的岩性处 理、属性处理和地质解释都具有十分重要的实际意义。 目前波动方程叠前深度偏移最终代替时间偏移以及k i r c h h o f f 积分偏移还需 要解决一个关键问题，那就是偏移速度分析及建模问题波动方程叠前深度偏 移的偏移速度场和k i r c h h o f f 积分叠前深度偏移的成像速度场不同，它不需要平 滑的偏移速度场，可以包含地下介质速度的较高波数成分。波动方程叠前深度 偏移对偏移速度的误差更敏感，需要更加准确的偏移速度模型。从这个方面 说，波动方程深度偏移所需要的速度只能通过波动方程偏移速度分析的方法来 构建，以前k i r c h h 础积分偏移速度分析方法得到的速度不能完全适应波动方程 叠前深度偏移的要求。 1 2 角度域共成像点道集( a d c i g ) 在地震勘探中道集是应用非常广泛的一个概念，它是指按照某种规则分选 的多次覆盖地震数据。如果按照炮点位置分选就是共炮道集，按照中心点位置 分选称为共中心点( c m p ) 道集，在成像后按照成像点的位置分选则为共成像 点道集( c i g ) 等等。地震道集可以是成像前原始数据按照某种规则的分选排 列，也可以是成像后按照某种规则的排列。 在地震勘探的发展过程中，道集的概念也在不断的发展扩充从最原始 的共炮道集，发展到现在众多的道集。不同的道集被应用于不同的领域。在 速度分析领域，c m p 道集和c i g 被较为广泛的应用。c m i j 酋集通常应用于常规 的叠加速度分析，它以水平层状介质为假设，分析得到的是叠加速度场。c i g 适用于进行偏移速度分析以及a v o 和a v a 分析等方面的应用。c i g 按照其分 选的第二个参数又分为偏移距域c i g ( o d c i g ) 、炮域c i g 、检波器域c i g ， 角度域c i g ( a d c i g ) 等，其中现在应用较为普遍的为o d c i g 和a d c i g ，尤 其是a d c i g ，近年来得到了广大地球物理学家的广泛关注，基于波动方程 一3 一 第一章绪论 的a d c i g 被证明在复杂情况下惟一没有假象的道集，因此其被认为目前最为合 理的道集。 计算地震数据的反射系数随角度的变化首先由d eb r u i n 等( 1 9 9 0 ) 提出，当 时没有得到广泛的研究和应用。最近几年随着偏移成像的发展，地球物理学家 们( m o s h e r 等，1 9 9 7 ；p r u c h a 等1 9 9 9 ；x u 等，2 0 0 1 ；x i e 和w u ，2 0 0 2 ；s a v a 和 f o m e l ，2 0 0 3f o m e l ，2 0 0 4 ) 对a d c i g 开展了一系列研究工作，指出了其无 论在成像方面还是速度分析方面都非常具有潜力他们研究了a d c i g 的提取 以及角度域成像等方面的问题。a d c i g 相比传统的o d c i g 有它独特优点：基 于波动方程偏移得到的a d c i g 是没有假象的道集( s t o l t 和s y m e s ，2 0 0 4 ) ， 这就决定了它无论是偏移速度分析中还是真振幅成像方面都有很好 的应用前景。与此同时，基于a d c i g 的速度分析也紧锣密鼓的展开了 ( b i o n d i 和s a v a ，1 9 9 9 ：c l a p p 和b i o n d i ，2 0 0 0 ：l i u 等，2 0 0 1 ；m o s h e r 等，2 0 0 1 ； b i o n d i 等，2 0 0 3 ；b i o n d i 和s y m e s ，2 0 0 4 ) 目前，对基于a d c i g 的m v a 的研 究刚刚起步，他们的研究要么重点在讨论a d c i g 的提取，要么用简单模 型验证速度误差导致的道集不平现象，还没有给出一个真正适用于实际 地震数据的m v a 方法。s a v a 和f o m e l ( 2 0 0 5 ) 又提出了时移成像条件，通 过倾斜叠加得到了伪角度域共成像点道集。很快，l i u 和w a n g ( 2 0 0 6 ) 指 出了时移成像条件实际上是一种深度聚焦( d f a ) 算法，并进一步发展了 成像条件，提出了时移偏移距域共成像点道集( t s o d c i g ) 和时移角度 域共成像点道集( t s a d c i g ) ，并初步讨论了该道集在速度分析中的应 用。t s o d c i g t s a d c i g 实际是一种更加广义的道集，它使得道集的排序规则 扩展到了时间域。 1 3 偏移速度分析研究现状 1 3 1 速度分析是当前成像研究的核心 油气勘探程度的提高、勘探目标的日益复杂促进了叠前深度偏移成像技术 的快速发展。近二十年来，叠前深度偏移成像技术的发展经历了从2 d 到3 d 、 从射线追踪到波场延拓、从声波方程到弹性波方程、从各向同性到各向异性的 过程。根据效率、精度、稳定性的要求，叠前深度偏移成像方法从积分法、变 换法和差分法演变并发展出许多混合域方法( s s f ，f f d ，g s p ) ，这些新的混 合方法既可以保留基本方法的优点，又能够补充基本方法在计算效率、数值精 一4 第一章绪论 度、对速度变化的适应能力等方面的不足。与此同时，计算机硬件性能的提 高，使得波动方程叠前深度偏移成像已经逐步从理论研究走向生产应用。 叠前深度偏移成像由于其所要解决的问题的复杂性使得它必须要面对三个 方面的问题：用于叠前深度偏移成像的地震数据、成像速度模型、准确高效的 叠前深度偏移成像算子和算法。在实际地震数据的叠前深度偏移成像中，数据 是前提，算子、算法是保证，成像速度是核心，这三个方面是相辅相成、相互 作用的，对于任何一个问题的忽视都会影响到最终成像结果的质量。叠前深度 偏移成像系统的最终形成将建立在对这三个问题都能够较好解决的基础之上 对这三个问题的解决也必将得到一系列的方法和技术，它们将取代目前常规处 理流程中的各个环节，共同构成一个新的完整的成像系统，进而在实现准确的 构造成像的同时完成向岩性成像的过渡。但到目前为止，只有叠前深度偏移成 像算子和算法的研究进行的比较深入，开展的最为广泛，获得的成果也最为丰 富，而其它两个方面的研究都还有极大的发展空间 理论上，对于复杂地下构造，只有波动方程叠前深度偏移才能够给出正确 的像。但是，当前许多地震地质解释人员仍旧喜欢解释时间偏移剖面，为什么 会出现这种现象呢? 这其中除了解释人员的多年的习惯之外，更重要是的目前 叠前深度偏移还不能够给解释人员一个令他们相信的偏移剖面出现这种困境 的原因在于我们不能够很好的得到适应叠前深度偏移处理的深度域层速度模 型，这也是本文开题研究的初衷。 相对而言，偏移速度建模分析是叠前深度偏移成像三个问题中最迫切需要 解决的一个，这是因为波动方程叠前深度偏移对用于偏移成像的速度场非常敏 感，成像速度场的误差会使得成像结果发生明显变化在波动方程叠前深度偏 移成像中，应该以能够使得成像结果质量达到最优作为判断成像速度正确性的 标准来建立与成像方法相适应的成像速度场将叠加速度分析方法得到的速度 场直接转换到深度域的结果，无论是在精度还是在准确性上，都完全不能满足 波动方程叠前深度偏移成像的要求，叠前深度偏移成像的速度场必须要利用适 当的成像速度建模方法来构建。 1 3 2 速度分析研究现状 在偏移成像发展的早期，如叠后时间偏移、叠后深度偏移成像、叠前时间 偏移成像，由于偏移成像方法对成像速度场的要求较低，因此成像速度场一 般不需要用模型构建的手段得到。一般用动校e ( n m o ，n o r m a lm o v e o u t ) 和倾 一5 一 第一章绪论 角时差校正( d m o ，d i pm o v e o u t ；h a l e ，1 9 8 4 ；d e r e g o w s k i ，1 9 8 6 ) 得到速度模 型。利用n m o 进行速度分析是根据地表观测的地震资料确定地层速度的最基 本的方法，此方法建立在地层层状介质的假设之上，得到的结果比较粗糙。利 用d m o ( h a l e ，1 9 8 4 ；d e r e g o w s k i ，1 9 8 6 ) 结果进行速度分析在一定程度上克服 了直接利用n m o 进行速度分析的不足，它能提高倾斜地层存在时速度分析的精 度，但仍不适用于地层速度横向变化的情况对叠加速度谱或d m o 处理后的速 度谱进行简单的插值或时深转换就可以得到能够满足时间偏移或叠后深度偏移 要求的成像速度场。 为了适应叠前深度偏移的需要，地球物理学家们提出了多种成像速度分析 方法，以实现对成像速度模型的构建。为了判断构建的速度的准确性，一般采 用下面两个判断准则，分别是用成像速度进行正演模拟然后跟野外观测记录 进行对比的方法和用成像速度进行偏移成像使成像效果达到最佳的方法前 者由于需要多次正演运算，代价太高，所以较少运用。一般将以后者为准则 的速度分析方法称为偏移速度分析( m v a ) ，本质上，它是一种依赖于成像 结果对既定( 初始) 偏移速度模型进行迭代修正的方法。在m v a 中，又主要 分为两类：剩余曲率分析法( r c a ) 和深度聚集分析法( d f a ) r c a 主要基 于a 1 y a h y a ( 1 9 8 9 ) 提出的共成像点道集拉平准则。该准则认为，对于地下一 成像点，如果用于偏移的成像速度模型正确，则由不同叠前道集数据得到的 偏移成像结果应该一致，这些不同叠前道集数据的偏移成像结果所形成的道 集共成像点道集上的同相轴应该是水平的，如果成像速度模型不正确，则由 不同叠前道集数据得到的偏移成像结果就不一致，共成像点道集上的同相轴就 会出现剩余时差。d f a 则主要是基于d o h e r t y 和c l a e r b o u t ( 1 9 7 4 ) 提出的零时间成 像与零偏移距成像深度一致准则，换句话说即用正确的速度偏移到错误的深度 与用错误的速度偏移到正确的深度等价准则。 近十几年来，对速度分析的研究主要有以下一些成果： d e r e g o w s k i ( 1 9 9 0 ) 提出了一种利用叠前时间偏移作为成像速度分析的流 程，他通过d m o 来消除倾斜层对反射旅行时的影响。这种方法利用的是叠前时 间偏移，与利用叠前深度偏移成像道集的方法相较，具有效率高的特点，并能 取得比较好的效果，因此得到比较广泛的应用。但由于常速( 或变速) 共偏移距 道集的偏移只能部分的去掉地层倾斜、地层内速度横向变化以及上覆层作用等 因素的影响，该方法做成像速度分析的精度和准确性是有限的。 l a n d a 等( 1 9 9 1 ) ，y a n g 等( 2 0 0 1 ) 对相干速度反演进行了研究。他们的思 一6 一 第一章绪 论 路是首先选择一系列不同的层速度，利用射线追踪方法合成c m p 道集；并计算 真实c m p 道集与合成c m p 道集之间的相干函数，根据最大相干值选择层速度作 为每个c m p 速度分析位置处的层速度值；最后对所有c m p 位置的层速度值进行 光滑和插值，从而得到全局的层速度分布并建立一个用于叠前深度偏移的速度 模型。该方法优点是原理简单、结果稳定；缺点是不能适用于复杂构造的情 况，且只能得到长波长的背景速度场。 m a c k a y 和a b m a ( 1 9 9 2 ) 对倾斜地层且层内速度横向变化情况下的d f a 进 行了讨论。m a c l 【a y 和a b m a ( 1 9 9 3 ) 为了降低聚焦速度分析解释过程的不确 定性，又提出了利用波前曲率作为聚焦标准的d f a 方法l a f o n d 和l e v a n d e r ( 1 9 9 3 ) 通过层剥离技术运用此方法对实际资料进行了测试。对聚焦深度的解释 经常要受到来自倾斜界面的能量、绕射能量以及噪音等的干扰，d f a 解释过程 中聚焦深度存在不确定性，偏移速度分析结果不能保证收敛。 a 1 y a h y a ( 1 9 8 9 ) 在共炮道集偏移中应用了r c a 来通过迭代方法逐步改 进偏移速度。此后，l e e 和z h a n g ( 1 9 9 2 ) 给出的带倾角校正的剩余校正公式 将上述条件中的水平层状地层推广到小倾角地层l i u 和b l e i s t e i n ( 1 9 9 2 ) 在 小偏移距假设下给出了一个更为普遍的剩余校正公式近年来，针 对不同的偏移方法输出的不同类型的c i g ( 炮点位置共成像道集、偏 移距共成像道集、角度共成像道集) ，发展了不同的r c a 速度分析方 法( f a y e 和j e a r m o t ，1 9 8 6 ：l i u 和b l e i s t c i n ，1 9 9 5 ；p r u c h a 等，1 9 9 9 ；r e s h e f ，1 9 9 l ， 1 9 9 7 ，2 0 0 1 ；m o s h e r 等，2 0 0 0 ，2 0 0 1 ；m e n g 和b l e i s t e i n , 1 9 9 9 ) 剩余曲率分析 能克服倾角的限制，此优点使其成为现在应用最为广泛的m v a 方法由于其利 用的是偏移距( 角度) 域信息，多次覆盖数据没有叠加加强，对地震数据的信 噪比的要求比较高 利用波形反演方法反演成像速度能够综合利用地震波场的全部信息，有望 得到最丰富、细致、准确的速度信息。这个方面主要l u o 和s c h u s t e r ( 1 9 9 1 ) 提出 的基于波动方程的旅行时波形反演、s y m e s ( 1 9 9 1 ，1 9 9 3 ，1 9 9 8 ) 提出的微分相似 优化( d s o ，d i f f e r e n t i a ls e m b l a n c eo p t i m i z a t i o n ) 法、c h a v e n t 等( 1 9 9 4 ) 提出的 基于偏移的旅行时波形反演方法和b i o n d i 和s a v a ( 1 9 9 9 ) 提出的波动方程偏移 速度分析方法等。 还有一些学者利用非线性全局寻优法( 蒙特卡罗法、 遗传算法、模拟淬火算法等) 进行速度反演。他们主要 集中于基于共成像点道集的非线性全局寻优方法的研 一7 一 第一章绪论 究( j i n 和m a d a r i a g a ，1 9 9 3 ，1 9 9 4 ；j e r v i s 等，1 9 9 6 ；d o c h e r t y 等，1 9 9 7 ：v a r e l a 等 人，1 9 9 8 ；j i n 和b e y d o u n ，2 0 0 0 ) ，它们基本上都是以共成像点道集拉平准则作 为优化判断准则。全局优化方法最大的缺陷就是模型空间比较大时，需要进行 大量的运算，过于简化模型参数会导致对介质描述的失真，使得反演结果不适 用于叠前深度偏移成像，对偏移速度分析而言，全局优化的计算量往往是非常大 的，这就大大限制了此方法在速度建模中的应用。 最近几年随着偏移成像的发展以及对共成像点道 集的研究，基于a d c i g 的速度分析也紧锣密鼓的展开了 ( b i o n d i 和s a v a ，1 9 9 9 ：c l a p p 和b i o n d i ，2 0 0 0 ：l i u 等，2 0 0 1 ：m o s h e r 等，2 0 0 1 ： b i o n d i 等，2 0 0 3 ；b i o n d i 和s y m e s ，2 0 0 4 ，x i a 等( 2 0 0 6 ) ，l i u 和w a n g ( 2 0 0 6 ) ) 总得来说，当前基于a d c i g 的m v a 的研究还处于起步阶段，还没有给出一个真 正适用于实际的m v a 方法，对于a d c i g 和m v a 都是值得深入研究的课题。 1 4 本文研究内容 本文研究以得到较为实用的基于a d c i g 的m v a 方法为主要目标，一方面要 研舡t d c i g 的提取和性质，得到快速的a d c i g 提取方法，并对该道集对偏移速 度误差的敏感性等性质进行深入探讨，另一方面，要将a d c i g 真正应用于偏移 速度分析之中，完成对它的应用研究。以此为目标，本文以偏移成像条件为主 线展开研究，通过对当前速度分