层析成像技术在浅部速度分布中的应用

层析成像技术在浅部速度分布中的应用

1层析成像射线追踪技术原理光束跟踪方法已经使用了很长时间。其基本思想是基于已知的速度模型，利用地震波传播的不同原则，正演激发点和接收点之间的行程时间。层析成像射线追踪技术就是先把速度模型网格化,通过节点速度的不同,来求取节点之间的地震波旅行时间,从而追踪出射线传播路径。要实现地层波射线路径的追踪,我们要利用以下地震波的传播原理:1.1小震源所带来的波前包络面是新的波前包络面Huygens原理指出,波前面上的每一点都可以看作是新的震源,而这些小震源发出的子波波前的包络面,就是新的波前面。根据这个原理,只要我们知道某一时刻的波前位置,就能够确定出地震波在各种不同时间的波前位置。1.2传播的时间和沿其它任何路径传播的时间比较Fermat原理指出,地震波沿射线传播的时间和沿其它任何路径传播的时间比较最小,或者说波沿所花时间最小的路径传播。这也是射线追踪的基本原理。1.3射线路径保持互换原理是指:激发点和接收点的位置可以相互交换,而同一波的射线路径保持不变。该原理具有普遍性,除适用于均匀各向同性的完全弹性介质外,也可用于任意形状界面的弹性介质、不均匀介质和各向异性介质。2“短路径树”的概念Moser(1991)提出了基于Huygens原理和网络理论的最短路径射线追踪方法,利用费马原理与网络理论构建网络中的最短路径树,可以同时计算出从震源到达空间所有点的初至走时及相应的射线路径,并且不受射线理论的约束。该方法把模型划分为由节点构成的网格,每个节点与相邻节点相联系,从震源点到所有结点的最短路径构成,每一射线节点即为绕射点,使能量不断向前传播。33.1网格面元的划分为研究波在复杂介质中的传播特征,首先需要离散化实际介质。然后在单元的边界上设置一些计算节点,这样单元边界角点及边界上的这些节点就构成了整个介质模型的旅行时网格点。从而,整个模型内的射线就可以通过一连串的解析计算段来获得。网格面元的大小决定反演的速度和精度:网格面元划分过大,运算速度提高,但反演结果的精度则会降低;反之,网格面元划分过小,虽然提高了反演结果的精度,但由于数据量加大,会占用更多的时间。网格面元横向距离的选取一般与2个相邻的地震观测点距相等;纵向距离要视层析反演区域内低、降速层的深度及横向分布而定,沙漠等低降速层较厚的区域一般选择10～20m,而盆地边缘的戈壁区以及山前区一般选择约5m,这样既可提高追踪计算的速度,又能保证追踪结果的精度。3.2两个节点间的连接目前常用的离散化波速模型主要有两种:第一种方法中是把节点规则地分布在矩形网格的边界上,只有在两个节点之间不存在网格边界时,两个节点才可以连接,如图1(a)。第二种方法则将节点分布在矩形网格的四角上,同时波速也分配在节点上,每个节点都可以与相邻的节点连接,相连节点之间的走时由他们之间的欧氏距离除以两个节点的平均波速来得出,如图1(b)。这里我们采用第二种节点设置方法,因为这种方法可以很方便的引入速度界面,并且便于绘制走时与波速的等值线图。3.3网格数的选取二维情况下,计算单元也就是一个矩形方块,有若干网格组成。如果是三维情况下,计算单元就是一个长方体了(或立方体)。计算单元所取网格数越多,子波的出射方向也就越多,相邻方向间的夹角就越小,射线追踪的精度也越高。例如计算单元取6×6个网格,子波源点取中心节点时,要计算单元内每一个节点都有子波到达,那么子波就必须按32个方向出射,如图2所示。3.4计算相邻节点从子波源点（包括源）到邻近节点的运行时间在计算子波源点与相邻节点之间的走时Δt这样就确定了计算公式:Δt其中,i表示当前节点,j表示中心节点,D3.5插入排序算法的性能对比当子波源点与相邻节点走时计算完毕后,就需要从中选取出走时最小的节点作为下一个子波源点,这就需要使用到排序的算法。在各种排序算法的比较中,对于无序数列,平均性能最好的是快速排序算法,而对于有序数列,插入排序算法的性能最好。因此我们结合使用两种算法,来完成最短路径节点的查寻步骤。3.6离散化速度的计算有了上边的几点,我们就可以完成射线追踪了。其具体步骤如下:①建立离散化速度模型。②适当选取网格密度和计算单元。③利用Bresenham画线算法计算节点间的最小走时。④通过接收点的最小走时所经过的节点,反推出射线路径。4点速度和网格密度4.1初至波模型速度垂向线性递增:v=100+4h(m/s)v表示节点速度,h表示深度