2. 中国科学院大学, 北京 100049
2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
多次波通常被认为是一种噪声,并且在偏移之前的数据预处理中尽可能的减掉(Berkhout and Verschuur,1997; Verschuur and Berkhout,1997; Liu et al.,2009,2010; Dragoset et al.,2010;李鹏等,2007;王维红和井洪亮,2015).实际上多次波在地下比反射波传播路径更长且覆盖范围更广,多次波中含有丰富的小角度信息.在使用相同炮记录偏移时,多次波能为下地表提供更宽的成像范围和更多的覆盖.近年来,很多的学者致力于多次波成像的研究,并且提出了多种多次波成像方法.多次波可以首先被转化为反射波(Berkhout and Verschuur,2003,2006; Schuster et al.,2004; Verschuur and Berkhout,2005; 刘学建等,2015),并利用传统的逆时偏移方法成像.更一步的,反射波波动方程偏移方法或者逆时偏移成像方法可以修改为多次波直接波动方程(Guitton,2002; Muijs et al.,2007; Lu et al.,2011)或者逆时偏移(Liu et al.,2011a,2011b)成像方法.逆时偏移(Baysal et al.,1983)是一种强有力的成像技术,能够利用多种地震波(包括反射波、回转波以及棱柱波),从而对速度的横向变化有良好的适应性并有能力对陡倾角成像.多次波逆时偏移也具有上述传统逆时偏移成像的优势.然而,因为不同阶数多次波波场之间的互相关,多次波逆时偏移成像过程中将会产生大量的串声噪声.这些串声噪声分布在整个成像剖面中,破坏了有效成像的结构和振幅.串声噪声很难消除并且大大降低了多次波成像的价值.
相对于传统的偏移方法,最小二乘逆时偏移(Dong et al.,2012; Dai et al.,2012; Dai and Schuster,2013; Zhang et al.,2015)能提供振幅更均衡、分辨率更高的反射波成像结果,并能够消除偏移噪声.最小二乘逆时偏移方法也能够消除多次波成像中的串声噪声(Brown and Guitton,2005; Wong et al.,2014; Zhang and Schuster,2014),其目标函数为波恩模拟的多次波与观测的多次波之间的差的L2 范数.通过一个最优化迭代算法(如最速下降法)求解该目标函数以得到地下反射率分布的过程,即为多次波的最小二乘逆时偏移反演成像.多次波与反射波的波恩模拟区别主要在于:不是利用震源子波,而是将包含反射波和多次波的观测数据作为震源正传.最小二乘逆时偏移每次迭代都消耗大约几倍逆时偏移的计算量,计算成本非常高.而多次波最小二乘逆时偏移往往需要一定数量的迭代次数以较好地压制串声噪声.因此,我们修改SRME方法,只将一阶多次波从所有阶数的多次波中过滤出来.基于波恩模拟的一阶多次波与记录的一阶多次波差的二范数最小,一阶多次波的最小二乘逆时偏移成像方法能够以相同的迭代次数得到更高信噪比的多次波成像剖面.
本文首先回顾了反射波最小二乘逆时偏移的基本原理,并通过Sigsbee2b模型来验证其优势.然后阐述了多次波最小二乘逆时偏移的基本原理;一阶多次波的分离方案;一阶多次波的最小二乘逆时偏移原理.最后利用一个三层模型及Marmousi2模型,对多次波及一阶多次波最小二乘逆时偏移进行数值实验.
2 基本原理 2.1 反射波最小二乘逆时偏移对于二维模型,检波器记录到的从震源激发的地下一次散射波,可以通过波恩近似来模拟,其频率域的表达式为:
(1) |
其中, ω 表示圆频率, fs(ω) 表示震源子波, G0(xr,x,ω) 和 G0(x,xs,ω) 分别表示连接检波器 xr 和震源 xs 与地下散射点 x=(x,z) 的格林函数, r(x) 表示反射率分布模型, d(xr,xs,ω) 为模拟的散射波.波恩模拟的向量表达式为:
(2) |
而传统的偏移方法可以认为是波恩模拟的共轭转置:
(3) |
dobs 为观测数据,上标T表示矩阵的共轭转置, rmig 为偏移结果.其中,地下某点的偏移成像可以表示为:
(4) |
用算子 M(r(x)) 表示时间域的波恩模拟,其具体实现方法为:
(5) |
其中, v0(x) 为光滑的背景速度, p0(x,t) 为下行的震源波场, pr(x,t) 为上行的波场.用算子 MT(dobs) 表示时间域的逆时偏移,其实现过程简单概括为:
(6) |
(7) |
(8) |
其中, q(x,t) 为检波器数据的逆传波场.另外,为满足成像条件(8)的要求,公式(6)模拟的震源波场需要被重建为时间逆序的波场.
反射波最小二乘逆时偏移最为基本的目标函数为波恩模拟的反射波 d(xr,xs,t) 与观测的反射波 dobs(xr,xs,t) 之间差的能量:
(9) |
第k次迭代模拟的反射波 d(k)(xr,xs,t) 和数据残差 δd(k)(xr,xs,t) 表示为:
(10) |
(11) |
目标函数(9)的梯度和基于梯度下降法的迭代解分别为: Δf(r(k)(x))=MT(δd(k)(xr,xs,t)),
(12) |
(13) |
如公式(10)—(13)所示,最小二乘逆时偏移是一个迭代求解过程.如图 1的对比(使用Sigsbee2b发布的层速度和带有鬼波的反射波数据),相比传统逆时偏移,最小二乘逆时偏移成像结果具有较高分辨率、更均衡的振幅,并能压制偏移噪声.
相对于子波震源,采集的包含反射波 dobs(xr,xs,t) 和多次波 mobs(xr,xs,t) 的全波波场记录 Dobs(xr,xs,t) 可以看作多次波的二次震源,则波恩模拟的多次波 m(xr,xs,t) 可以表示为
(14) |
相应的,多次波的逆时偏移可以简单表示为:
(15) |
(16) |
(17) |
地震数据处理流程中,反射波与多次波将会被分离,分离出的多次波作为观测的多次波.多次波的最小二乘逆时偏移的目标函数为波恩模拟的多次波与观测的多次波之间差的能量:
(18) |
如公式(10)—(13)所示,一个相似的迭代过程求解目标函数,则得到多次波的最小二乘逆时偏移反演成像结果.
2.3 一阶多次波最小二乘逆时偏移一阶多次波最小二乘逆时偏移需要首先将一阶多次波从所有多次波中分离出来,作为观测的一阶多次波.一阶多次波含有比高于一阶的高阶多次波更强的能量,以及含有更多地下深部的信息.将一阶多次波从所有多次波中分离出来,能够从本质上减少串声噪声并能提供与所有多次波偏移相似的成像结果.根据SRME基本原理(Berkhout and Verschuur,1997; Verschuur and Berkhout,1997; Dragoset et al.,2010),一个修改的SRME方法,含两个步骤:(1)通过反射波 dobs(xr,xs,t) 与多次波 mobs(xr,xs,t) 的褶积预测高于一阶的高阶多次波;(2)一个自适应匹配相减过程,将高阶多次波从所有多次波中消除,从而得到一阶多次波 m1obs(xr,xs,t). 地震数据处理流程中,反射波与多次波将会被分离;而被分离的反射波和多次波作为修改的SRME处理流程的输入数据.
采集的反射波数据 dobs(xr,xs,t) 可以看作一阶多次波的二次震源,则波恩模拟的一阶多次波 m1(xr,xs,t) 可以表示为
(19) |
相应的,一阶多次波的逆时偏移可以简单表示为:
(20) |
(21) |
(22) |
而一阶多次波的最小二乘逆时偏移的目标函数为波恩模拟的一阶多次波与观测的一阶多次波之间差的能量:
(23) |
如公式(10)—(13)所示,一个相似的迭代过程求解目标函数,则得到一阶多次波的最小二乘逆时偏移反演成像结果.
3 数值实验如图 2,本次实验的流程是首先正演带多次波的数据,用SRME分离反射波(含鬼波和层间多次波)和表面多次波,一个修改的SRME流程从所有多次波中分离出一阶多次波.反射波,表面多次波和分离出的一阶多次波可以应用于最小二乘逆时偏移反演成像中.
如图 3所示为一个简单三层声波速度模型,横向1201网格点,纵向501网格点,网格间距5 m.共有16炮用于偏移成像;震源子波主频为15 Hz,并等间距的在2.04 km和3.84 km之间激发.中间放炮观测系统,每个炮记录有201个检波器.震源和检波器的深度为5 m.最大记录时间长度和采样间隔分别为3 s和2 ms.
如图 4所示为反射波成像与多次波成像的对比.显而易见,当相同的炮记录用于偏移时,多次波偏移为下地表提供了更宽的照明范围和更多的覆盖次数;然而,多次波偏移也产生了很多的串声假象.如图 5为多次波最小二乘逆时偏移与一阶多次波最小二乘逆时偏移的对比,它们都用了10次迭代计算.多次波最小二乘逆时偏移压制了大部分多次波逆时偏移中的串声假象;然而,在多次波最小二乘偏移剖面的深部,仍有残留的串声假象;这些残留的串声假象在一阶多次波最小二乘逆时偏移剖面中消失.使用同样的迭代次数,一阶多次波最小二乘逆时偏移能够提供与多次波最小二乘逆时偏移相似的地下构造成像结果;而一阶多次波最小二乘逆时偏移结果有更高的信噪比.
另外,我们通过数据域的对比来说明,多次波最小二乘逆时偏移能够消除多次波逆时偏移中的串声假象.如图 6 所示,利用多次波逆时偏移结果,波恩模拟的多次波中有很多的虚假同相轴;而多次波最小二乘逆时偏移结果,波恩模拟的多次波没有虚假的同相轴,与SRME估计的多次波有很好的匹配.图 7中为多次波及一阶多次波最小二乘逆时偏移中归一化的数据残差收敛曲线,它们表现出相似的快速稳定收敛性质.
如图 8所示为Marmousi2声波模型的中间部分,横向1601网格点,纵向561网格点,网格间距6.25 m.共有81炮用于偏移成像;震源子波主频为20 Hz,并等间距的在2 km和8 km之间激发.中间放炮观测系统,每个炮记录有241个检波器.震源和检波器的深度为6.25 m.最大记录时间长度和采样间隔分别为4 s和2 ms.
图 9对比了多次波逆时偏移成像结果与多次波最小二乘逆时偏移成像结果,并对比了多次波最小二乘逆时偏移成像结果与一阶多次波最小二乘逆时偏移成像结果.在这个例子中,多次波和一阶多次波最小二乘逆时偏移都只使用了5次迭代.多次波最小二乘逆时偏移消除了多次波逆时偏移中大部分的串声假象; 而一阶多次波最小二乘逆时偏移提供比多次波最小二乘逆时偏移有更高信噪比的成像结果.虽然一阶多次波最小二乘逆时偏移缺少了高阶多次波的信息,依然能提供与多次波最小二乘逆时偏移相似的有效构造成像结果.图 10中,多次波及一阶多次波最小二乘逆时偏移表现出相似的快速稳定的收敛性质.
利用SRME方法将反射波和多次波分离是针对海上采集数据的常规处理流程之一.SRME方法需要较密的炮检排列和近偏移距数据,因此在使用之前需要做数据规则化;尤其是对于三维数据,横向上的采集数据较为稀疏,增加了数据规则化的难度(Dragoset et al.,2010).另外,在三维数据上使用SRME方法,需要存储大规模的共道集数据.
常规的数据处理提供了分离的反射波和多次波; 多次波成像利用了传统处理流程中被认为是噪声而丢掉的多次波,提供了除反射波外的额外地下照明.而从所有多次波中分离一阶多次波,无需额外的数据规则化,增加的计算量主要为:通过反射波与多次波的一次褶积来预测除了一阶外的所有高阶多次波,将高阶多次波从所有多次波中减去.一阶多次波的分离方法很容易拓展到三维算法,难点在于增加的存储量和计算量.
反射波最小二乘逆时偏移需要较好的偏移速度(Dai and Schuster,2013; Huang et al.,2014).而多次波或者一阶多次波最小二乘逆时偏移,受偏移速度不准确的影响相对较小.因为,在相同的偏移距处,反射波成像比多次波成像的传播路径要更长(如图 11).
多次波成像与反射波成像的主要区别在于震源项的不同,而两者的正演算法是相同的.因此多次波或者一阶多次波最小二乘逆时偏移也可以拓展到三维模型上.三维的算法能够使实际资料的偏移归位更加准确,因此,拓展到三维算法能提高多次波或者一阶多次波最小二乘逆时偏移在实际资料应用时的收敛性.
5 结论多次波逆时偏移成像能够对下地表提供额外的照明,但是却产生了很多串声噪声.我们在数据和成像域验证了最小二乘逆时偏移能够消除多次波逆时偏移产生的串声假象.利用多次波的最小二乘逆时偏移的成像剖面,波恩模拟的多次波与观测的多次波有很好的匹配.然而,在多次波最小二乘逆时偏移成像剖面中,往往会有残余的噪声.我们利用修改的SRME流程将一阶多次波从所有多次波中分离出后,使用同样的迭代次数,一阶多次波最小二乘逆时偏移能够提供与多次波最小二乘逆时偏移相似的有效构造成像结果;而一阶多次波最小二乘逆时偏移结果中有更少的噪声.总之,多次波或者一阶多次波最小二乘逆时偏移,能够以较高的信噪比为下地表提供额外的照明,或许可以为复杂结构的成像做出贡献.
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