振幅、波形菲涅尔体地震层析成像方法与应用研究

Seismic wave contains broad band frequencies. Traditional raypath tomography basing on infinite-frequency ray theory can only obtain the low wavenumber components of the media structure. Such inaccuracy has the bad influences on the intensive understanding of the earth's interior and the judgment on the fine reservoir. During the study in the former junior foundation, the applicants got excellent achievements on Fresnel volume tomographic theory and methods, especially on traveltime Fresnel volume tomography. Based on these achievements the applicants will proceed, in this foundation, to the studies on amplitude and waveform Fresnel volume tomography and its applications. The corresponding transmission FVT and reflection FVT are expected to be developed as well. After the effectiveness of these methods are verified through numerical tests, we will apply them to the inversion of the near surface velocity structure which is expected to be accurate enough to resolve the surface correction in oil and gas exploration. Secondly, these methods will also be applied to the inversion of the deep velocity structure under Chinese continent. More accurate velocity results are expected to reveal the local geodynamics such as the diving conditions of the pacific plane under the Chinese continent, the break-up reasons of north China craton and the existence of the Hainan plume.

地震波具有一定的频带特征，基于无限频率假设的传统射线层析成像方法只能.反演速度结构空间变化的低波数成份，导致反演精度不高，影响了对地球内部结构的深入认.识，也阻碍了对油气储层的精细识别。申请人在前期青年基金课题研究中对菲涅尔体地震层.析成像理论与方法，尤其是对走时菲涅尔体地震层析成像理论与方法，取得了很好的研究成.果。本项目拟在此研究基础上，继续进行振幅、波形菲涅尔体地震层析成像理论与应用研究，.并开发相应的透射菲涅尔体地震层析成像方法与反射菲涅尔体地震层析成像方法。方法的有.效性在理论模型上得到验证以后再进行地震勘探中的表层速度结构反演，以期望获得更加精.确的表层速度结构，进而解决复杂探区的表层校正问题。同时，将该方法应用于中国大陆深.部速度结构反演应用研究，以期望获得更加精细的中国大陆深部速度结构，进而探讨中国大.陆内部太平洋板块俯冲、华北克拉通破坏与海南岛地幔柱等局部地球动力学问题。

项目负责人在2009.1-2011.12期间负责了一项自然科学基金青年课题“初至波菲涅尔体地震层析成像理论、方法与应用研究”（40804023）。在那个课题中提出了菲涅尔体地震走时层析成像方法，理论模型和实际资料处理都取得了较传统射线走时层析更好的反演效果，展示了菲涅尔体层析广阔的应用前景。既然走时具有有限频效应，振幅与波形同样应该受有限频效应的影响。因此，我们开展了“振幅、波形菲涅尔体地震层析成像方法与应用研究” 这一课题的研究。.本项目设定的研究内容包括：（1）振幅、波形菲涅尔体地震层析成像理论与方法；（2）基于全信息菲涅尔体地震层析成像的表层速度结构反演；（3）基于全信息菲涅尔体地震层析成像的中国大陆深部速度结构反演与地球动力学解释。.经过项目成员四年的努力，顺利完成了设定的研究内容，并取得了很多成果：（1）提出了一种改进的散射积分算法，并将这种算法应用于波形菲涅尔体地震层析成像（波形反演）。这种方法具有内存占用小、计算效率高等优点，同时可以实现多参数的解耦。因为，我们进一步提出了速度、密度、各向异性参数等同时层析成像反演的方法；（2）提出了基于散射积分法的高斯束初至波波形反演方法。这种方法利用初至波的波形信息进行反演，提高了表层建模精度。同时，该方法利用高斯束合成地震记录，而无需波动方程的数值模拟，因此节省了很多计算量。采用散射积分法进行反演计算，进一步提高了计算效率，降低了内存占用量，方便了预条件的施加，使得该方法可以应用于实际资料处理；（3）为了给初至波波形反演提供一个较好的初始模型，我们提出了有效利用初至信息的偏移距加权地震层析成像方法，进而提高了走时层析对表层的建模精度。同时，将散射积分法应用于初至波走时层析中，内存占用量降低了一个数量级，使得走时层析方法可以应用于三维实际资料处理；（4）利用初至波形的互相关操作获得频率相关的走时信息，将散射积分算法应用于菲涅尔体层析，进而提出了非线性菲涅尔体波形互相关地震走时层析成像方法；（5）利用18年间的天然地震数据，采用非线性菲涅尔体地震波形互相关走时层析成像技术获得了中国大陆及周边的上地幔速度结构。结果表明，中国大陆上地幔在所有深度上都存在强烈的非均匀性。这种差异在中国大陆东、西部岩石圈的厚度上表现尤为突出。中国西部岩石圈厚度至少可以达到200 km，而东部岩石圈厚度则小于50 km。中国东部分布众多地块。