(第七講)正演模擬技術

1、物探新方法技術（地震勘探） 第七講：地震波場正演模擬技術,物探新方法技術（地震勘探） 第七講：地震波場正演模擬技術,一、基本概念 二、地震地質模型建立方法 三、漸近射線追蹤方法 四、有限差分法正演模擬 五、有限元正演模擬方法 六、物理模擬技術,【思考題】 （1） 正演模擬、計算模擬和物理模擬的概念。 （2） 計算模擬與物理模擬的優(yōu)缺點。 （3） 何為古皮特模型？ (4） 射線追蹤的步驟？ (5) 何為兩點射線追蹤、初值問題的求解？ (6) 物理模擬的兩個相似性準則。,一、基本概念,正演模擬：指用物理模型和數(shù)學模型代替地下真實介質，用物理實驗和數(shù)學計算模擬地震記錄的形成過程，以得到理論地震記錄的

2、各種方法、技術。 在地震勘探中,正演模擬占據(jù)著重要的地位。它不僅對于地震勘探基礎理論的研究具有十分重要的意義，而且在生產(chǎn)實際中也起著越來越重要的作用。例如，前述的某些補償處理需要用到正演模擬，人機聯(lián)作解釋中很重要的一部分也是正演模擬。,它有下列幾個方面的用途： 1野外采集方面：提供野外地震勘探野外數(shù)據(jù)采集的觀測系統(tǒng)設計的參數(shù) 2處理方面：為地震資料處理確定合適的處理參數(shù)；,3解釋方面： 幫助地震資料的解釋，判斷地震剖面上的波的類型； 驗證地震資料的構造及巖性解釋的正確性，尤其驗證構造高點的位置是否正確； 為地震資料反演構造提供理論走時； 為地震資料巖性解釋提供合成記錄。,正演模擬種類：物理模擬

3、和計算模擬 物理模擬：是用一些已知參數(shù)的介質做成一定幾何形態(tài)的模型來模擬地下地質結構采用超聲波模擬地震波,專用換能器模擬震源和檢波器,將野外地震勘探過程在實驗室內(nèi)重現(xiàn),得到理論地震記錄的方法技術。具有與實際情況更為接近的優(yōu)點。 計算模擬：是用計算計實現(xiàn)的正演模擬。它包括一維和二、三維模擬。具有效率高，計算、修改參數(shù)方較方便,使用更為廣泛。,二、 系統(tǒng)功能簡介,地質模型的人機交互構制,漸近線法正演模擬,有限元法正演模擬,系統(tǒng)功能簡介,褶積模型,圖形輸出,1. 一維和二維地震褶積記錄,（1）對聲波時差及密度測井資料進行合成一維地震記錄 （2）模擬給定的二維地質模型的地震褶積記錄如楔狀模型、砂泥互層

4、的韻律層模型的褶積記錄。,模塊功能簡介,2.漸近線法正演模擬,模擬共炮點記錄（CSP）模塊,模擬共中心點道集記錄模塊,模擬自激自收記錄（CDP）模塊,模擬垂直地震剖面（VSP）模塊 （零偏、有偏多種觀測方式）,模塊功能簡介,射線法正演模擬模塊特點,模塊(1)(4)適用于含斷層、巖性尖滅的復雜介質模型，能模擬斷點、巖性尖滅點上繞射波；模塊(1)(3)能模擬一次波和多次波的波場，模塊(4)能分別模擬介質中的縱波、轉換橫波、純橫波一次波的波場；接收的記錄分量有水平和垂直分量；能模擬地震波的運動學（某個界面上的某類波的旅行時間）和地震波的動力學（考慮波前擴散、介質吸收、透射損失及界面曲率的影響）；能計

5、算整個模型的波場，也可只計算指定的任意層的任意種類的波場兩分量記錄。,模塊功能簡介,3.聲波方程有限元法正演模擬模塊,模擬共炮點記錄（CSP）模塊,模擬自激自收記錄（CDP）模塊,模擬垂直地震剖面（VSP）模塊 （零偏、有偏多種觀測方式）,模塊功能簡介,4.彈性波方程有限元法正演模塊,模擬共炮點記錄（CSP）模塊,模擬自激自收記錄（CDP）模塊,模擬垂直地震剖面（VSP）模塊 （零偏、有偏多種觀測方式）,模塊功能簡介,有限元法正演模擬模塊特點,模塊能適用于含斷層、巖性尖滅的復雜介質模型；能模擬介質中所有波的波場（面波、反射波、直達波、繞射波）；接收記錄的分量有位移及位移速度的水平和垂直分量。,

6、模塊功能簡介,三、 模型構制原理及算法 模型構制是將地質模型簡化為地震地質模型的過程，簡化的方式必須考慮前述正演公式的適應條件，同時也要盡量使模型參數(shù)數(shù)量最少。地質模型可以分解成三部分組成：(1)速度均勻的區(qū)域；(2)彎曲或不連續(xù)界面，它是兩個不同速度變化區(qū)域的分界面；(3)不連續(xù)點(斷點和巖性尖滅點)組成的繞射點。,地震地質模型示意圖,模型構制,3.1 界面描述及參數(shù)給定 界面由一系列界面上的離散點坐標組成，離散點之間的深度由三次樣條函數(shù)插值求得，故模型的輸入?yún)?shù)包括界面的離散點坐標，該界面兩側的縱波速度值，而對應的橫波速度值及密度值可由人工給定，也可由經(jīng)驗公式換算。,模型構制,模型處理是對

7、模型構制得到的一系列線段組成的地質分界線賦予層位地質屬性。即將線段定義為分界面（層位及斷層面），給定分界面兩側的彈性參數(shù)，按一定原則對層位進行自動排序。,3.2 模型處理,模型處理,層位自動編號及排序 應遵循下列主要原則： （1） 編號從左至右，再從上至下； （2）編號在前的某一層位的兩個端點縱坐標其中之一要小于該編號后的所有層位的縱坐標。 (3) 水平位置不同但深度相近的層位，交平緩的層位編號在前。,模型處理,四、一維計算模擬（褶積模型） 1一維計算模擬的基本假設,一維模擬包括如下基本假設 (通常稱之為古皮特模型)： (1)地層橫向均勻，縱向由一系列不同彈性性質的平行薄層所組成。 (2)薄層

8、假設為等時厚，每層時間厚度均為半個(采樣間隔)。 (3)地震波為平面波法線入射 (4)每一界面的反射子波形狀都相同，僅振幅和符號依據(jù)各界面反射系數(shù)而變。 (5)忽略透射影響和多次反射。,2一維計算模擬的基本公式,在上述假設條件下，反射地震記錄x(t)可以看作是地震子波b(t)與反射函數(shù)R(t)(離散時為反射系數(shù)序列)的褶積。即 此即一維計算模擬的基本公式。若已知b(t)和R(t)，按上式可計算出理論地震記錄，稱之為合成地震記錄。因此一維模擬又稱為合成地震記錄的制作。它用于記錄標定。,2一維計算模擬的基本公式,在計算機上實現(xiàn)必須以離散形式進行 式中，xn =x(n)為x(t)在ttnn時刻的樣值

9、，其余類推，N為子波的全部采樣個數(shù) ，Rn=R(n)為反射系數(shù)序列 。,聲測井合成地震記錄,5.1.2 傳輸方程的解,零階近似的振幅系數(shù)可以足夠好地描述體波最重要的動力學特征，其表達式為,模塊功能簡,式中，V對應P波或S波速度，是介質密度，J（0）和J（）分別為時刻0及時的雅可比值。,射線法模擬原理,5.2 漸近射線法地震波場正演計算過程,二維地震波場正演計算過程主要包括地質模型參數(shù)化，初值問題的求解和兩點射線追蹤及振幅系數(shù)的計算等部分，其中地質模型參數(shù)化由模型構制及模型處理模塊來實現(xiàn)。,射線法模擬過程,5.2.1 初值問題的求解,從給定的初始出射點(炮點)和初始出射方向(出射角)出發(fā)的射線按

10、指定射線碼穿過地質界面，最終在地面出射 . 即在參數(shù)連續(xù)變化的一層內(nèi)部，按已知的初值條件，計算該層內(nèi)的射線的路徑、方向；在參數(shù)不連續(xù)的界面上，利用斯奈爾定律，建立新的初值條件；根據(jù)新的初值條件，再計算下一層內(nèi)的射線的路徑；這樣一層一層地追蹤，直至射線按指定的射線碼指示的經(jīng)歷過程最后與地面相交，完成一條試射射線的追蹤。,射線法模擬過程,5.2.2兩點射線追蹤,兩點射線追蹤就是在已知震源位置和接收點位置情形下，確定由震源發(fā)出的波經(jīng)過地質模型，到達接收點處的射線路徑，也即確定震源處射線開始出射的角度。,射線法模擬過程,實現(xiàn)步驟,1)依據(jù)模型復雜程度及震源和檢波點的位置，給定入射角可能的最小和最大范圍

11、，在震源處以最小角度開始以相同角度增量為步長，計算出所有的可能角度為初始出射角的射線在地面出射點的坐標。,射線法模擬步驟,實現(xiàn)步驟,2)確定接收點落在哪個相鄰出射點之間，由該相鄰點的射線的初始出射角內(nèi)插計算到達接收點的射線的初始入射角，如圖所示:,射線法模擬步驟,實現(xiàn)步驟,若某一接收點Xr落在Xi和Xi+1之間，則內(nèi)插公式可表示為 :,射線法模擬步驟,實現(xiàn)步驟,3)確定在震源處以new為初始入射角入射時射線出射地表的位置，設該位置為xr(1),若xr(1)-xr(為射線出射點與接收點間的允許誤差范圍)，則認為射線到達接收點，否則在式(4.12)中，以xr(1)取代xi或xi+1,以new取代i

12、或i+1，以i+1-new取代，重新計算新的試驗初始入射角，直至射線到達接收點為止。,射線法模擬步驟,5.2.6 正演模擬計算步驟,（1）輸入界面離散樣點，地層速度或從人機交互模型構制產(chǎn)生的文件中讀入; （2）根據(jù)給定的觀測系統(tǒng)確定炮點與接收點的位置； （3）給定入射波及要產(chǎn)生的波的類型； （4）解初值問題，確定在震源處以一系列初始出射角出射的射線與地面的交點；,射線法模擬步驟,計算步驟(續(xù)),（5）解兩點問題，確定從震源發(fā)出的波到達各接收點的射線路徑及走時； （6）計算射線振幅，并將同一接收點所有到達的波按走時先后構成一時間振幅序列； （7）形成地震記錄，即將震源子波與振幅時間序列相褶積得到

13、每一道的地震記錄； (8) 不同地面位置處的地震記錄按道號順序排列起來，就是所要制作的合成地震記錄。,射線法模擬步驟,5.3 射線法模擬示意圖,一次反射波共炮點記錄,最大炮間距對應的各界面上的一次反射波射線路徑圖,按指定的多次反射波射線碼傳播的多次反射波共炮點記錄,最大炮間距對應的各界面上的多次反射波射線路徑圖,射線法模擬程序可靠性驗證,一次及多次反射波共炮點記錄,某一共中心點道集內(nèi)各界面上的一次反射波射線路徑圖,某一共中心點處的一次反射波共中心點道集記錄,射線法模擬CSP記錄,右端放炮,中間放炮,左邊放炮,射線法模擬CSP記錄(特殊波),繞射波,多次波,射線法模擬CDP記錄,射線法模擬CMP

14、記錄,射線法模擬CMP記錄,射線法模擬VSP記錄,左邊放炮,射線法模擬VSP記錄,一次反射橫波,七、 物理模擬,物理模擬，是用一些已知參數(shù)的介質做成一定幾何形態(tài)的模型來模擬地下地質結構采用超聲波模擬地震波,專用換能器模擬震源和檢波器,將野外地震勘探過程在實驗室內(nèi)重現(xiàn),得到理論地震記錄的方法技術。,七、 物理模擬,物理模擬與計算模擬的優(yōu)缺點： 計算模擬：它的效率高，計算、修改參數(shù)較方便,使用更為廣泛。但任何一種計算模擬方法都要作一定的數(shù)學抽象，故其結果理論記錄總是與實際記錄有較大差異，不能完全包括實際記錄過程中所出現(xiàn)的所有現(xiàn)象。 物理模擬：它沒引入任何數(shù)學抽象，只是將大范圍的實驗(野外工作)在小

15、范圍中重現(xiàn)，故結果更接近實際，更為可靠，更有可比性。但，它的缺點是不靈活，改變參數(shù)困難，模型的制作不容易等。,七、 物理模擬,為了使物理模擬觀測到的波場特征與野外觀測到的波場特征一致，物理模型必須在幾何關系上，運動學上和動力學上與被模擬的系統(tǒng)相似。后二者又稱為物理關系。因此，物理模擬的關鍵是二個相似法準則: 1幾何相似性 2物理相似性,七、 物理模擬,1幾何相似性 幾何相似性要求模型的角度等于系統(tǒng)的角度，且對應的長度要成比例關系。若長度比為d,則面積的比要與d2成比例，體積比要與d3成比例。關鍵是長度比d，一般用波長對它進行度量。因為超聲波的波長要比地震波的波長小許多,故有可能將實際地下地質結

16、構縮小到實驗室中。長度比要求,七、 物理模擬,例如，某工區(qū)野外記錄上某一界面地震反射波頻率約為25Hz，平均速度以3000m/s計 算，則地震波波長約為120m。室內(nèi)超聲波頻率約為100KHz，模型材料速度為1200m/s，故 超聲波波長約為1.2cm。相似比達104數(shù)量級，即可用10cm大小的模型表示地下1km大小的 介質。當然，不同地層的相似比可能不同，應分別計算。,2物理相似性 物理相似性要求模型材料與地層介質的物性參數(shù)具有相似性,以便獲得與野外記錄相似的運動學特征和動力學特征。 地震勘探中最主要的物性參數(shù)是速度和密度，只需要求各層之間的速度比和密度比相似即可。即,根據(jù)野外工作實際情況，

17、按相似性原則選擇模型材料制作出模型之后，就可以進行物理模擬實驗。利用專門的發(fā)射接收機、換能器(探頭)、波形記錄器等裝置發(fā)射超聲波，將經(jīng)過模型作用后的各種波形接收下來并進行數(shù)字采樣，輸入到計算機中以便作各種處理，得到需要的理論地震記錄。,【思考題參考答案】 1、正演模擬、計算模擬和物理模擬的概念,正演模擬：指用物理模型和數(shù)學模型代替地下真實介質，用物理實驗和數(shù)學計算模擬地震記錄的形成過程，以得到理論地震記錄的各種方法、技術。,物理模擬：是用一些已知參數(shù)的介質做成一定幾何形態(tài)的模型來模擬地下地質結構采用超聲波模擬地震波,專用換能器模擬震源和檢波器,將野外地震勘探過程在實驗室內(nèi)重現(xiàn),得到理論地震記錄

18、的方法技術。 計算模擬：是用計算計實現(xiàn)的正演模擬，它包括一維和二、三維模擬。,【思考題參考答案】 2、計算模擬與物理模擬的優(yōu)缺點？,物理模擬：具有與實際情況更為接近的優(yōu)點。 模型設計較困難，模型參數(shù)修改不方便。 計算模擬：具有效率高，計算、修改參數(shù)方較方便,使用更為廣泛；但模型較難接近實際。,【思考題參考答案】 3、 何為古皮特模型？,包括如下基本假設的一維模擬稱為古皮特模型，即 (1)地層橫向均勻，縱向由一系列不同彈性性質的平行薄層所組成。 (2)薄層假設為等時厚，每層時間厚度均為半個(采樣間隔)。 (3)地震波為平面波法線入射 (4)每一界面的反射子波形狀都相同，僅振幅和符號依據(jù)各界面反射

19、系數(shù)而變。 (5)忽略透射影響和多次反射。,【思考題參考答案】 4、射線追蹤的步驟？,（1）輸入界面離散樣點，地層速度或從人機交互模型構制產(chǎn)生的文件中讀入; （2）根據(jù)給定的觀測系統(tǒng)確定炮點與接收點的位置； （3）給定入射波及要產(chǎn)生的波的類型； （4）解初值問題，確定在震源處以一系列初始出射角出射的射線與地面的交點；,計算步驟(續(xù)),（5）解兩點問題，確定從震源發(fā)出的波到達各接收點的射線路徑及走時； （6）計算射線振幅，并將同一接收點所有到達的波按走時先后構成一時間振幅序列； （7）形成地震記錄，即將震源子波與振幅時間序列相褶積得到每一道的地震記錄； (8) 不同地面位置處的地震記錄按道號順序