一种基于结构耦合约束的体波和面波三维联合反演方法技术

本发明专利技术公开了一种基于结构耦合约束的体波和面波三维联合反演方法，属于地震信息处理技术领域，该方法包括获取体波走时数据和面波频散数据；获取网格剖分后的剖分结果；根据剖分结果，分别利用第一初始模型和第二初始模型，构建体波单方法反演模型和面波频散单方法反演模型；分别将第一初始模型和第二初始模型更新为体波单方法反演模型和面波频散单方法反演模型；若达到初始迭代次数，分别根据第一初始模型和第二初始模型构建面波频散约束反演模型和体波约束反演模型，并基于体波约束反演模型和面波频散约束反演模型完成联合反演，否则，重复迭代。本发明专利技术克服了传统联合反演两种不同数据体权重因子选择困难的问题，提高了单方法反演成像分辨率。单方法反演成像分辨率。单方法反演成像分辨率。

【技术实现步骤摘要】
一种基于结构耦合约束的体波和面波三维联合反演方法


[0001]本专利技术属于地震信息处理
，尤其涉及一种基于结构耦合约束的体波和面波三维联合反演方法。

技术介绍

[0002]地震成像是研究地球内部结构的最重要工具之一，通过地震成像获取的三维速度模型为油气矿产资源探测及开发、大地震的深部孕震及发震机理、地质灾害监测及预警、地球内部结构及深部动力学过程等领域提供关键信息。随着探测技术不断发展，野外地震观测也逐渐往多参数、智能化、高精度、超密集台阵探测等方向发展，海量的、高精度的地震数据不断积累，高精度成像技术也不断推进。体波和面波是地震记录上两种重要的信号，充分地利用这两种数据体可以有效的提高反演精度。
[0003]基于射线理论的反演方法是体波和面波成像的重要手段，因其数据资料处理简单、正反演技术成熟等优势，广泛应用于地球不同尺度介质非均匀性特征研究。目前体波和面波数据反演主要以单方法反演为主，然而单方法反演往往受限于方法本身的局限，成像分辨率受到限制。体波反演精度受限于地震和台站的分布，在地震发生方位不均匀或台站分布稀疏的情况下，成像分辨率有限。而面波反演方法的纵向分辨率随深度增加而降低、对介质P波速度的灵敏度低于S波速度等方面的约束，仅靠面波单方法反演难以获得高精度的速度结构。
[0004]已有的体波和面波联合思路是将体波和面波反演过程中的灵敏核函数构建成一个大型线性稀疏矩阵，通过选取两种地震数据的权重等参数，同步求解出P波和S波的速度结构。该联合反演策略是在同一个反演系统中，设定在同一迭代终止条件，联合反演体波走时和面波频散数据，同步获取地下介质的P波和S波速度结构。然而该方法需要选取合适的权重因子，才能保证在同一的评价体系下中获得最优的P波和S波速度结构，确保其联合反演结果优于其单方法反演结果。权重因子的选择不仅仅包含有不同数据体质量控制权重因子、不同数据体之间权重因子、正则化项权重因子等，如何选取合适的权重因子使得联合反演获取的速度结构优于单方法反演结果给该方法带来了很大的困难。

技术实现思路

[0005]针对现有技术中的上述不足，本专利技术提供的一种基于结构耦合约束的体波和面波三维联合反演方法克服了传统联合反演两种不同数据体权重因子选择困难的问题，提高了单方法反演成像分辨率。
[0006]为了达到上述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案为：一种基于结构耦合约束的体波和面波三维联合反演方法，包括以下步骤：
[0007]S1、获取体波走时数据和面波频散数据；
[0008]S2、进行网格剖分，得到剖分结果；
[0009]S3、构建第一初始模型和第二初始模型；
[0010]S4、根据剖分结果对第一初始模型进行体波走时数据反演，得到体波单方法反演模型；
[0011]S5、根据剖分结果对第二初始模型进行面波频散数据反演，得到面波频散单方法反演模型；
[0012]S6、将第一初始模型更新为体波单方法反演模型，以及将第二初始模型更新为面波频散单方法反演模型，并判断是否达到初始迭代次数，若是，则进入步骤S7，否则，返回步骤S4；
[0013]S7、根据第一初始模型构建面波频散约束反演模型，以及根据第二初始模型构建体波约束反演模型，并基于体波约束反演模型和面波频散约束反演模型完成联合反演。
[0014]本专利技术的有益效果为：本专利技术充分利用了地震数据，并加入双差走时提高了震源区域速度结构精度；利用交叉梯度函数构建体波约束反演模型和面波频散约束反演模型，并在面波频散单方法反演模型的目标函数的构建中带入体波约束反演模型，在体波单方法反演模型的目标函数的构建中带入面波频散约束反演模型，实现两种方法的约束反演，采用交替约束策略联合反演，最终获取在结构上越来越相似的两种速度模型。交替约束联合反演策略可以在联合反演过程中不断更新约束模型，相比直接用固定模型做约束反演，避免了先验约束模型精度对反演结果的影响。
[0015]进一步地，所述步骤S2网格剖分具体为中间目标区域网格间距为0.1
°
，深度网格在26km内网格间距为2km，边界网格采用不均匀剖分。
[0016]上述进一步方案的有益效果为：网格划分考虑了探测目标体的规模以及数据覆盖范围，平衡了正演和反演的计算精度。
[0017]进一步地，所述步骤S4具体为：
[0018]S401、根据剖分结果对第一初始模型进行正演计算，得到体波理论模型正演数据：
[0019][0020]其中，为体波理论模型正演数据；τ
i
为地震事件i的发震时刻；i为地震事件编号；k为地震台站编号；u为体波慢度；ds为射线路径微元量；
[0021]S402、将体波理论模型正演数据和体波走时数据作差，得到体波实测走时数据与理论模型走时数据的差：
[0022][0023]其中，为体波实测走时数据与理论模型走时数据的差，表示第i个地震事件和第k个地震台站之间的体波走时差；q为震源发震位置参数编号；为震源参数扰动矩阵；x
q
为震源发震位置参数；Δ为拉普拉斯算子；为偏导数符号；C
ik
为地震事件i到地震台站k的传播路径；N为网格总量；l为网格编号；Δu
l
为第l个网格的慢度扰动；
[0024]S403、根据体波实测走时数与理论模型走时数据的差，获取所有地震事件及其对应的接收地震台站的体波走时差，得到数据走时残差矩阵：
[0025]ΔT＝AΔX+CΔU
[0026]其中，ΔT为数据走时残差矩阵；A为所有震源参数的扰动组合成的大型矩阵；ΔX为所有震源的空间扰动位置组成的一维矩阵；C为所有地震事件传播路径矩阵；ΔU为所有网格的慢度扰动组成的一维矩阵；
[0027]S404、在数据走时残差矩阵中加入双差矩阵和圆滑因子，得到体波单方法反演模型，所述体波单方法反演模型的目标函数为：
[0028][0029]其中，L1为体波单方法反演模型的目标函数，表示体波单方法所有数据走时差；α和β均为权重因子；W
m
为圆滑因子；η为圆滑权重系数；Q
DD
为双差矩阵；0为零矩阵。
[0030]上述进一步方案的有益效果为：将通过不断修正模型，使得体波理论模型正演数据与体波走时数据越来越逼近，获取满足要求的速度结构，并加入双差走时，提高震源区域速度结构的精度。
[0031]进一步地，所述双差矩阵具体为双差走时组成的矩阵；所述双差走时为两个位置相近的震源到同一观测台的实测走时和理论模型走时的时差做差。
[0032]上述进一步方案的有益效果为：提高了震源区域速度结构的精度。
[0033]进一步地，所述步骤S5具体为：
[0034]S501、根据剖分结果对第二初始模型进行正演计算，得到面波理论模型正演数据：
[0035][0036]其中，为面波理论模型正演数据；τ
i
为地震事件i的发震时刻；i为地震事件编号；k为地震台站编号；v本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于结构耦合约束的体波和面波三维联合反演方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、获取体波走时数据和面波频散数据；S2、进行网格剖分，得到剖分结果；S3、构建第一初始模型和第二初始模型；S4、根据剖分结果对第一初始模型进行体波走时数据反演，得到体波单方法反演模型；S5、根据剖分结果对第二初始模型进行面波频散数据反演，得到面波频散单方法反演模型；S6、将第一初始模型更新为体波单方法反演模型，以及将第二初始模型更新为面波频散单方法反演模型，并判断是否达到初始迭代次数，若是，则进入步骤S7，否则，返回步骤S4；S7、根据第一初始模型构建面波频散约束反演模型，以及根据第二初始模型构建体波约束反演模型，并基于体波约束反演模型和面波频散约束反演模型完成联合反演。2.根据权利要求1所述基于结构耦合约束的体波和面波三维联合反演方法，其特征在于，所述步骤S2网格剖分具体为中间目标区域网格间距为0.1
°
，深度网格在26km内网格间距为2km，边界网格采用不均匀剖分。3.根据权利要求1所述基于结构耦合约束的体波和面波三维联合反演方法，其特征在于，所述步骤S4具体为：S401、根据剖分结果对第一初始模型进行正演计算，得到体波理论模型正演数据：其中，为体波理论模型正演数据；τ
i
为地震事件i的发震时刻；i为地震事件编号；k为地震台站编号；u为体波慢度；ds为射线路径微元量；S402、将体波理论模型正演数据和体波走时数据作差，得到体波实测走时数据与理论模型走时数据的差：其中，为体波实测走时数据与理论模型走时数据的差，表示第i个地震事件和第k个地震台站之间的体波走时差；q为震源发震位置参数编号；为震源参数扰动矩阵；x
q
为震源发震位置参数；Δ为拉普拉斯算子；为偏导数符号；C
ik
为地震事件i到地震台站k的传播路径；N为网格总量；l为网格编号；Δu
l
为第l个网格的慢度扰动；S403、根据体波实测走时数与理论模型走时数据的差，获取所有地震事件及其对应的接收地震台站的体波走时差，得到数据走时残差矩阵：ΔT＝AΔX+CΔU其中，ΔT为数据走时残差矩阵；A为所有震源参数的扰动组合成的大型矩阵；ΔX为所有震源的空间扰动位置组成的一维矩阵；C为所有地震事件传播路径矩阵；ΔU为所有网格的慢度扰动组成的一维矩阵；
S404、在数据走时残差矩阵中加入双差矩阵和圆滑因子，得到体波单方法反演模型，所述体波单方法反演模型的目标函数为：其中，L1为体波单方法反演模型的目标函数，表示体波单方法所有数据走时差；α和β均为权重因子；W
m
为圆滑因子；η为圆滑权重系数；Q
DD
为双差矩阵；0为零矩阵。4.根据权利要求3所述基于结构耦合约束的体波和面波三维联合反演方法，其特征在于，所述双差矩阵具体为双差走时组成的矩阵；所述双差走时为两个位置相近的震源到同一观测台的实测走时和理论模型走时的时差做差。5.根据权利要求1所述基于结构耦合约束的体波和面波三维联合反演方法，其特征在于，所述步骤S5具体为：S501、根据剖分结果对第二初始模型进行正演计算，得到面波理论模型正演数据；其中，为面波理论模型正演数据；τ
i
为地震事件i的发震时刻；i为地震事件编号；k为地震台站编号；v为面波慢度；ds为射线路径微元量；S502、将面波理论模型正演数据和面波频散数据作差，得到面波实测频散走时数据和理论模型正演走时数据的差：其中，δt
j
(ω)为面波实测频散走时数据和理论模型正演走时数据的差，即面波走时差；j为射线编号；ω为频率；ΔL
b
为射线在第b个网格的长度；b为网格编号；C
b
(ω)为地表第b个网格频散速度；为地表第b个网格在深度z
a
处纵波速度的偏导数；z
a
...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴萍萍，
申请(专利权)人：中国地震局地球物理研究所，
类型：发明
国别省市：