1、物探新方法技术（地震勘探）第七讲：地震波场正演模拟技术,物探新方法技术（地震勘探）第七讲：地震波场正演模拟技术,一、基本概念 二、地震地质模型建立方法 三、渐近射线追踪方法 四、有限差分法正演模拟 五、有限元正演模拟方法 六、物理模拟技术,【思考题】（1） 正演模拟、计算模拟和物理模拟的概念。（2） 计算模拟与物理模拟的优缺点。（3） 何为古皮特模型？(4） 射线追踪的步骤？(5) 何为两点射线追踪、初值问题的求解？(6) 物理模拟的两个相似性准则。,一、基本概念,正演模拟：指用物理模型和数学模型代替地下真实介质，用物理实验和数学计算模拟地震记录的形成过程，以得到理论地震记录的各种方法、技术。
2、 在地震勘探中,正演模拟占据着重要的地位。它不仅对于地震勘探基础理论的研究具有十分重要的意义，而且在生产实际中也起着越来越重要的作用。例如，前述的某些补偿处理需要用到正演模拟，人机联作解释中很重要的一部分也是正演模拟。,它有下列几个方面的用途：1野外采集方面：提供野外地震勘探野外数据采集的观测系统设计的参数2处理方面：为地震资料处理确定合适的处理参数；,3解释方面： 帮助地震资料的解释，判断地震剖面上的波的类型；验证地震资料的构造及岩性解释的正确性，尤其验证构造高点的位置是否正确；为地震资料反演构造提供理论走时；为地震资料岩性解释提供合成记录。,正演模拟种类：物理模拟和计算模拟物理模拟：是用一
3、些已知参数的介质做成一定几何形态的模型来模拟地下地质结构采用超声波模拟地震波,专用换能器模拟震源和检波器,将野外地震勘探过程在实验室内重现,得到理论地震记录的方法技术。具有与实际情况更为接近的优点。计算模拟：是用计算计实现的正演模拟。它包括一维和二、三维模拟。具有效率高，计算、修改参数方较方便,使用更为广泛。,二、 系统功能简介,地质模型的人机交互构制,渐近线法正演模拟,有限元法正演模拟,系统功能简介,褶积模型,图形输出,1. 一维和二维地震褶积记录,（1）对声波时差及密度测井资料进行合成一维地震记录 （2）模拟给定的二维地质模型的地震褶积记录如楔状模型、砂泥互层的韵律层模型的褶积记录。,模块
4、功能简介,2.渐近线法正演模拟,模拟共炮点记录（CSP）模块,模拟共中心点道集记录模块,模拟自激自收记录（CDP）模块,模拟垂直地震剖面（VSP）模块 （零偏、有偏多种观测方式）,模块功能简介,射线法正演模拟模块特点,模块(1)(4)适用于含断层、岩性尖灭的复杂介质模型，能模拟断点、岩性尖灭点上绕射波；模块(1)(3)能模拟一次波和多次波的波场，模块(4)能分别模拟介质中的纵波、转换横波、纯横波一次波的波场；接收的记录分量有水平和垂直分量；能模拟地震波的运动学（某个界面上的某类波的旅行时间）和地震波的动力学（考虑波前扩散、介质吸收、透射损失及界面曲率的影响）；能计算整个模型的波场，也可只计算指
5、定的任意层的任意种类的波场两分量记录。,模块功能简介,3.声波方程有限元法正演模拟模块,模拟共炮点记录（CSP）模块,模拟自激自收记录（CDP）模块,模拟垂直地震剖面（VSP）模块 （零偏、有偏多种观测方式）,模块功能简介,4.弹性波方程有限元法正演模块,模拟共炮点记录（CSP）模块,模拟自激自收记录（CDP）模块,模拟垂直地震剖面（VSP）模块 （零偏、有偏多种观测方式）,模块功能简介,有限元法正演模拟模块特点,模块能适用于含断层、岩性尖灭的复杂介质模型；能模拟介质中所有波的波场（面波、反射波、直达波、绕射波）；接收记录的分量有位移及位移速度的水平和垂直分量。,模块功能简介,三、 模型构制原
6、理及算法 模型构制是将地质模型简化为地震地质模型的过程，简化的方式必须考虑前述正演公式的适应条件，同时也要尽量使模型参数数量最少。地质模型可以分解成三部分组成：(1)速度均匀的区域；(2)弯曲或不连续界面，它是两个不同速度变化区域的分界面；(3)不连续点(断点和岩性尖灭点)组成的绕射点。,地震地质模型示意图,模型构制,3.1 界面描述及参数给定 界面由一系列界面上的离散点坐标组成，离散点之间的深度由三次样条函数插值求得，故模型的输入参数包括界面的离散点坐标，该界面两侧的纵波速度值，而对应的横波速度值及密度值可由人工给定，也可由经验公式换算。,模型构制,模型处理是对模型构制得到的一系列线段组成的
7、地质分界线赋予层位地质属性。即将线段定义为分界面（层位及断层面），给定分界面两侧的弹性参数，按一定原则对层位进行自动排序。,3.2 模型处理,模型处理,层位自动编号及排序应遵循下列主要原则： （1） 编号从左至右，再从上至下； （2） 编号在前的某一层位的两个端点纵坐标其中之一要小于该编号后的所有层位的纵坐标。(3) 水平位置不同但深度相近的层位，交平缓的层位编号在前。,模型处理,四、一维计算模拟（褶积模型） 1一维计算模拟的基本假设,一维模拟包括如下基本假设(通常称之为古皮特模型)：(1)地层横向均匀，纵向由一系列不同弹性性质的平行薄层所组成。(2)薄层假设为等时厚，每层时间厚度均为半个(采
8、样间隔)。(3)地震波为平面波法线入射(4)每一界面的反射子波形状都相同，仅振幅和符号依据各界面反射系数而变。(5)忽略透射影响和多次反射。,2一维计算模拟的基本公式,在上述假设条件下，反射地震记录x(t)可以看作是地震子波b(t)与反射函数R(t)(离散时为反射系数序列)的褶积。即此即一维计算模拟的基本公式。若已知b(t)和R(t)，按上式可计算出理论地震记录，称之为合成地震记录。因此一维模拟又称为合成地震记录的制作。它用于记录标定。,2一维计算模拟的基本公式,在计算机上实现必须以离散形式进行式中，xn =x(n)为x(t)在ttnn时刻的样值，其余类推，N为子波的全部采样个数 ，Rn=R(
9、n)为反射系数序列 。,声测井合成地震记录,5.1.2 传输方程的解,零阶近似的振幅系数可以足够好地描述体波最重要的动力学特征，其表达式为,模块功能简,式中，V对应P波或S波速度，是介质密度，J（0）和J（）分别为时刻0及时的雅可比值。,射线法模拟原理,5.2 渐近射线法地震波场正演计算过程,二维地震波场正演计算过程主要包括地质模型参数化，初值问题的求解和两点射线追踪及振幅系数的计算等部分，其中地质模型参数化由模型构制及模型处理模块来实现。,射线法模拟过程,5.2.1 初值问题的求解,从给定的初始出射点(炮点)和初始出射方向(出射角)出发的射线按指定射线码穿过地质界面，最终在地面出射 .即在参
10、数连续变化的一层内部，按已知的初值条件，计算该层内的射线的路径、方向；在参数不连续的界面上，利用斯奈尔定律，建立新的初值条件；根据新的初值条件，再计算下一层内的射线的路径；这样一层一层地追踪，直至射线按指定的射线码指示的经历过程最后与地面相交，完成一条试射射线的追踪。,射线法模拟过程,5.2.2两点射线追踪,两点射线追踪就是在已知震源位置和接收点位置情形下，确定由震源发出的波经过地质模型，到达接收点处的射线路径，也即确定震源处射线开始出射的角度。,射线法模拟过程,实现步骤,1)依据模型复杂程度及震源和检波点的位置，给定入射角可能的最小和最大范围，在震源处以最小角度开始以相同角度增量为步长，计算
11、出所有的可能角度为初始出射角的射线在地面出射点的坐标。,射线法模拟步骤,实现步骤,2)确定接收点落在哪个相邻出射点之间，由该相邻点的射线的初始出射角内插计算到达接收点的射线的初始入射角，如图所示:,射线法模拟步骤,实现步骤,若某一接收点Xr落在Xi和Xi+1之间，则内插公式可表示为 :,射线法模拟步骤,实现步骤,3)确定在震源处以new为初始入射角入射时射线出射地表的位置，设该位置为xr(1),若xr(1)-xr(为射线出射点与接收点间的允许误差范围)，则认为射线到达接收点，否则在式(4.12)中，以xr(1)取代xi或xi+1,以new取代i或i+1，以i+1-new取代，重新计算新的试验初
12、始入射角，直至射线到达接收点为止。,射线法模拟步骤,5.2.6 正演模拟计算步骤,（1）输入界面离散样点，地层速度或从人机交互模型构制产生的文件中读入; （2）根据给定的观测系统确定炮点与接收点的位置；（3）给定入射波及要产生的波的类型；（4）解初值问题，确定在震源处以一系列初始出射角出射的射线与地面的交点；,射线法模拟步骤,计算步骤(续),（5）解两点问题，确定从震源发出的波到达各接收点的射线路径及走时；（6）计算射线振幅，并将同一接收点所有到达的波按走时先后构成一时间振幅序列； （7）形成地震记录，即将震源子波与振幅时间序列相褶积得到每一道的地震记录；(8) 不同地面位置处的地震记录按道号
13、顺序排列起来，就是所要制作的合成地震记录。,射线法模拟步骤,5.3 射线法模拟示意图,一次反射波共炮点记录,最大炮间距对应的各界面上的一次反射波射线路径图,按指定的多次反射波射线码传播的多次反射波共炮点记录,最大炮间距对应的各界面上的多次反射波射线路径图,射线法模拟程序可靠性验证,一次及多次反射波共炮点记录,某一共中心点道集内各界面上的一次反射波射线路径图,某一共中心点处的一次反射波共中心点道集记录,射线法模拟CSP记录,右端放炮,中间放炮,左边放炮,射线法模拟CSP记录(特殊波),绕射波,多次波,射线法模拟CDP记录,射线法模拟CMP记录,射线法模拟CMP记录,射线法模拟VSP记录,左边放炮
14、,射线法模拟VSP记录,一次反射横波,七、 物理模拟,物理模拟，是用一些已知参数的介质做成一定几何形态的模型来模拟地下地质结构采用超声波模拟地震波,专用换能器模拟震源和检波器,将野外地震勘探过程在实验室内重现,得到理论地震记录的方法技术。,七、 物理模拟,物理模拟与计算模拟的优缺点： 计算模拟：它的效率高，计算、修改参数较方便,使用更为广泛。但任何一种计算模拟方法都要作一定的数学抽象，故其结果理论记录总是与实际记录有较大差异，不能完全包括实际记录过程中所出现的所有现象。 物理模拟：它没引入任何数学抽象，只是将大范围的实验(野外工作)在小范围中重现，故结果更接近实际，更为可靠，更有可比性。但，它
15、的缺点是不灵活，改变参数困难，模型的制作不容易等。,七、 物理模拟,为了使物理模拟观测到的波场特征与野外观测到的波场特征一致，物理模型必须在几何关系上，运动学上和动力学上与被模拟的系统相似。后二者又称为物理关系。因此，物理模拟的关键是二个相似法准则:1几何相似性 2物理相似性,七、 物理模拟,1几何相似性 几何相似性要求模型的角度等于系统的角度，且对应的长度要成比例关系。若长度比为d,则面积的比要与d2成比例，体积比要与d3成比例。关键是长度比d，一般用波长对它进行度量。因为超声波的波长要比地震波的波长小许多,故有可能将实际地下地质结构缩小到实验室中。长度比要求,七、 物理模拟,例如，某工区野
16、外记录上某一界面地震反射波频率约为25Hz，平均速度以3000m/s计 算，则地震波波长约为120m。室内超声波频率约为100KHz，模型材料速度为1200m/s，故 超声波波长约为1.2cm。相似比达104数量级，即可用10cm大小的模型表示地下1km大小的 介质。当然，不同地层的相似比可能不同，应分别计算。,2物理相似性物理相似性要求模型材料与地层介质的物性参数具有相似性,以便获得与野外记录相似的运动学特征和动力学特征。 地震勘探中最主要的物性参数是速度和密度，只需要求各层之间的速度比和密度比相似即可。即,根据野外工作实际情况，按相似性原则选择模型材料制作出模型之后，就可以进行物理模拟实验
17、。利用专门的发射接收机、换能器(探头)、波形记录器等装置发射超声波，将经过模型作用后的各种波形接收下来并进行数字采样，输入到计算机中以便作各种处理，得到需要的理论地震记录。,【思考题参考答案】 1、正演模拟、计算模拟和物理模拟的概念,正演模拟：指用物理模型和数学模型代替地下真实介质，用物理实验和数学计算模拟地震记录的形成过程，以得到理论地震记录的各种方法、技术。,物理模拟：是用一些已知参数的介质做成一定几何形态的模型来模拟地下地质结构采用超声波模拟地震波,专用换能器模拟震源和检波器,将野外地震勘探过程在实验室内重现,得到理论地震记录的方法技术。计算模拟：是用计算计实现的正演模拟，它包括一维和二
18、、三维模拟。,【思考题参考答案】 2、计算模拟与物理模拟的优缺点？,物理模拟：具有与实际情况更为接近的优点。模型设计较困难，模型参数修改不方便。计算模拟：具有效率高，计算、修改参数方较方便,使用更为广泛；但模型较难接近实际。,【思考题参考答案】 3、 何为古皮特模型？,包括如下基本假设的一维模拟称为古皮特模型，即(1)地层横向均匀，纵向由一系列不同弹性性质的平行薄层所组成。(2)薄层假设为等时厚，每层时间厚度均为半个(采样间隔)。(3)地震波为平面波法线入射(4)每一界面的反射子波形状都相同，仅振幅和符号依据各界面反射系数而变。(5)忽略透射影响和多次反射。,【思考题参考答案】 4、射线追踪的
19、步骤？,（1）输入界面离散样点，地层速度或从人机交互模型构制产生的文件中读入; （2）根据给定的观测系统确定炮点与接收点的位置；（3）给定入射波及要产生的波的类型；（4）解初值问题，确定在震源处以一系列初始出射角出射的射线与地面的交点；,计算步骤(续),（5）解两点问题，确定从震源发出的波到达各接收点的射线路径及走时； （6）计算射线振幅，并将同一接收点所有到达的波按走时先后构成一时间振幅序列； （7）形成地震记录，即将震源子波与振幅时间序列相褶积得到每一道的地震记录；(8) 不同地面位置处的地震记录按道号顺序排列起来，就是所要制作的合成地震记录。,【思考题参考答案】5、 何为两点射线追踪、初值问题的求解？,两点射线追踪就是在已知震源位置和接收点位置情形下，确定由震源发出的波经过地质模型，到达接收点处的射线路径，也即确定震源处射线开始出射的角度。,初值问题的求解：从给定的初始出射点(炮点)和初始出射方向(出射角)出发的射线按指定射线码穿过地质界面，最终在地面出射 。,【思考题】 6、物理模拟的两个相似性准则。,（1）几何相似性：要求模型的角度等于系统的角度，且对应的长度要成比例关系。 （2）物理相似性：要求模型材料与地层介质的物性参数具有相似性,以便获得与野外记录相似的运动学特征和动力学特征。,
