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地质地球所提出地震层间多次波偏移理论

在勘探地球物理领域,垂直地震剖面是一种重要的采集观测系统。基于VSP观测系统的时移地震监测在地热资源勘探、页岩压裂、二氧化碳液态存储等领域有非常重要的应用,然而基于传统成像方法的VSP一次反射波成像范围非常有限,集中在一个狭窄的三角形范围内。

地震反射波由于具有很强的穿透性,因此常被用于研究地下结构及其地质属性。地震反射波被看作信号,可用于地下成像。而与其对应的地震多次波被看作噪声,需要在地震成像前将其消除。地震多次波由于传播路径长,反射角度小,可以传播到反射波的阴影区,它携带了丰富的地下介质信息,能够获得更高分辨率成像结果。然而反射波半个世纪的研究历程表明,现有地震成像方法无法适应地震多次成像。近年发表的一系列地震多次波成像论文大都是针对表面相关的多次波,而层间多次波鲜有涉及。层间多次波是盐丘、火山岩、高速煤层和玄武岩下部的主要干扰波,严重影响了地震波传播。

在勘探地球物理和地震学领域,重建地下结构通常是利用地震反射波或者转换波,多次波通常看作噪声,或者被去除(勘探地震学、区域地震学),或者在成像中解释为假象。为了消除由地震多次波产生的假象,需要压制地震多次波,这不仅要求在地震数据中对其剔除,而且还不能伤及反射波,因此具有一定的挑战性。与此同时,在利用地震多次波偏移的过程中,还会遇到地震串扰噪声等问题。不同阶数的多次波按照地震波反向传播,与正向传播的地震波互相关成像,会造成一系列的地震多次波假象。地震多次波比反射波携带更多的地下结构和地下属性的信息,利用前者重建地下各种物理量是当前重要的研究方向。

中国科学院地质与地球物理研究所博士刘学建及其导师刘伊克等提出了利用VSP自由表面多次波的一种快速最小二乘逆时偏移成像方法,极大地扩展了VSP观测系统的成像照明范围。VSP下行鬼波经过地下一次或多次反射,再经自由表面反射后,由井中的检波器记录到,在VSP地震记录中是一种具有较强能量的震相,携带了大量的地下构造信息。

在上述背景下,中国科学院地质与地球物理研究所工程地质与水资源研究室研究员刘伊克等提出了地震层间多次波偏移理论和方法,分析了层间多次波的形成机理。他们把层间多次波分解成上行波与下行波,从地震层间多次波的预测、层间多次波的反向传播以及层间多次的成像条件几个方面进行分析,实现了地震层间多次波成像。研究过程中利用棱镜模型和盐丘模型揭示了地震层间多次波传播规律,其结果证明了该方法可以用于地震层间多次波成像。

在上述背景下,中国科学院地质与地球物理研究所工程地质与水资源研究室研究员刘伊克及合作者提出了可控阶地震多次波最小平方逆时偏移方法,他们依据提出的地震多次波分阶理论,首先将地震多次波分解成1阶多次波,2阶多次波及其更高阶多次波,再用Born近似,控制自由边界条件,获得不同阶数的地震多次波。通过实际地震数据与模拟地震数据建立对应不同阶数的地震多次波目标函数,获得地下结构信息。此外,他们利用地震偏移迭代和多次波分阶,极大地压制了在利用地震多次波成像中产生的假象。(图1是Pluto 1.5 最小偏移距数据,可以看到各种多次波产生的假象;图2是仅有地震多次波偏移结果,较强的多次波产生的各种假象被去除)。

他们提出的这种方法具有成像范围广、成像分辨高的特点,能够有效压制多次发射波成像中的串扰噪声。该方法结合最小二乘逆时偏移和动态相位编码实现快速的成像结果迭代更新,与传统VSP逆时偏移的计算量相当或更少,可广泛应用于VSP时移地震监测。该方法的扩展性也很强,经过简单的改动可应用于深海地震勘探中常常使用的海底地震观测数据。

以上研究成果近期发表在国际勘探地球物理期刊Geophysics上(Liu et al, Reverse time migration of internal multiples for subsalt imaging. Geophysics, 2015,80: S175-S185)。

这一研究结果近期发表在勘探地震学领域期刊Geophysics(Liu et al. Least-squares reverse time migration using controlled order multiple reflections, Geophysics, 2016, 81 : S347-S357)。