地震层析成像之模型参数化
地震层析成像技术 ppt课件
二、地震层析成像方法面临的主要问题
2.1 地震波走时自动拾取问题 在地震层析成像的研究中 ,可获得的观测数据是地震 记录 .从地震记录中可以获得地震波的走时、振幅和 频率 ,其中最关键的是地震波走时 .随着数字地震技 术的发展 ,观测数据的数量迅速增加 ,准确地进行地 震波走时的拾取越来越成为一项重要且繁重的工作 . 为此 ,走时的自动拾取成为人们研究与关注的对象 .
二、地震层析成像方法面临的主要问题
2.2 三维波动方程有限差分算法模拟地震波场的问题 开展非弹性介质和完全弹性介质有限差分法三维
一、地震层析成像研究发展概况
地震层析成像的研究在70年代首先以井间速度结构 调查为研究对象（Bois et al.1972）。1979年， Dines和Lytle首先对地震层析成像坐了大量数值模 拟，并公布了利用弯曲的地震射线进行地下地震波 速度成像的结果，并首先将层析成像 （ Computerized Geophysical Tomography ） 这 一 名 词 用 于 论 文 的 标 题 。 1984 年 ， 美 国 的 Anderson利用天然地震数据着手全 化、密度结构、地幔物质流动有了新的认识。
二、地震层析成像方法面临的主要问题
2.2 三维波动方程有限差分算法模拟地震波场的问题 不论是天然地震还是人工地震 (即使是二维观测方 式 )的观测数据都是在三维空间介质中形成 .由于地 下地质结构的千变万化 ,理论数据的正演计算只有在 三维空间中实现才更具有实际意义 .而目前大多采用 二维计算 ,使得理论数据与观测数据之间的误差不仅 由地质模型形成而且还由计算方法的数学模型形成 . 三维波动方程的有限差分解是获取地震波三维波场 的有效方法 .
一、地震层析成像研究发展概况
20世纪60年代初期，美国科学家Cormack从数学和 实验结果证实了根据X射线的投影可以唯一地确定人 体内部结构，从而奠定了医学诊断上图像重建的理 论 基 础 ， 即 X 射 线 CT(X Ray Computer Tomography). 60年代中期和70年代中期,随着数 学图像重建方法在射电天文学和电子显微学方面的 应用和发展，在数学方法上出现了本质上与奥地利 数学家1917年提出的Rndon逆变换方法相同的褶积 投影方法，Chapman，1981）。此后，地学界借 助医学CT思想，利用地震波的传播对地壳乃至上地 幔结构开始进行半定量研究。从此，低着层析成像 成为地球物理学研究的一个新领域。
地震层析成像原理
地震层析成像原理地震层析成像（Seismic Tomography）是利用地震波在地下传播的波速变化，通过对地震波数据的观测和处理，反演出地下介质的速度结构和构造特征的一种方法。
它是地球物理学中的一项重要研究领域，可以帮助我们深入了解地球内部的构造和演化过程。
地震层析成像的原理基于地震波在不同介质中传播速度不同的特性。
地震波在地下传播时，会受到地下结构的影响，传播速度会发生变化。
当地震波经过不同介质时，它们的传播速度会发生改变，这种改变可以通过对地震波的观测和分析来反演出地下介质的速度结构。
1.数据采集：首先需要在地表布置一定数量的地震台站，用于记录地震波的传播情况。
这些地震台站会同时记录到来的P波（纵波）和S波（横波）的到达时间。
2. 数据处理：利用地震波到达的时间信息，可以通过计算波传播路径的长度来估计地下介质的速度。
传统方法中常使用迭代法（如Gauss-Newton算法）来求解速度模型。
3.反演：根据数据处理得到的波速数据，通过数学反演的方法建立地下速度模型和构造特征。
其中常用的方法包括射线追踪、线性反演、全耦合反演等。
4.分辨率评价：为了评价反演结果的可靠性，需要进行分辨率评价，判断反演结果的可信程度。
常见的评价方法包括主分量分析、模拟能力谱等。
地震层析成像的应用范围非常广泛。
在地质勘探中，通过层析成像可以直接观测到地下的速度结构变化，识别地下的构造和岩性界面，并预测可能存在的矿床等重要资源；在地震地质学中，层析成像可以用来研究地壳的构造和演化过程，例如地震断层的产生和活动等；在地球科学中，利用层析成像可以研究地球内部的动力学过程，了解地球的内部结构和演化历史。
总结起来，地震层析成像通过对地震波传播速度的观测和处理，能够反演出地下介质的速度结构和构造特征。
它是地球物理学中的重要研究方法，对于深入了解地球内部的构造和演化过程具有重要的意义。
论全球地震面波层析成像的参数化与样条插值模型
论全球地震面波层析成像的参数化与样条插值模型
全球地震面波层析成像是一种新兴且被广泛应用的地震学方法，它可以快速实现全局
地震遥感加密。
它基于相位层析技术和样条插值技术，利用震源逆时间重建面波速度模型，实现面波层析成像，可以帮助地质学家实现比较准确的地质界面定位和目标跟踪定位。
首先，根据面波层析成像的参数化模型，可以用来模拟地震探测器检测到的数据，这
种模型需要读取地震数据，从而计算出面波介质参数，然后从地震数据给出的地形、岩性
特征和测量路径到达相应结论。
参数化模型主要包括面波参数、层析方向和介质参数调整。
其次，根据面波层析成像的样条插值模型，可以用来分析和模拟不同位置和距离处的
参数，这种模型具有较强的拟合能力，可以对不同的点参数进行拟合，从而有效拟合层析
成像的不同参数之间的关系，达到层析成像的计算结果更精确的目的。
最后，根据上述参数化模型和样条插值模型，物理学家可以有效地将全局地震反演结
果应用于各种构造地质领域，如地质构造显示、地震动力学模型的分析和反演、柱状剖面
的建立、地震动力学模拟等，这是因为全局地震面波层析成像的参数化与样条插值模型可
以获得地震参数的准确的估算值，所以也可以较好地应用于地质解释活动。
总之，面波层析成像的参数化模型和样条插值模型不仅可以用来实现地震数据的识别
和压缩，还可以很好地帮助地质学家运用其研究结果挖掘地质构造等相关信息，面波层析
成像已经在全球地震学中发挥重要作用。
地震层析成像
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四、应用
广泛应用于内部地球物理和地球动力学、 能源勘探开发、工程和灾害地质、金属矿勘探 等领域。 如：地震层析成像结果从三个方面展示出 地球内部横向不均匀结构（参考文献：地震层 析成像板块构造及地幔演化动力学，2001）
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四、应用
首次发现非洲超级地慢柱等大型地慢柱均起源 于核慢边界。 还有一个最重要的结力学对其给出 了很好的解释, 为板块运动的热对流学说提供了 证据。在大洋洋脊、板块消减带、克拉通地区, 地壳和上地慢中的火山、地壳和地慢顶部、造山 带、 断裂区和震源区等地方层析成像技术也都有 大量的应用成果。无论是能源和矿产等资源勘探, 还是地球内部结构及地球动力学研究, 地震层析 成像技术都是有效的、重要的技术之一。
结构以及其它物 性参数
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二、分类
研究区域的尺度：全球层析成像、区域层析成像、 局部层析成像； 按所用资料的来源：天然地震层析成像(大尺度深 部横向不均匀性研究)、人工地震测深(主要研究 浅部界面分布)； 反演的物性参数：利用地震波走时反演地震波速 度的波速层析成像、利用地震波振幅衰减反演地 震波衰减系数的层析成像；
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二、分类
所依据的 理论基础
基于射线方程 的层析成像 基于波动方程 的层析成像
体波(反射波 、折射波)层 析成像
面波层析成 像
射线追踪时所用的地 震波资料的不同
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二、分类
基于射线理论, 地震波走时层析成像方法由于 走时具有较高信噪比、无论是柱面波还是球面波走 时的规律都相同等优点, 相对来说发展较早, 技术 方法比较成熟，是目前地震层析成像的主要方法；
地震层析成像方法及其应用研究
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2、环境监测：地震层析成像方法也可以应用于环境监测领域。例如，通过 观测地震波在地壳中的传播特征，可以评估地球表面的沉降和隆起状况，监测地 壳运动和地震活动，为环境预警和减灾提供支持。
3、地球科学：地震层析成像方法在地球科学领域的研究中也具有重要意义。 它可以帮助科学家了解地球的内部结构和动力学过程，深化对地球演化历史的认 识。
电阻率法层析成像的原理与方法
电阻率法层析成像基于电阻抗测量技术，通过施加激励信号于研究对象，测 量其内部电学特征，如电阻抗等，并将测量结果转化为图像。具体实验设计包括 选择合适的激励信号、设计测量电路、采集数据及图像处理等步骤。
在物理学领域，电阻率法层析成像被广泛应用于研率的变化，可以推断出材料内部的 导电性能与微观结构。
地震层析成像方法的应用与发展
地震层析成像方法在地球物理领域的应用广泛，主要包括以下几个方面：
1、资源勘探与开发：地震层析成像方法在石油、天然气和地热等资源的勘 探与开发中具有重要作用。通过对地震数据的分析和处理，可以获取地下岩层的 分布、厚度、结构和属性等信息，为资源勘探和开发提供可靠的地质依据。
结论
电阻率法层析成像作为一种无损、非侵入性的成像方法，在物理学、化学、 生物医学等多个领域具有广泛的应用前景。本次演示详细介绍了电阻率法层析成 像的原理、方法及其在各领域的应用，并展望了其未来发展方向。随着技术的不 断进步和应用领域的拓展，电阻率法层析成像将在未来发挥更加重要的作用，为 科学研究与实际应用提供有力支持。
在应用前景方面，地震层析成像方法仍然有很大的发展空间。例如，利用该 方法进行深部矿产资源勘探、地下水污染监测以及地壳运动和地质灾害预警等领 域的应用研究，都具有重要的现实意义和社会价值。
浅析地震走时层析成像计算中的问题
铁
道
勘 察
２０ ０ ７年第 １ 期
浅 析 地 震 走 时层 析 成 像 计 算 中的 问题
朱正 国 刘 铁 林 昀
（ 铁道第 四勘察设计院 ，湖北武汉 ４０ ６ ） ３ ０ ３
Ａｎ ｌ ｓｓ ｏ ｏ ｅ Ｉ ｓ ｅ ｎ Ｃａ ｃ ｌ ｔｏ ｆ Ｉ ａ ｅ Ｆｏ ｍ ａ ｉ ｎ ａ ｙ ｉ ｎ Ｓ ｍ ｓ ｕ ｓ ｉ ｌｕ ａ ｉ ｎ ｏ ｍ ｇ ｒ ｔｏ
关键 词 地震 层析成 像 最短 路径 追踪 暗 区 节点 对 于地震 Ｃ ， Ｔ 网络 的节点 对 应 速 度单 元 网格 节 点 ， 而 网络 的边 则 要作一 些特殊 处理 （ 图 １ 如 所示 ） 。
１ 最 短路径追踪算 法简 介
该 方法 原 本 是 网络 的单 源 最 短 路 径 问题 。Ｄｊ— ｉ ｋ
岩 石 中的年平 均地 温 较松 散 土 层 中 的低 ； 松 散 土层 在 中， 粗颗 粒土 （ 碎石类 土 ） 中的年 平 均 地 温要 较 细 颗粒 土（ 黏性 土 、 类 土 ） 砂 中高 。在 唐 古 拉 南 麓 地 区 ， 岩 因
【］ 孟祥连． １ 青藏铁路多年冻土工程地质勘察 【］ 铁 道勘察，０ ６ ３ Ｊ． ２０ ，２ 【］ Ｔ １０３ ２ ０ 铁路工程物理勘探 规程【 ］ ２ Ｂ０１－ ０４ Ｓ ［ 】 Ｔ １０２ ２ ０ 铁路工程地质勘察规范ｆ 】 ３ Ｂ０１－ ０１ Ｓ 【］ Ｔ Ｏ ２ －２ ０ 铁路工程不 良地质勘察规程【 ］ ４ Ｂ１０ ７ ０ １ Ｓ
地表水等 ， 但这些 因素并不是单一作用， 而是互相组合
制约着 地 温 的分 布及 变化 。 参
（） ３
２ ７ 岩 性 对 冻 土地 温 的影 响 ．
石油勘探中的地震反射层析成像算法研究
石油勘探中的地震反射层析成像算法研究地震反射层析成像算法是石油勘探中关键的技术之一。
地震勘探是通过地震波在地下传播的特性来获取地下地质结构信息的一种方法。
地震反射层析成像算法则是根据地震波在地下不同界面上的反射和折射现象，重建地下界面的方法。
本文将介绍地震反射层析成像算法的基本原理和研究进展。
地震反射层析成像算法的基本原理是通过地震记录数据和走时信息来推断地下地质界面的位置和形状。
其过程可以分为数据预处理、波场模拟和反演三个步骤。
数据预处理是算法的第一步，其目的是对地震记录数据进行噪声去除和时域滤波，以提高数据质量和信噪比。
地震记录数据通常包含了许多不同的波形，其中包括有用信号和干扰信号。
通过应用滤波器和其他信号处理技术，我们可以从地震记录数据中去除噪声和干扰信号，保留有用的地震信号。
波场模拟是地震反射层析成像算法的核心部分。
波场模拟通过计算地震波在地下介质中的传播过程，模拟地震波在不同界面上的反射和折射现象。
波场模拟可以使用有限差分法（FDM）、有限元法（FEM）和伪谱法等数值计算方法来实现。
通过波场模拟，我们可以得到地震波在地下不同深度和位置上的响应，从而构建地震数据集和反射信息。
反演是地震反射层析成像算法的最后一步，用于重建地下地质界面。
反演过程通过将测量数据与模拟数据进行对比，将地震记录数据与地下介质参数相联系。
反演算法可以分为线性反演和非线性反演两种类型。
线性反演方法基于正演模拟和与观测数据之间的线性关系，通过反演矩阵将地震记录数据转换为地下介质参数。
非线性反演方法则通过迭代优化算法，将观测数据与模拟数据之间的差异最小化，求解最优的地下介质参数。
随着计算机技术的发展和地震勘探的需求增加，地震反射层析成像算法在过去几十年中取得了重要的研究进展。
研究者们提出了许多不同的技术和方法，以改进反演的效率和精度。
例如，有些算法采用多尺度分析和模型约束的方法，可以更好地处理数据中的噪声和不确定性。
还有一些算法结合了机器学习和人工智能的方法，通过学习大量的地震数据样本，提高地震反射层析成像的准确性和速度。
地震层析成像方法的基本原理和一般计算过程
地震层析成像方法的基本原理和一般计算过程==================================地震层析成像是一种基于地震波传播理论的地球物理方法，通过对地震数据进行采集、处理、重建和解释，可以获取地球内部结构及地质构造信息。
本文将介绍地震层析成像方法的基本原理和一般计算过程，主要包括以下四个方面：数据采集、数据处理、图像重建和图像解释。
1. 数据采集-------地震层析成像需要采集地震数据，包括地震波的传播时间、振幅、相位等信息。
数据采集通常采用地震仪进行野外测量，将地震波信号记录下来。
为了获取更准确的数据，需要选择合适的观测系统、布置地震检波器、选择适当的激发震源等。
除了地震数据采集，有时还需要进行测井数据采集。
测井数据可以提供地层界面、地层速度、地层岩性等信息，有助于提高地震层析成像的精度。
成像数据采集则是在地震数据采集的基础上，通过调整观测系统、增加激发震源等方式，获取更多角度的地震波数据，从而得到更加细致的图像。
2. 数据处理-------数据处理是地震层析成像的关键环节之一，主要包括数据预处理、数据变换和数据分类等步骤。
数据预处理主要是对原始数据进行去噪、滤波等操作，以提取出有效信号。
常用的方法包括傅里叶变换、小波变换等。
数据变换主要是将原始数据进行坐标转换或者时间转换，以便更好地分析地震波传播规律。
常用的方法包括反射波法、透射波法等。
数据分类主要是将数据进行聚类分析或者模式识别，以识别出不同的地质体或者地质构造。
常用的方法包括K-means聚类、支持向量机等。
3. 图像重建-------图像重建是地震层析成像的核心环节之一，主要包括代数重建、几何重建和概率重建等方法。
代数重建是通过建立地震波传播方程，并求解方程得到图像的一种方法。
该方法适用于均匀介质和简单地质模型，但计算量较大。
几何重建是基于射线理论的方法，通过追踪地震波的传播路径来重建图像。
该方法适用于复杂地质模型，但精度较低。
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地震层析成像——（一）模型参数化
冷独行整理
地震层析成像（seismic tomography）是指利用大量地震观测数据反演研究区域三维结构的一种方法。
其原理类似于医学上的CT，但地震层析成像比医学上的CT技术更复杂。
大量数据以及其他许多不定因素，包括存在多种数据误差、解的不唯一性在内的地球内部成像问题。
Aki和Lee[3]以及Aki等[4]利用区域台阵的三维成像，以及Dziewonski等[5]对全球大尺度上地幔速度结构的勾画成为成像研究中开拓性的工作
地震层析成像是典型的地球物理反演问题，大多数地震层析成像问题都涉及到以下几个方面：①模型参数化，
②正演（射线追踪），
③反演，
④解的评价。
一、模型参数化
成像的目的就是要获得接近实际地下结构的模型，所以在成像前必需要建立模型来描述地层结构，而且选取模型的好坏决定了获得地层结构信息能力的好坏。
过于简化的模型可能使结构中有意义的信息被忽略，复杂的模型可能使反演的不确定性增强，同时可能引入虚假信息。
模型参数化可分为两类。
一类是Tarantola和Nercessian等提出了“不分块”的参数化。
不对模型进行离散化，反演完全在泛函空间中进行，只是在最后计算想要的截面时采取离散化。
由于反演在泛函空间中进行，理论上可以计算空间任何位置上的速度，结果不受离散化的影响，有利于成像的显示。
另一类是离散化的模型参数化。
其优点是数学上容易处理，运算相对简单；缺点是在一般方法中出现的某些简化，在用离散时可能被掩盖掉。
现在通用的大都是离散化的模型参数化，通常采用两种方法来表示地层结构。
一种是使用少量参数确定三维解析函数（如，Dziewonski；Spencer和Gubbins），
例如：Woodhouse、Dziewonski[19]和Su等[20]在全球地震层析成像使用球谐展开来表示模型；Burmakov等将速度扰动展开成一定阶数的切比雪夫多项式，以减少未知量个数，提高求解效率；朱露培提出的频谱参数化法，将待求扰动场按其空间频率展开，反演各阶频率系数。
解析函数法优点是模型参数少，最终的模型被压缩且易于被其他研究者利用，还有一些计算方面的优势。
其缺点是不易对小尺度局部异常成像、模型边界不稳定，而且观测方程中的满系数矩阵是反演所不希望的。
另一种是采用离散函数，根据赵大鹏教授的综述，使用在区域地震层析成像中，如分块法或节点法，这种方法可模拟局部小异常，产生大型稀疏系数矩阵，利于在现代计算机上计算，所以目前几乎所有局部和区域的体波层析研究都采用分块或节点法。
分块法将地球按某种准则划分为有限个三维块体，假定每块内速度是常值。
分块法在进行射线追踪和走时计算时都十分简便，但是在模型中人为的引入了块体间的
边界，造成了速度的不连续性，
并且结构异常的轮廓只能表示成块状。
节点法则是把节点上的速度值取为待求变量，其他任意点的速度值由于它相邻的８个节点上的速度插值求得。
与分块法相比，速度是连续变化的，没有人为的边界，可以获得系数矩阵更密。
节点法只能处理速度连续变化的情况，但无法处理存在速度间断面的情况。
针对上面的问题，刘福田[24]、Zhao[25]和华标龙[26]的方法中都在模型中参数化时考虑了速度间断面[10]。
描述间断面有两种方法：
①连续函数（如指数）；
②利用二维网格点来表示速度间断面的形状[25]。
在采用分块或格点法时，通常采用的是规则的分块或格点模型。
然而，在两极附近或地震事件及台站分布极不均匀时，如果采用规则的模型参数化，将会造成在地震射线交叉过密的地方方块或格点设置偏少，不能充分利用信息以达到较高的分辨率。
反之，则会在成像结果中引入假象。
针对这种问题，对不同区域研究者采用了不同的规则格点模型。
自适应分块或格点参数化，使得在反演过程中能够自动根据实际地震射线分布来配置疏密不同的不规则方块或格点[27-31]。
利用Barber[32]等的Quickhull算法，Sambridge和Gudmundsson[33] 则以不规则构造单元（Delaunay四面体或Voronoi多面体）构造三维速度模型，进行层析成像。
在此基础上，Sambridge和Feletic[30]做了适应性全球层析，Rawllinson和Sambridge[34] 则研究了三维宽角到时层析成像中的非规则界面参数化的问题。
Zhou[35-36]做了与此类似的工作，提出了用于局部和区域层析成像的可变形层层析成像（deformable layer tomography）
方法。
Chiao、Kuo（2001）[37]和裴正林[38-39]等研究者将以小波变换为基础的多尺度分析理论应用于规则格点或方块的模型参数化中，并在反演过程中根据数据的分辨极限自动对模型进行多尺度再划分。
这种方法起到了不规则划分的作用，其优点是不依赖初始模型、更适合于大扰动异常体成像、图像分辨率和质量高[40]。