地球物理正反演理论
地球物理学正、反演的研究分析

场的复杂性决定了地球物理模型的复杂性"通常来说"仅 法让反演在现实中顺利进行#$%
仅依靠解析法是无法得出其解析结果的"所以只能选择依 地球模型的反演是在模型空间中进行的"它是一个追
靠数值模拟法# 通过这一方法"许多地电模型的电磁场分 寻目标函数极值的过程# 通过无数次的反演计算得出"使
布数据被计算出"通过对二者间关系的探究"能够得出它 用线性迭代反演的方式可以最快得出局部的极值$%#
科技风 年 月
理论研究
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地球物理学正反演的研究分析
李光琪4苏学影4许佳琪
中国地质调查局地球物理调查中心河北廊坊
摘4要利用正反演的研究方式对地球进行分析研究之前就有学者通过几何学的理论对地球进行正反演计算计 算完成之后可以进行相应的假设具体可以进行各向同性完全弹性以及无限均匀等假设采用声波方程完成相应的计 算然后需要在声波波动方程的计算条件下对黏弹性介质和双相介质进行相应的正反计算 但是在实际分析研究过程 中实际的介质并不是各向同性均匀以及拥有完全弹性因此对人们研究演算地下介质以及实际的地球结构的真相会 造成一定的影响
的广义线性反演&地震道广义线性反演以及各种不同种类 式就是简化内部结构创建相应的物理模型"但是由于比较
的数据反演方式#
简化会与现实地球结构差异性比较大# 地球本身是个复
*+适应性# 之前针对地球物理反问题使用的研究方 杂系统"由于影响因素多"它的导电性更加复杂"地壳结构
式为微扰法"就是通过对地球介质的假设"假设它是一种 较为复杂"拥有的物质组成具有多样化&空间化以及各向
地球物理反演理论

地球物理反演理论一、解释下列概念1.分辨矩阵数据分辨矩阵描述了使用估计的模型参数得到的数据预测值与数据观测值的拟合程度,可以表示为[][]pre est g obs g obs obs d Gm G G d GG d Nd --====,其中,方阵g N GG -=称为数据分辨矩阵。
它不是数据的函数, 而仅仅是数据核G (它体现了模型及实验的几何特征)以及对问题所施加的任何先验信息的函数。
模型分辨矩阵是数据核和对问题所附加的先验信息的函数,与数据的真实值无关,可以表示为()()est g obs g true g ture ture m G d G Gm G G m Rm ---====,其中R 称为模型分辨矩阵。
2.协方差模型参数的协方差取决于数据的协方差以及由数据误差映射成模型参数误差的方式。
其映射只是数据核和其广义逆的函数, 而与数据本身无关。
在地球物理反演问题中,许多问题属于混定形式。
在这种情况下,既要保证模型参数的高分辨率, 又要得到很小的模型协方差是不可能的,两者不可兼得,只 有采取折衷的办法。
可以通过选择一个使分辨率展布与方差大小加权之和取极小的广义逆来研究这一问题:()(1)(cov )u aspread R size m α+-如果令加权参数α接近1,那么广义逆的模型分辨矩阵将具有很小的展布,但是模型参数将具有很大的方差。
而如果令α接近0,那么模型参数将具有相对较小的方差, 但是其分辨率将具有很大的展布。
3.适定与不适定问题适定问题是指满足下列三个要求的问题:①解是存在的;②解是惟一的;③解连续依赖于定解条件。
这三个要求中,只要有一个不满足,则称之为不适定问题4.正则化用一组与原不适定问题相“邻近”的适定问题的解去逼近原问题的解,这种方法称为正则化方法。
对于方程c Gm d =,若其是不稳定的,则可以表述为()T T c G G I m G d α+=,其中α称为正则参数,其正则解为1()T T c m G G I G d α-=+。
地球物理正反演理论(正演部分)

正演理论方法
正演理论方法
•地震波场正演数值计算
正演理论方法
正演理论方法
正演理论方法
正演理论方法
正演理论方法
正演理论方法
正演理论方法
正演理论方法
正演理论方法
正演理论方法
正演理论方法
正演理论方法
正演理论方法
正演理论方法
正演理论方法
正演理论方法
•算例演示’s Principle
Diffractions
正演理论方法
Huygen’s Principle
Diffractions
正演理论方法
•地震波与岩石物性
•岩石性质与地震波速度 •与岩石性质关系
正演理论方法
•地震波与岩石物性
•岩石性质与地震波速度 •与孔隙度关系
正演理论方法
Diffractions
正演理论方法
Huygen’s Principle
Diffractions
正演理论方法
Huygen’s Principle
Diffractions
正演理论方法
Huygen’s Principle
Diffractions
正演理论方法
Huygen’s Principle
Diffractions
•速度和密度资料的获取 •地震子波的选取
正演理论方法
正演理论方法
•一维模型计算(人工合成地震记录)
•计算合成地震记录
正演理论方法
正演理论方法
正演理论方法
•一维模型计算(人工合成地震记录)
•考虑透过系数合成地震记录(自学) •考虑多次波和透过系数合成地震记录(自学)
正演理论方法
•波动方程克希霍夫积分解
地球物理反演

1968)证明了,在线性反演中由于数据量的不足以及误差,反演的不唯一性是必然的。非线 性反演更是如此。
反演的非唯一性特征意味着,存在许多反演模型能够解释观测数据,由观测数据反演得 到的模型不一定就是真实的模型。由图1表征的反演过程过于简单了。我们必须做一些其他 的事情。实际的反演过程分两步进行。假如用m表示真实的模型,d表示数据。第一步由数
正问题
真模型 m
数据 d
评估问题
推断模型
m~
推断问题
图 2.反演过程是推断加评估
一般来说,观测数据是离散的。而模型可以是离散的,也可以是连续的。就模型而言, 反演分离散方法和连续方法,处理上有所不同。模型参数与数据的关系有时是线性的,有时 是非线性的。对于线性问题,目前的有比较成熟的解决方案。非线性问题比较复杂,还没有 找到很好的方案解决模型评估问题。一种方案是对非线性问题做局部近似使其线性化,然后 采取循环迭代,逐步接近非线性问题的解,其结果依赖于初始模型的选择。另一种方案是模 型空间的全局搜索。目前,无论哪种方案都不能很好地解决非线性反演问题。非线性方法的 研究是一个挑战。
(14)
其中
ΛT = (λ1 λ2 Lλn )
(15)
为拉格朗日乘数矢量。用下角标表示
求导数并令其为零得
S = mi2 + λi (di − Aij m j )
∂S ∂mk
= 2mk − λi Aik
2mk = λi Aik
即
2m = AT Λ
(16)
进而得
2Am = AAT Λ
7
2d = AAT Λ
正演
模型 m
数据 d
反演
图 1. 正反演的传统定义
反演问题是根据一组观测数据来重建物理模型。需要强调的是,任何形式的反演过程都必须 借助正演手段。没有理论上的正演,就不可能把观测数据有效地与物理参数联系起来,反演 就失去方向。
地球物理正演与反演

反演理论方法
? 地震反演的目的
根据地震资料,反推出地下介质的波阻抗、 速度和密度等岩石地球物理参数的分布,估算储 层参数,并进行储层预测,以便为油气田的勘探 和开发提供可靠的基础资料。
反演理论方法
反演提供各种岩 性剖面,目的就是 将已知井点信息与 地震资料相结合, 为油田工作者提供 更多的地下地质信 息,建立储层、油 藏的概念模型、静 态模型、预测模型, 提高油田采收率。
? 此外,经过反褶积处理的结果,并不代表真正 的反射系数序列,稀疏脉冲法在地质结构复杂 的条件下使用效果很差。其精度也难以满足储 层预测、油藏描述的需要。
反演理论方法
模型法反演
模型法反演
?定义:从一个初始地质模型出发,对模型扰动,直到得 出的合成地震记录剖面能最好地拟合观测地震数据为止。
?优点:通过引入测井高频信息来提高反演分辨率,分辨 率较高。
反演理论方法
递推反演
递推反演
基于反射系数递推计算地层 波阻抗 (速度)的地震反演方法 称为递推反演。
ZP2
?
1? 1?
RP RP
ZP1
R :反射系数, Z:波阻抗
关键:反褶积----从地震记录估算地层反射系数 测井资料主要起标定和质量控制的作用
反演理论方法
递推反演
递推反演主要步骤
? 宽频带、高保真叠前处理 ? 地震反褶积
正演理论方法
? 建模软件
?
Tesseral 2-D 是一个基于 PC的商业化的全
波场模拟软件。它是由加拿大 Tesseral 技术有
限公司研发的, 用它可以建立复杂的地质模型剖
面,并且模拟不同的地震观测系统。
正演理论方法
? 建模软件
炮点参数页用于定义震源方 式、子波形态和频率等。
地球物理反演的原理与方法

地球物理反演的原理与方法地球物理反演是一种通过地球物理观测数据来推断地下介质性质和结构的方法,它在地球科学研究、资源勘探和环境监测等领域具有重要的应用价值。
本文将介绍地球物理反演的原理和常用的反演方法。
一、地球物理反演的原理地球物理反演的原理基于地球物理学中的物理规律和数学原理,通过分析和处理地球物理观测数据来推断地下介质属性。
主要涉及的物理量包括地震波传播速度、电磁波传播速度、重力场和磁场等。
1. 地震波原理:地震波是在地震或人工激发下,传播到地下并在介质中传播的波动现象。
地震波的传播速度与地下介质的密度、速度、衰减等有关,通过地震波的观测数据可以反演地下介质的速度结构。
2. 电磁波原理:电磁波是由变化的电场和磁场相互作用产生的波动现象。
地下介质的电磁性质会对电磁波的传播速度和衰减造成影响。
通过电磁波在地下的传播特性,可以反演地下介质的电阻率、磁导率等物理属性。
3. 重力场原理:重力场是由地球引力场和地壳、岩石体积密度变化所引起的。
重力场的测量数据可以反演地下介质的密度分布和构造特征。
4. 磁场原理:地球磁场的强度和方向受到地下岩石体磁性和磁化程度的影响。
通过采集和处理地磁场观测数据,可以反演地下介质的磁性特征。
二、地球物理反演的方法地球物理反演的方法主要包括正问题和反问题。
正问题是在已知地下介质模型的情况下,计算预测地球物理观测数据。
反问题则是根据地球物理观测数据,反推出地下介质模型及其属性。
1. 正问题方法正问题方法是在已知地下介质模型的情况下,通过物理规律和数学计算,推导出对应的地球物理观测数据。
常用的正问题方法有有限差分法、有限元法和射线追迹法等。
这些方法可以模拟地震波、电磁波、重力场和磁场等在地下介质中的传播过程。
2. 反问题方法反问题方法是通过分析和处理地球物理观测数据,推断地下介质的属性。
反问题的核心是求解最优化问题,即通过最小化目标函数来获得最佳的地下介质模型。
常用的反问题方法包括反演算法和数据处理技术。
一、正反演问题的概述解剖

(1)地球物理反演问题的陈述方式:
这是因为,地球物理反问题实质上可 化为微分方程的反问题:微分方程的中 心任务是寻求其定解问题的解,由微分 方程解的某种泛函,来确定方程的系数 、右端或解的定义域。
各种经典场形式上都满足下列偏微分方程(组):
0, Lug(x),
,Willian Menke,College of Oceanography,Oregon State University,ACADEMIC PRESS, INC.,1984
本节课主要讲授: 一、正反演问题的概述(绪论)
主要内容:
․正反演问题一般原理及实例; ․地球物理反演的陈述方式和主要观点; ․对反问题的描述(数学形式、适定性、解及
课程重点
了解并认识地球物理反演理论和方法; 了解地球物理问题和数学物理问题的
内在本质联系;
把地球物理问题变为数学问题,反过
来又学会把解数学问题与地球物理实际 问题有机联系在一起。
课程主要内容:
(1)地球物理反演问题的一般理论,模型空 间,数据空间,零空间,解的存在性、惟一 性、稳定性,适定与不适定问题。 (2)线性反演理论及方法,长度的概念,模 型构制,解的非惟一性,稳定性和结果评价, 参数化模型的最小长度解。 (3)广义线性反演,广义逆矩阵,广义逆的 求解方法。
课程主要内容:
( 4 ) Backus-Gilbert 反 演 理 论 , 连 续 介质反演理论,BG线性评价。 (5)非线性反演方法,非线性问题的 线性化,最优化法,阻尼最小二乘法, 人工神经网络法,遗传算法,多尺度反 演。 (6)典型地球物理反演实例。
主要参考文献
[1]《地球物理反演基本理论与应用方法》,中国地质大学“211”工程 建设重点资助系列教材,姚姚主编,中国地质大学出版社,2002。 [2]《地球物理反演问题》,傅淑芳等编著,地震出版社,1998。 [3]《数字信号分析与处理》,朱光明,李庆春等编著,陕西人民教育 出版社,2003。 [4]《地球物理反演理论》,王家映编著,高等教育出版社,2002。 [5]《反演理论及其应用》,徐果明编著,地震出版社,2003。 [6]《地球物理反演的理论和方法》,杨文采编著,地质出版社,1997。 [7]《地球物理数据分析—离散反演理论》,王光明等译,地质出版社, 1988。 [8]Inverse Problem Theory—methods for data fitting and model parameter estimation, A.Tarantola(中译本,张先康译)。 [9] Geophysical Data Analysis : Discrete Inverse T的问题。
地球物理正反演理论

砂岩储层含10%、50%、100%甲烷时的记录剖面
砂岩储层含10%、50%、100%CO2时的记录剖面
砂岩储层含10%、50%、100%水时的记录剖面
砂岩储层含10%、50%、100%油时的记录剖面
250 200 150 100 50 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
自动控制采集系统
绪 论
大型精密定位系统
大型精密三维定位系统
物理模型
不同裂缝密度模型
油气储层模型
油气储层模型结构示意图
模型材料物理参数
模型材料 水 有机玻璃 砂岩 塑料 厚度 (mm) 20 43 48.4 39.5 纵波速度 Vp(m/s) 1480 2600 2100 2300 密度 ρ (g/cm3) 1 1.2 1.92 1.5 波阻抗 (106kg/sm2) 1.48 3.12 4.032 3.45 反射 系数 +0. 356 +0. 128 -0. 078 孔隙度 (%) 0 0 27.85 0 渗透率 (10 µm2) 0 0 957.85 0
振幅
CH4
CO2
Oil
Water
砂岩储层顶面反射P波振幅与流体饱和度的关系
地震数学模型
按一定的假设条件设计一个地下地质体模 型(包括地质体的几何形态和物性参数), 用计算机计算按一定的方式进行观测时由这 个地质体产生的地震响应。
主要优点:改变模型参数方便,选用计算方法 灵活,模型制作简单。 主要缺点:对实际地质体进行了简化,难以精 确地反映复杂地质体真实的情况。
气 油
水
地质模型
碳酸盐岩 储层三相 流体介质 模型
6000
4000 气 5000 油
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绪 论
z国内外地震物理模型实验室情况
1977年美国休斯敦大学地震声学实验室创建水槽地震物理模型。该实 验室受到美国30家石油公司和地球物理公司的支持和资助,至今仍是美国最 大的地球物理工业联合体之一。 1985年美国埃克森石油公司建立了固体地震物理模型观测系统。 1990至1993年,欧洲共同体勘探研究及发展计划中,特别加强地震物 理模型的研究,强调了“以地震物理模型弥补数值计算的不足。” 国内新星石油公司石油物探研究所(原地矿部)以及同济大学前后在1 985年设计建立了大型水槽自动地震物理模型观测系统。 石油大学于1986年研究成功了固体地震物理模型方法,并且一开始就从 固体地震物理模型方法出发研制了一套大规模、高精度固体地震物理模型设 备。
地球物理正反演理论
目录 •绪论 •正演 •反演
绪 论
绪 论
•早期的地球物理勘探和地球
物理方法从属于地质法:
地质学家预测一个构造,地球物理 学家用原始的勘探技术去验证这一构 造。
绪 论
•60年代获得了二维数字记
录:
使得地球物理学家从野外回到了室 内,为从从数字记录中获得地下结构 的图像开始了精细的的数字处理于解 释的研究。
波动方程
射线追踪
绕射方法
单炮记录
法线入射
垂直入射
射线成像
模拟不同河道砂叠合
绪 论 地质模型与地震响应的关系
模型地震响应 地质模型
BA2295合成记录
Isnotu Basup Basmed Basinf
Laguna Laginf B2X
AC
反射系数
合成道
地震道
火成岩顶 火成岩底
二迭系底
Tg2
X井合成记录标定结果
绪 论
绪 论
相干体发现的曲流河
河道砂体地震正演模型
绪 论
充填相
地震剖面上河道的反映
充填相
绪 论
主河道
地质解释结果 LN 65
河道间沉积
N
决口扇
N
绪 论
三角洲前缘朵叶
ISNOTU砂体平面分布
绪 论
绪 论
绪 论
绪 论
绪 论
绪 论
绪 论
绪 论
绪 论
•正演问题
绪 论
物理模型和数学模型:
自动控制采集系统
绪 论
大型精密定位系统
大型精密三维定位系统
物理模型
不同裂缝密度模型
油气储层模型
油气储层模型结构示意图
模型材料物理参数
模型材料 水 有机玻璃 砂岩 塑料 厚度 (mm) 20 43 48.4 39.5 纵波速度 Vp(m/s) 1480 2600 2100 2300 密度 ρ (g/cm3) 1 1.2 1.92 1.5 波阻抗 (106kg/sm2) 1.48 3.12 4.032 3.45 反射 系数 +0. 356 +0. 128 -0. 078 孔隙度 (%) 0 0 27.85 0 渗透率 (10 µm2) 0 0 957.85 0
振幅
CH4
CO2
Oil
Water
砂岩储层顶面反射P波振幅与流体饱和度的关系
地震数学模型
按一定的假设条件设计一个地下地质体模 型(包括地质体的几何形态和物性参数), 用计算机计算按一定的方式进行观测时由这 个地质体产生的地震响应。
主要优点:改变模型参数方便,选用计算方法 ห้องสมุดไป่ตู้活,模型制作简单。 主要缺点:对实际地质体进行了简化,难以精 确地反映复杂地质体真实的情况。
砂岩储层含10%、50%、100%甲烷时的记录剖面
砂岩储层含10%、50%、100%CO2时的记录剖面
砂岩储层含10%、50%、100%水时的记录剖面
砂岩储层含10%、50%、100%油时的记录剖面
250 200 150 100 50 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
站的发展:
数字处理技术从二维向三维迅速发 展,可以清晰地看清地下结构的图 像,从而完成了从受地质学驱使到驱 动地质学发展的循环。
绪 论
地球物理学家通过使用地球物理的 数据采集技术、数字处理技术和可视 化技术看清三维地下地质构造。
绪 论
地震勘探历程图
绪 论
绪 论
N
层面可视化成果图
绪 论
绪 论
-3
注入到砂岩石储层内流体的物理参数
注入流体 甲烷 二氧化碳 水 柴油 纵波速度 Vp(m/s) 430 259 1480 1385 密度ρ(g/cm3) 0.717×10-3 1.997×10-3 1.0 0.841 波阻抗 (106kg/sm2) 0.308×10-3 0.512×10-3 1.48 1.165
绪 论
绪 论
正演模型 (模拟) 输入 地质模型 处理 模型计算 输出 地震响应
反演模型 (反演)
地震响应 反演计算 地质模型
正演模型基本概念:利用计算机数值模拟方法来 获得已知 地质体的地震响应特征。从而指导地震 资料的构造与岩性解释。
绪 论
z 地震物理模型
用一定的材料,按一定的比例,制造出与实际地质构造在形态、结构和物性 等主要特征相当的物理模型,并在实验室里对该物理模型按一定的模拟 相似比进行模拟地震记录,用以研究地震勘探的野外采集方法技术,地 震资料处理和解释的理论与实际问题的研究。 与数学模型相比,其最大的优点就是地震物理模型模拟结果的真实性,不受 计算方法、假设条件的限制,因而地震物理模型受到国外各石油公司和 大学的普遍重视。 缺点:地震物理模型制作复杂,成本高,修改模型远不如数学模型方便。
气 油
水
地质模型
碳酸盐岩 储层三相 流体介质 模型
6000
4000 气 5000 油
水
6000 速度模型(m/s)
5500
正极性剖面
强振幅 中振幅 弱振幅
气
下凹 强振幅 弱振幅
负极性剖面
油
水 下凹
构造振幅异常和亮点是深海勘探的主要目标
对构造圈闭和构造岩性复合圈闭应用AVO, DHI 技术提高探井成功率 墨西哥湾深水成功率 ~80% 非洲地区深水成功率 ~80% 第三纪地层,砂岩未固结,φ = 30%,k = 达西,砂泥岩波阻抗差大 (class III AVO) 地层圈闭和无AVO, DHI 的构造圈闭仍被认为是风险大的目标,探井成功率低 因为深海钻探费用大, 所以一般不作为勘探目标 (构造简单,圈闭面积大的例外)
KL203
KL201
KL2
KL204
气藏顶部
E
气藏底部
相干数据体平面断层解释
KL203 KL205 KL201 KL2 KL204
下第三系白云岩段顶面构造图
相干数据体技术
T6沿层相干切片
阿拉尔断裂 ш号断层
Ⅶ号断层
沿层相干数据解释切片
ⅤⅢ号断 层
ⅩⅢ号断层
绪 论
•80年代,随着计算机工作