陆地地震数据的全波形反演调查

背景

由于近地表模型的复杂性和强噪声，陆地测量的速度模型建立和成像尤其具有挑战性。陆上地震数据是在一个非平坦的基准面(地形)上获得的，这就引入了震源和接收器之间的高程差异。此外，风化层可以产生复杂的弹性波，它被定义为位于或接近地表的一层，可能是低地震速度的非均质松散物质。在垂直分量检波器上记录的纵波也记录了被称为地滚的不需要的表面波。解析近地表速度模型是陆地成像的关键步骤，传统上是通过折射层析成像和静力学来解决的。

为什么 FWI 在海洋数据是成功的？

FWI的早期应用主要是在海洋数据中进行的，因为海洋塔-拖缆数据是声学数据，在低频时提供高信噪比数据，这对于FWI克服对启动速度场的敏感性并产生可靠结果至关重要。然而，在陆地地震数据的应用中，低频信息的缺乏仍然是FWI面临的主要挑战。传统的FWI建立的低频速度模型是基于射线的层析成像，它可以给出宏观速度作为深部的初始速度模型，或者在地下结构简单的情况下，给出常规速度分析从时间到深度的速度模型，然而，这些方法在复杂情况起不到什么作用。
陆地数据的挑战主要包括近地表模型的复杂性和强噪声和反演浅层时面临的地滚波去除挑战。

解决方案一：噪声影响振幅，最大限度地减少幅度的影响

参考文献：Sheng J, Reta-Tang C, Liu F, et al. Full-waveform inversion and FWI imaging for land data[C]//Second International Meeting for Applied Geoscience & Energy. Society of Exploration Geophysicists and American Association of Petroleum Geologists, 2022: 827-831.
这篇文章设计了一个包含动态匹配全波形反演(DMFWI)的陆地地震数据模型构建工作流。DMFWI采用了一个目标函数，该函数使用了多维局部相互关联，从而最大限度地减少了幅度的影响，即使在存在强噪声的情况下也能给出可靠的结果。
这篇文章还探索了全波形反演(FWI)成像，并利用高分辨率的FWI速度模型来估计反射率。FWI图像显示了增强的特征，并为低信噪比的陆地数据集提供了替代图像。

解决方案二：面波和体波一起反演

参考文献：Application of 2D full-waveform inversion on exploration land data. Dmitry Borisov, Fuchun Gao, Paul Williamson, and Jeroen Tromp. GEOPHYSICS 2020 85:2, R75-R86
在陆上勘探地震学中通常获得的活动源陆上数据集，最大偏移限制为 2 公里，最低可用频率为 12 Hz。在这种情况下，表面波通常被视为噪声，并作为数据处理的一部分被移除。
与传统方法相比，这篇文章的工作流程从反演表面波开始，以约束横波速度模型的浅层部分。为了减少周期跳跃，使用了频率和偏移延续方法。为了准确考虑自由表面效应（和不规则地形），使用基于光谱元素的波传播求解器进行正演建模。为了减小振幅影响，在反演过程中将归一化互相关（NC）目标函数与源小波的系统更新结合使用。随着反演的进行，体波逐渐融入到过程中。在最后阶段，表面波和体波在5至15 Hz之间的频带上使用整个偏移范围一起反演。

应用于陆地地震数据的全波反演实况检查，用于近地表建模

参考文献: A reality check on full-wave inversion applied to land seismic data for near-surface modeling Öz Yilmaz, Kai Gao, Milos Delic, Jianghai Xia, Lianjie Huang, Hossein Jodeiri, and Andre Pugin. The Leading Edge 2022 41:1, 40-46

这篇文章使用浅层地震现场实验的数据评估了旅行时层析成像和全波反演（FWI）用于近地表建模的性能。为了验证地震反演估算的P波速度-深度模型的准确性，沿地震线导线已钻探了8个深度达20米的钻孔。通过行程时间层析成像估计的土柱速度-深度模型与钻孔数据吻合较好。

然后使用旅行时间断层扫描模型作为初始模型并进行了FWI。然而，全波形声学和弹性反演未能收敛到速度 - 深度模型，理想情况下应该是通过旅行时间断层扫描估计的模型的高分辨率版本。此外，估计模型与钻孔数据之间存在显著差异，可以理解为什么全波声学反演会失败。

防止捕获在局部最小值中的垂直分量地震检波器数据的全波弹性反演导致物理上不可信的近地表模型的策略可以是级联反演。具体而言，这篇文章执行走时层析成像来估计近地表的P波速度-深度模型，并执行瑞利波反演来估计近表面的S波速度-厚度模型，然后使用所得到的模型对作为后续全波弹性反演的初始模型。尽管如此，弹性波反演产生的近地表解仍然与钻孔数据不一致。

结论：
(1) 地震波振幅比走时更容易产生噪声。在旅行时间断层扫描的情况下，您有机会编辑从炮点采集的首次到达旅行时间——丢弃一些并更正一些——这样旅行时间集输入到反演完全在您的控制范围内。相反，你没有同样的机会在波幅上进行类似处理。事实上，任何旨在去除记录数据的非信号内容的信号处理都不可避免地会导致振幅失真。此外，作为FWI工作流程的关键组成部分，无需详细说明记录的陆地地震数据的波场建模所需的源小波的估计问题。

(2) 为了满足输入炮检集近似表示声波场的要求，您可能希望使用记录数据的早期部分，该部分可以被视为限制在近地表区域的地震波的表示。如前所述，与垂直撞击源相关的辐射能量由瑞利型表面波和P-P、S-S、P-S和S-P波模式的混合波组成，垂直撞击源应用于速度非常低的近地表，静校正非常重要。仅此一点就不符合用于近地表建模的陆地地震数据的声波反演。

(3) 因为第一次到达可以安全地假设为仅P波，所以应用于第一次到达时间的旅行时间断层扫描产生了一个近地表模型，该模型可以被宣布为地面实况的近似表示。土柱的地震模型与钻孔数据的比较支持了这一说法。

(4) 可以被视为基本P波的早期到达波比瑞利型表面波弱得多。因此，全波弹性反演依赖于弱振幅P波和强振幅S波。因此，弹性反演的大部分好处与S波速度估计有关，而声学反演和弹性反演与P波速度估计之间的差异很小。此外，与地下不同，近表面在性质上可能是高度不均匀的、强烈各向异性的、高度衰减的，甚至是多孔弹性的。因此，如果不考虑近地表的这些特征，全波弹性反演甚至是徒劳的。

(5) 我们需要使用一种反演方法，这种方法是由我们试图反演的现场数据的性质所保证的。具体而言，与走时层析成像的稳健性不同，在大多数情况下，用于近地表建模的大多数陆地地震数据（由垂直冲击源和垂直分量检波器获取）的FWI对波幅和反演参数化非常敏感。

(6) 近地表内的P波和S波速度变化可能存在显著差异。页岩、砂岩和碳酸盐岩的大多数地下沉积岩的P波与S波速度比在1.6至1.9的范围内，而上部近地表的P波和S波速度比可高达10或更多。此外，近表面S波速度场不一定是近表面P波速度场的缩放版本。这意味着，全波弹性反演所需的近地表初始P波和S波速度-深度模型必须独立估计。具体而言，我们可以执行走时层析成像来估计近地表的P波速度-深度模型，并执行瑞利波反演来估计近表面的S波速度-厚度模型，然后使用由此产生的模型对作为后续全波弹性反演的初始模型。遗憾的是，我们还需要一个密度的初始模型。我们可能不情愿地假设具有垂直梯度的近表面的横向恒定密度。在与初始模型参数相关的这些情况下，应用于垂直分量地震数据的全波弹性反演可能是一项艰巨的工作，尤其是如果你只想估计近地表的P波速度-深度模型。

(7) 如果你的目标是估计近地表的P波和S波速度深度模型，那么最终现实的策略是获取多分量数据——至少有两个分量：使用垂直分量地震检波器记录的V-V分量和垂直冲击源，以及使用横向水平分量检波器和横向水平源记录的SH-SH分量。从V-V分量提取的第一到达时间的走时反演产生近地表的P波速度-深度模型，从SH-SH分量提取的第二到达时间的时程反演产生近表层的S波速度-厚度模型。因为从V-V分量拾取的第一到达时间与未被任何其它波模式污染的P波相关联，并且从SH-SH分量拾取的第二到达时间与没有被任何其它波模污染的S波相关联，近地表的估计P波和S波速度-深度模型不受与全波声学和弹性反演相关的不确定性的影响。

(8) 近地表的一个经常被忽视的方面是，近地表P波速度可以与空气中的声波一样低，表层土甚至更低，S波速度可以低至100 m/S甚至更低。这种低速度导致FWI方案的严重稳定性问题。

(9) 这里介绍的野外实验是使用工程地震学规模的记录几何结构进行的——发射和接收间隔均为2米。而用勘探地震学尺度记录的地震波场的空间采样通常要大得多。因此，无论反演类型如何，可以解决的横向速度变化都受到记录波场的空间采样的限制。

(10) 最后，请始终记住，没有一种方法能够解决残差静力学范围内的极短波长近地表速度变化（Yilmaz，2021）。因此，无论你用什么方法进行近地表建模来计算炮检器静校正，你都必须随后估计并将残余静校正应用于陆地地震数据——这是陆地地震数据分析中最不可或缺的一步，没有什么可以替代它。文章来源地址https://uudwc.com/A/aYD9y