海底电缆多波多分量三维多尺度时间域全波形反演研究

It needs a full-azimuth and large offset seismic data for full waveform inversion, and the 3D ocean bottom cable(OBC) survey system quietly meets the requirement. However, the OBC survey system with intensive source and wide distribution detector will lead to heavy calculation, large required memory, and the low computational efficiency. In addtion, full waveform inversion itself has the non-uniqueness. These key factors restricte the development of the 3D OBC multi-wave and multi-component full waveform inversion from theory to application. To solve this problem, this project proposes a multi-scale method for 3D time-domain full waveform inversion based on domain decomposition. Use distributed memory which based on MPI parallel platform to solve insufficient memory, and at the same time to improve computational efficiency. Adopt appropriate low-pass filter for filtering the time-domain wavefiled. By constantly improving the low-pass cutoff frequency for time-domain multiscale inversion from low-frequency inversion band to high-frequency inversion band to reduce the non-uniqueness of the solution. Through numerical tests on the theoretical model, we analysis the effect of the different OBC multi-wave and multi-component data and multi-source parameters on 3D OBC full waveform inversion, which can provide theoretical method and technology support to realize 3D OBC multi-wave and multi-component full waveform inversion for our country.

全波形反演要求提供全方位角、大偏移距的地震数据，而三维海底电缆（OBC）观测系统具有天然适应这一要求的特点。三维OBC采集系统中震源密集、检波器分布广，且全波形反演自身存在多解性，因此计算任务重、内存需求大、计算效率低及反演的不稳定性是制约三维OBC多波多分量全波形反演由理论转化为应用的关键因素。针对这一问题，本项目提出了基于区域分解的三维多尺度时间域全波形反演方法。采用基于MPI并行平台的分布式内存技术解决内存不足，同时提高计算效率；采用合适的滤波器对时间域波场进行滤波，从低频带到高频带依次反演实现时间域多尺度反演，以减少解的非唯一性；通过理论模型的合成记录，研究分析不同的海底OBC多波多分量数据对海底速度反演结果的影响以及多震源混合激发参数对三维OBC全波形反演的影响，为我国三维OBC多波多分量全波形反演的实现提供理论方法与技术支持。

全波形反演要求提供全方位角、大偏移距的地震数据，而三维海底电缆（OBC）观测系统具有天然适应这一要求的特点。三维OBC采集系统中震源密集、检波器分布广，且全波形反演自身存在多解性，因此计算任务重、内存需求大、计算效率低及反演的不稳定性是制约三维OBC多波多分量全波形反演由理论转化为应用的关键因素。本项目开展了三维并行正演模拟、时间域共轭梯度全波形反演、基于滤波器实现多尺度反演、基于边界存储的波场重建和多波多分量联合反演及多震源分离研究五个方面的研究。.基于以上研究内容，本项目开发了一套完整的基于区域分解的三维多尺度时间域全波形反演方法。首先实现了从空间X、Y和Z三个方向同时并行的三维任意偶阶空间精度的正演模拟并行算法，计算过程中可任意选择空间并行计算方向以及并行计算的进程个数；其次提出了采用巴特沃斯自相关滤波器对地震数据进行分频反演。从低频到高频依次反演，每个反演频段根据正演模拟精度采用合适的空间步长和时间步长，尽可能的压缩计算时间；考虑到不同频段反演时采用的空间步长不是简单的倍数关系，通过引入三次卷积插值技术来实现不同频段之间的插值；提出了采用非分裂完全匹配层（CFS-NPML）有效边界存储策略进行正演波场重建来实现时间域全波形反演，CFS-NPML所需变量个数少，在边界吸收层网格点较少时吸收效果要优于常规PML边界条件，波场重建过程中所需存储量要少于常规PML边界条件；对比分析了不同的分量对反演不同参数时的影响，提出海底OBC多分量反演策略：即首先采用Vx分量和Vz分量联合反演速度，不反演密度。然后再将反演得到的纵横波速度以及初始密度作为新的初始模型，再同时进行纵横波速度以及密度的反演；提出了基于迭代的多级中值滤波去噪法进行混合数据的分离。多震源混合数据直接应用到全波形反演中，与常规地震数据反演比较，反演结果存在由混合震源导致的相干噪音。