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
感谢观看
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。
地震反演方法概述
地震反演方法概述地震反演是地球物理学中一种重要的方法，它通过分析地震波的传播和干涉现象，来推断地球内部结构和性质的手段。
地震反演方法广泛应用于地球内部结构研究、油气勘探和地震监测等领域。
本文将对几种常见的地震反演方法进行概述，并介绍其原理和应用。
一、层析成像法层析成像法是一种常见且较为简单的地震反演方法。
它基于地震波在地下传播的散射和衍射现象，通过收集地震记录并运用数学模型进行重构，来获得地下结构的图像。
层析成像法通常分为正演和反演两个步骤。
在正演过程中，我们根据地下介质密度、速度等参数，通过数值模拟计算地震波的传播路径和特征。
而在反演过程中，我们则根据实际观测的地震记录，通过优化算法来调整模型参数，以使计算结果与观测结果尽可能匹配。
通过多次迭代，最终得到地下结构的层析图像。
层析成像法在地球物理勘探、地震监测和地质调查中得到了广泛的应用。
它可以提供地下埋藏物、地质构造和油气储层的信息，对于资源勘探和环境灾害预测都具有重要意义。
二、全波形反演法全波形反演法是一种较为复杂但是精确度较高的地震反演方法。
它利用地震波传播的全部信息，即全波形数据，来获取地下介质的详细结构和性质。
全波形反演法需要对地下介质的密度、速度和衰减等参数进行高精度的估计。
全波形反演法的原理是通过对比模拟的地震波与实际观测波形之间的差异，来优化反演模型参数。
反演过程中，我们需要利用正演模拟得到的地震记录与实际观测记录之间的残差进行匹配，从而获取最优的地下介质参数。
全波形反演法在油气勘探、地球内部结构研究和地震灾害监测等方面具有重要应用价值。
它对于解决复杂地下介质中的高分辨率问题以及水下地质灾害预测等领域具有重要意义。
三、统计反演法统计反演法是一种基于概率统计理论的地震反演方法。
它通过对大量地震记录的分析与统计，来获得地下介质的统计属性和模型参数。
统计反演法在解决地球内部介质的不确定性和非均匀性方面具有独特优势。
统计反演法利用统计学的方法，构建许多模型样本，通过与实际观测数据的比较，从而推断地下介质的分布和性质。
理论地球物理学的地震层析成像方法
理论地球物理学的地震层析成像方法引言地震层析成像是一种利用地震数据推断地下结构的方法，它在地球物理学研究中具有重要的理论和实际意义。
理论地球物理学的地震层析成像方法是基于地震波传播理论和信号处理原理，通过对地震数据进行处理和解释，得到地球内部结构的信息。
本文将介绍理论地球物理学的地震层析成像方法的基本原理、算法和应用。
地震波传播理论地震波是地表上发生的地震源产生的机械波动力。
根据波动方向的不同，地震波可分为纵波（P波）和横波（S波）。
P波是一种有压缩和扩张性的波动，其传播速度较快；S波是一种只能沿垂直于波动方向传播且传播速度较慢的波动。
地震波在地下的传播受到地球结构的影响，由此可以推断地球内部的物理性质和结构。
地震层析成像的基本原理地震层析成像方法基于地震波的传播特性，通过对地震波数据的采集和处理，推断出地下结构的信息。
其基本原理是利用地震波的反射、透射、散射等现象，将地震数据的波形分析和解释，定量地反映地下介质的速度、密度和衰减等特性。
地震层析成像算法地震层析成像算法是将地震数据通过一系列的数学和物理方法进行处理和分析，从而得到地下结构的信息。
常用的地震层析成像算法包括正演算法、反演算法、匹配滤波算法等。
正演算法正演算法是一种将地下结构和初始条件作为输入，通过对地震波方程进行求解，得到地震波的传播情况的方法。
常用的正演算法有有限差分法、波动方程正演法等。
反演算法反演算法是将地震数据作为输入，通过对地震波反问题的求解，推断出地下结构的方法。
常用的反演算法有共轭梯度法、正则化反演法、全波形反演等。
匹配滤波算法匹配滤波算法是一种基于地震数据的频率和波形特征进行分析和处理的方法。
它通过与地下结构的响应进行匹配，提取出地下介质的特征信息。
地震层析成像的应用地震层析成像方法在地球物理学的研究和实践中具有广泛的应用。
以下是地震层析成像在不同领域的应用示例。
石油勘探地震层析成像方法在石油勘探中得到广泛应用。
通过分析地震数据，确定石油或天然气藏的位置、形状和分布，指导油气勘探与开发。
地震波真反射层析成像超前预报布置参数优化
地震波真反射层析成像超前预报布置参数优化刘勇锋，马海涛（中国安全生产科学研究院，北京100012）摘要：本文利用地震波真反射层析成像技术对西石门铁矿深部开拓工程进行了超前预报，分析了各种不利因素引起的地震波振幅变化对井巷地质超前预报效果带来的影响，对TRT地质超前预报系统布置参数进行了改进与创新研究，得出了震源、最小偏移距和炮间距最优参数，防止了重大突水事故的发生，为西石门铁矿后期进行的开拓工程提供了可靠的依据。
关键词：地震波超前预报布置参数优化Optimization of Prediction Layout Parameters of Real SeismicTomography ImagingLIU Yong-feng，MA Hai-tao（China Academy of Safety Science & Technology，Beijing 100012）Abstract：By real seismic tomography imaging technique, prediction is made for the deep mine engineering of Xishimen Iron Mine. the influence of seismic wave amplitude variation on prediction accuracy of tunnel geology was investigated. Improvement and innovation research on the layout parameters of TRT system is performed. The optimal parameters of seismic focus, minimal row spacing and shot interval are obtained. The research provides reliable basis for prevention of major water inrush, and the mine development of the iron mine.Key words：seismic wave, prediction, layout parameters, optimization中图分类号：X936文献标识码：A1引言西石门铁矿矿区由于采矿历史较长，矿区长期遭受周围民采矿井的非法盗采。
基于地震波走时信息的层析成像技术研究方法综述
基于地震波走时信息的层析成像技术研究方法综述作者：卢乙峰来源：《北极光》2016年第04期摘要：国际上对地震层析成像的研究始于上世纪70年代末，经过30多年的发展，地震层析成像方法逐渐成熟，并越来越广泛地被运用到地球物理各个领域中。
以地震层析成像方法的发展作为主线，主要介绍了基于地震走时的层析成像方法和所用地震数据的发展。
关键词：地震波；走时层析；成像介质；网格离散化反演20世纪70年代，地球物理学界根据医学CT的思想，利用地震波在地球内部传播的特性对地壳、上地幔结构进行了半定量的研究。
Aki等最先提出利用地震台站记录的波形来反演地球内部结构。
此后，地震层析成像成为了地球物理学研究的一个新领域。
随着计算机技术的进步和观测方法的日新月异，促使人们对地球的内部世界进行不断地探索。
地震波层析成像技术很快成为研究地壳和地幔速度结构的有力手段。
20世纪80年代，随着大规模集成电路的应用，计算机技术得到飞跃发展，二维数据的处理逐渐向三维数据过渡，使地球物理学家们可以“清晰”地了解地球内部的结构。
到20世纪90年代，各国逐渐加大了对地震事业的投入，无论是固定地震台站还是流动台站都有所增加，于是，以天然地震数据为主、人工地震数据为补充的各种地震层析成像方法如雨后春笋般出现，无论是在防震减灾还是地球物理勘探等领域都得到试验性研究并取得了明显进展。
因此，这种能以图像的方式直观反映地下物质结构属性的地震层析成像方法一出现即受到青睐，并极大地促进了人们对地球结构的认识和对动力学意义的探索历程，例如充分利用面波资料中的丰富信息，人们可以得到地壳、上地幔的精细结构，并指出全球介质速度异常不仅与地盾、大洋中脊、活动构造有关，还与海底年龄、热点分布有关。
地震层析成像技术的飞速发展使得利用地幔热动力模型来探讨地球岩石圈构造，尤其是地幔的非均匀结构成为现实，为人们提供探测地球内部“秘密”的强有力工具。
1基于地震波层析成像技术的简介地震层析成像计算流程主要包括模型参数化、正演、反演3个步骤，以下是以这3个步骤介绍地震层析成像方法。
地震层析成像研究方法综述
和对动力学意义的探索历程 ， 例如充分利用面波资料中的丰富信息 ， 人们 可以得到地壳、 上地
幔 的精 细结 构 ， 指 出全 球介 质 速 度异 常 不仅 与地 盾 、 并 大洋 中脊 、 活动 构 造 有关 ， 与 海底 年 还
龄、 热点分布有关 。地震层析成像技术的飞速发展使得利用地幔热动力模型来探讨地球岩石 ３２ １ 内陆地
震
２ ５卷
１ １ １ 模 型参数 化 ．．
地震层析成像的目的是得到地球内部的三维精细结构 ， 而层析成像 的结果 目前主要是通
过对 初始模 型进 行多 次迭 代得到 的 。鉴 于初始 模型 与真 实地下 结构 的相似度 直 接关系 到成 像 的结果 能否客 观地反 应地 下物质 的属性 ， 因此 ， 初始 模型 的选择 显得 尤为重 要 。 模 型参数 化有 ２种方 法 ， 一种 是全 球法 ， 这种方 法用 的参数 较少 ， 型紧凑且 便于 计算 ， 模 缺 点 在于 对局部小 尺 度 地 区成 像 时分 辨 率 相 对 较 低 ＿ 。另 一 种 是 局 部 法 ， 括 块 体 和 网格 节 ３ ｊ 包 点， ２种方式 ， ｋ ａｄＬｅ 次提 出用均 匀 的六面体 来表示 初始模 型 ， Ａ ｉ ｎ ｅ 首 并给 出 了详 细 的算法 ， 六
以这 ４个 步骤介 绍地震 层析 成像 方法 的发展 。
收 稿 日期 ：０ １ ５１ 修 回 日期 ：０ １ ９ ７ ２ １－ — ０ ９： ２１－ － ． ００ 作者简介 ： 罗炬（ ９ １～）男 ，兰州地震研究所在读硕士 ， １８ ， 研究方 向是地震层析成像．Ｅ ｍ ｉ ｌｏ ８ ＠ｓ ａｃｒ －ａ ： ｊ ２ ｉ ．ｏ ｌｕｕ ｎ ｎ
面体的中心速度表示其整体速度 ， 这种方法称为分块法 ， 也叫块体法 。Ｒ ｅｋｒ １ ｏｃｅ 随后提出用 Ｊ 多个尺度不同的六面体来描述模型空间， 即为可变块体法 ， 但这类方法仍然不能较好地表示模
地震层析成像概论
《地震层析成像概论》大作业张义蜜，2012260301272016-01-04目录1简述用于地震走时成像方法中的射线追踪算法及原理。
(1)1.1打靶法 (1)1.1.1近(旁)轴射线追踪 (1)1.1.2完全非线性打靶算法 (2)1.2弯曲(调整)法 (2)1.2.1伪弯曲法 (3)1.2.2其它弯曲算法 (3)1.3基于网格(节点)波前扩展的算法 (4)1.3.1快速行进法(FastMarchingMethod) (5)1.3.2最短路径算法 (6)1.3.3改进型最短路径算法 (8)1.4多次反射与透射波射线追踪 (9)1.4.1分区多步快速行进法(MultistageFMM) (9)1.4.2分区多步不规则最短路径算法(MultstageISPM) (10)1.5球坐标系中MultistageISPM算法原理 (10)1.6多值波前(射线)追踪 (12)2简述用于地震走时成像方法中的反演算法及原理。
(13)2.1反向投影算法 (13)2.1.1代数重建技术(ART) (13)2.1.2同时迭代重建技术(SIRT) (14)2.2梯度法 (14)2.2.1最速下降法 (14)2.2.2高斯-牛顿法 (15)2.2.3阻尼最小二乘法 (15)2.2.4共轭梯度(CG)法 (16)2.3全局最优化法 (16)2.3.1蒙特卡罗(MonteCarlo)方法 (16)2.3.2遗传(GeneticMethod)方法 (17)2.3.3模拟退火(SimulatedAnnealing)法 (17)3简述用于地方震走时成像方法中的炮检排列（作图）、基本步骤、以及最终目的 (18)3.1炮检排列 (18)3.2基本步骤 (18)3.3最终目的 (18)4如何进行反演解的评价，解得评价在地震成像中的意义如何？ (19)4.1分辨率和协方差矩阵 (19)4.2合成实验 (21)5简述采用L1和L2范数下的反演目标函数各自的优缺点，是否可以采用L1/L2范数混合下的反演目标函数，简述如何实现这一混合的反演目标函数。
(第九讲)地震层析成象
Si
其中 S i 表示小区域 Si 之面积， 向量 f f1 , f 2 ,..., f I T被称为图像向量。
三、地震走时层析成像算法
3．1离散图像重建
设射线 Li 与小区域 S i 相交部分之长度为 a ji ，根据 Radon变换，函数 f 沿射线 Li 的投影函数为
j f
二、地震层析成像方法面临的主要问题
2.4地震反演解的可靠性问题 由于震源和检波器位臵分布及连续问题的离散化 , 地震层析成像反演将遇到方程的不适定问题 . 若方 程组是欠定的 , 解可能不存在 , 或者没有唯一解 . 当条件数很大时 , 反演问题将是不稳定的 , 所用算 法也可能不稳定 . 若方程是超定的 , 说明方程组中 的一个或几个方程是其它方程的线性组合 , 或者所 有的方程中某些变量是其它变量的同一线性组合 , 这两种情况都得不出唯一解 ( 杨文采 , 1 997; 刘福 田 , 1989) .
Af τ
三、地震走时层析成像算法
3．2重建算法 方程组（ 3 ）中的系数矩阵 A 是极其稀疏的，因为它 的每一行有 J 各元素，而每条地震波只通过所有 I 个 像元中的一小部分，因此矩阵A中的大部分元素为零。 根据系数矩阵稀疏的特点，对方程组（3）多采用迭 代方法求解。
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球构造研究，并公布了全球三 维速度结构。从而使人们对重力场变化、密度结构、 地幔物质流动有了新的认识。
地震波速层析成像方法研究进展
第84卷 第6期2010年6月地 质 学 报 ACT A GEOLOGICA SINICAV ol.84 N o.6June 2010注:本文为国家自然科学基金项目(编号40774051,40404011)、中国地质科学院地质研究所基本科研业务费(编号J0707,J0803)、科技部中美国际合作项目(编号2006DFA21340)和国家专项 深部探测技术与实验研究 (编号SinoProbe 02)资助的成果。
收稿日期:2009 07 05;改回日期:2010 01 20;责任编辑:章雨旭。
作者简介:贺日政,男,1973年生。
博士,副研究员,主要从事利用天然地震波探测青藏高原深部结构与构造研究。
Em ail:herizheng@ 。
地震波速层析成像方法研究进展贺日政,高锐,郑洪伟,管烨,李秋生,李文辉,熊小松,邓攻中国地质科学院地质研究所,北京,100037内容提要:本文回顾了利用天然地震观测获取地下速度结构的方法。
尽管有不同的新方法涌现,天然地震波速层析成像方法,尤其是多震相联合反演的格点层析成像方法,是当今使用广泛使用的层析成像方法之一,是对地球内部成像的最有效方式。
波速层析成像方法的未来发展首先是提高第一手的观测资料,即增加接收地震波信息的地震台站分布密度;同时,通过多种地球物理方法联合反演相互约束可以给出较为严格的地球物理模型,并来降低了地球物理反演和解译的多解性,这是地球物理探测研究的趋势,也是天然地震波速层析成像方法的研究趋势。
关键词:地震波;速度;层析成像方法;研究进展经过近30多年的快速发展,地震学已成为研究地球内部结构的主要手段,是深部地球物理探测技术中首选技术。
天然地震波的非凡穿透能力,同时地震波包含着其传播过程中所穿越地球内部结构的丰富信息,使得天然地震学研究是当今地球内部结构的主要方法技术之一。
地震波速度成像技术常见有三种,即波形拟合反演,接收函数方法,地震波层析成像。
波形拟合:自Woo dhouse and Dziew o nski (1984)首先利用波形拟合方法分析了全球数字化台站数据后,波形拟合方法得到了广泛运用(Chen,1993;Song and H elmberg er,1992,1998;M inkoff and Sym es,1997;Pratt,1999;黄建平等,2009)。
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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]。