(第七讲)正演模拟技术全解
地震模型正演
地震模型正演与反演简介一、地震模型正演（seismic forward modeling）的概念如果我们已知地下的地质模型，它的地震响应如何？地震模型正演就是通过室内模拟得到地质模型对于地震波的响应。
地震模型正演包括物理模拟和数值模拟，数值模拟就是应用相应的地球物理方程和数值计算求解已知的地质模型在假定激发源的作用下的地震相应。
通常，我们针对特定的勘探区块，应用期望或实际的采集参数通过地震正演模拟野外地震采集，得到单炮记录，再通过速度分析、动校正、叠加、偏移等处理得到成像数据。
图1为Marmousi速度模型，图2为正演得到的炮集记录，图3为正演得到的叠加剖面。
图1 Marmousi模型图2正演炮集图3 正演叠加剖面二、数值模型正演方法通常，我们提到的模型正演为数值模拟的模型正演，目前常用的数值模拟地震模型正演方法包括基于射线原理的射线追踪法，以及基于波动方程的有限差分法、有限元法、积分方程法、快速傅里叶变换法和拟谱法等。
射线追踪法主要反映地震波的运动学特征，有限差分、有限元法则适合复杂地质构造的正演模拟，积分方程法涉及复杂的数学推导，快速傅里叶变换法在频率域计算得到正演数据。
三、数值模型正演的步骤数值模拟求解地震模型正演问题的步骤主要包括以下三个方面：1) 地质建模，根据研究对象和问题建立地球物理或地质模型；2) 数学建模，根据应用的物理手段和地球物理模型建立相应的数学模型；3) 模拟计算，选择正演计算方法，编写计算程序进行数值模拟计算。
四、什么是地震反演地震反演技术就是充分利用测井、钻井、地质资料提供的丰富的构造、层位、岩性等信息，从常规的地震剖面推导出地下地层的波阻抗、密度、速度、孔隙度、渗透率、沙泥岩百分比、压力等地球物理信息。
反演就是由地震数据得到地质模型，进行储层、油藏研究。
地震资料反演可分为两部分：1）通过有井(绝对)、无井（相对）波阻抗反演得到波阻抗、速度数据体。
2）利用测井、测试资料结合波阻抗、速度数据进行岩性反演，得到孔隙度、渗透率、砂泥百分比、压力等物理数据。
Tesseral 2D正演模拟培训讲义
图28 6）．在计算时浏览器则启动监视该处理使你能够通过显示的图形，看到当前计 算的进度。监视时，你可以看到随着计算而增长的炮集记录和波场快照（图 29）。可以通过改变窗口的大小和点击 调出均衡、增益、平滑处理窗口来 控制显示效果。（图 30）
图29
14
图30
7）．画图监视需要大量的时间，影响计算速度。如果你不需要图形监视，可采
4．调节满意后，可以存储该模型更换上一个模型。
图18 （四）定义观测系统 1．定义震源参数，在工具条上点击
Framework 按钮，出现对话框（图 19） 。
图19
9
点击 Source 按钮，出现震源定义会话框，首先定义放炮方式，该表中共有三方 式可选 Point 是最常用的模式，即对应于野外生产中的逐点放炮方式（图 20） 。
图13 8．输入岩性符号 在要输入岩性符号的多边形上击右键，出现的下拉菜单中选 Edit Polygon 点击左 键，出现参数表，在左下方点 Loal 点击后出现许多岩性符号，点中要选的岩性 符号则出现在 Load 上方的白板上，然后点ＯＫ则在该多边形中加入了这种岩性 符号，用此方法可逐一加入每个多边形的岩性符号（图 14） 。
从一个 bmp 文件建立一个模型并进行全波场模拟: （一）粘贴一个 bmp 文件 1、给一个深度比例尺的速度—深度模型图在画图软件中把模型的比例尺和 范围做准，并输出一个 bmp 格式文件备用。 2、在工具条上点击 打开 Tesseral 主界面（图 1） ，并填写正确的顶、底、 左、右坐标，并在 Surface 组参数中选“Invisible”不可见地表 ，如果是 地震(声波)波场模拟，地表一定不能出现。 “Invisible”表示上行波将不再 向下反射回到该模型按“确定”后，在删掉跳出的物理参数填写表后， 出现一个空白的坐标网格图（图 2） 。
Tesseral 培训讲义1-概述
精选课件
2
目录
➢ 概述 ➢ 建立一个新模型（第一部分） ➢➢编B辑UI一LD个IN模G A型N（EW第M二O部DE分L ） ➢➢➢运ER行DUIN计TNIN算INGG器AC（MOOM第DPE三ULT部AT分IO）N ➢➢浏V览IE计WI算NG成C果OM（PU第TA四TI部ON分R）ESULT ➢➢处P理RO模C块ES（SIN第G五BL部OC分K）
精选课件
6
北京安久吉利科贸有限公司是Tesseral技术有限公司产品Tesseral 2-D 在中国的独家代理。
通讯地址：北京海淀区北三环中路39号418精室选，课邮件编：100088，电话：（010）62374349， 7 传真：（010）62374349，E-mail:ise” 加白噪
6. Random shift 加随机时移
7. Smoothing 平滑
8. T精im选课e 件shift 整体时移
21
处理软件包：
可以处理在Tesseral 软件包里生成的合成炮集记录，包括速度分析， CMP抽道，DMO叠加以及叠前、叠后时间偏移和叠前、叠后深度偏移。 它也可以非常方便地对复杂介质估固算AVO效应。
TESSERAL 的特色 各向异性介质模拟,也说明了各向异性介质对偏移精度的影响
对于克希霍夫偏移在生成合成记录的同时，也计算时间场。
时间场考虑了所有的波场效应，即在弹性介质中波的传播
特征。对于一个带有TTI各向异性介质的模型，时间场等时 线的弯曲特征，与各向异性介质的位置相对应。所以时间 场的特征，代表了TTI各向异性介质的影响。
精选课件
19
浏览器：
可以采用适当的方式,浏览由计算引擎计算的合成地震记录和波场传播的快照。并输出计算 结果，以便在Tesseral 软件包中，或以外的其他系统，进行后续处理。它也可以非常方便 地对比不同的波场分量,改变信号的振幅值等。 解释人员可以：
电法正反演方法和软件使用介绍
结果评估与改进
对计算结果进行评估和改进，以提高正反演的准 确性和稳定性。
THANKS
感谢您的观看
04
正演方法和反演方法各有优缺点，在实际应用中需要结合使用，相互 验证和补充。
02
电法正演方法详解
线性正演方法
线性正演方法是一种基于线性偏微分方程的数值模拟方法，通过将地下介质视为线性体，将地下电场 分布表示为各向异性或各向同性介质中电流分布的线性组合。这种方法适用于简单地质结构和均匀介 质条件，计算速度快，但精度相对较低。
非线性反演方法的优点是能够处理非线性问题和复杂结构的情况，具有更高的反演精度和可靠性。但是， 它计算量大、速度慢，需要更多的计算资源和时间。
反演方法的优缺点
线性反演方法的优点是计算简单、速度快，适用于大规模数据反演。但是，它对初始模型和 噪声敏感，容易陷入局部最优解，无法处理非均匀介质和复杂结构的情况。
参数选择
根据实际情况选择合适的参数，如网格大小、迭 代次数等，以保证计算结果的准确性和稳定性。
3
结果后处理
对计算结果进行后处理，如数据可视化、结果分 析等，以便更好地理解和应用结果。
误差分析和质量控制
误差来源分析
分析计算结果的误差来源，如数据采集误差、模 型误差等，以便采取相应的措施减小误差。
质量控制方法
04
电法正反演软件介
绍
主要电法正反演软件
FDEM Pro
一款功能强大的电法正反演软 件，适用于多种电法勘探方法
。
EIDORS
专门用于电法图像处理和反演 的软件，具有图像增强、正演 模拟等功能。
Elest
全波场正演模拟技术在ZBTD区块的应用与分析
间物理 特 征 的 差 别 计 算 在 内。各 向 异 性 特 征 值 用
Ｔ ｏ ｓｎ 参数 ｅ ｄ 义。另外可以确定三 个裂缝 系 ｈｍｐｏ＇ ｓ 和 定 统 。它的计算时间 比弹性 波计算 波 的传播 时 问长 三倍
Ｔｓｅａ ２ ｅｓｒｌ 一Ｄ计算 引擎提供 了 ５种波动方 程有 限
较多的时间， 但是仍然比弹性方程快 。声波和垂直波传播
两种公式都仅用纵波速度和介质密度特性参数 。 ４ 弹性介质模拟 一一允许 用户精 确地、 ） 一致地模拟 在固体介质中 ２ Ｄ地震能量的传播。包括适于地质介质的
全波场效应， 如转换波和横波。它不仅考虑纵波速度和密 度的分布也要求知道 （ 至少估计 ） 对应的横波速度。计算
丁 茜 ， 白文 ， 荣 杰 朱 胡
（ 中国石化 江汉油 田分公 司物探研 究院 ， 湖北 武 汉 ４０３ ） ３０ ５ ［ 摘 要］ 在复杂地表条件下的地震资料处理 中， 正确识 别和应用各种波非常重要。应 用全波场正演模拟技术 ， 以 可 在地震资料处理 中数值模拟实际资料的理论模 型， 而分析各种波在地层 中的传播规律 ， 从 利用渡场快照识别有效波和 干扰波。全波场正演模拟可将看不到， 摸不着的波场 ， 象地展现 出来， 形 有助于观察地质结构与地震反射 同相轴之 间
差分数值解的算法 ：
’
ｌ 引言
随着油气勘探的不 断深入 ， 复杂地表地质 条件下 的 勘探越来越受到各勘探公司的关注。Ｚ Ｔ Ｂ Ｄ工 区内的地
１ ）垂直波场传播 一一对垂直 １ 一Ｄ传播 的地震波快 速计算地震反射波 的传播 时间和振幅。这样 的假设不考 虑在 ２ Ｄ模型剖面上地震能量的衰减 。
２ 标量介质模 拟 一 一仅 用 Ｐ波速度 ， ） 是模 拟 ２ 一Ｄ
VSP的正演模型
VSP 的正演模型地球物理勘探中有两类问题，一类是正问题，一类是反问题。
一般来说，正问题即已知场源和介质的地球物理参数分布（包括地质形态和岩石物性）求地球物理场的空间分布和时间变化（地球物理相应），反问题即已知地球物理场的空间分布和时间变化求场源和介质的地球物理参数分布。
VSP 作为一种地球物理勘探方法也有两类问题。
正问题，即已知震源的激发特征，井和震源及接受点之间的几何布置，井旁地层和岩性的分布，求垂直排列上地震波的运动学和动力学响应；反问题，即已知垂直排列上的波场响应，求井旁构造形态和地层岩性特征。
VSP 的直接目的也是解反问题。
VSP 的正演模型总的说来，有以下几方面的用处：（1）对VSP 的波场特征进行理论研究；（2）指导VSP 野外数据采集的工作设计，作为野外数据采集现场质量控制的依据；（3）作为VSP 资料处理中必不可少的环节；（4）帮助VSP 资料解释。
VSP 正演模型的算法，和其它地球物理正演模型一样，有解析算法和数值算法两种。
解析算法精确，严格，但只适用于比较简单的模型，数值算法不够精确，只是前者不同程度的近似，但适用于较为复杂的模型。
VSP 模型算法的种类按照不同原则有多种分类方法。
例如，以射线理论为基础的模型和以波动方程为基础的模型，声学介质模型和弹性介质模型，平面介质模型和曲面介质模型，一维模型、二维模型和三维模型等。
第一节 一维VSP 合成记录一维VSP 合成记录和地面常规一维合成地面记录的区别在于：前者计算多个不同深度点上的合成地震记录，后者只计算地面Z=0点上的合成地震记录，前者既包括上行波也包括下行波，后者只包括上行波。
1、SVSP 方法（合成垂直地震剖面）1）、反射系数和透射系数当波入射到一个分界面上时，波的能量一部分反射，一部分透射。
定义反射波振幅和入射波振幅的比值为反射系数，透射波振幅和入射波的振幅的比值为透射系数。
入射到界面上的波可看成是位移波，也可看成是压力波；入射到界面上时，可以从界面上方入射，也可从界面下方入射，因而计算反射系数和透射系数有四种不同的情况。
二维地震正演模拟方法技术研究
二维地震正演模拟方法技术研究一、本文概述随着地球物理学的深入发展和油气勘探的不断推进，二维地震正演模拟方法技术在地震勘探领域的应用越来越广泛。
该技术通过模拟地震波在地下介质中的传播过程，为地震资料解释、储层预测和油气勘探提供重要的理论支撑和实践指导。
本文旨在深入研究二维地震正演模拟方法技术，探讨其基本原理、发展历程以及当前的研究热点和难点，为进一步提高地震勘探的精度和效率提供理论支持和技术保障。
本文将对二维地震正演模拟方法技术的基本概念进行阐述，包括其定义、特点以及应用领域等。
接着，回顾二维地震正演模拟方法技术的发展历程，分析其在不同阶段的主要特点和优缺点。
在此基础上，重点探讨当前二维地震正演模拟方法技术面临的主要挑战和难点，如复杂地质条件下的模拟精度问题、大规模计算的效率问题等。
针对这些挑战和难点，本文将进一步分析现有的解决方案和发展趋势，如基于高性能计算的并行化技术、基于人工智能的反演方法等。
同时，结合具体的应用案例，分析二维地震正演模拟方法技术在油气勘探、矿产资源调查等领域的实际应用效果，以验证其有效性和可靠性。
本文将对二维地震正演模拟方法技术的未来发展进行展望，提出可能的研究方向和应用前景。
通过本文的研究，旨在为推动二维地震正演模拟方法技术的发展和应用提供有益的参考和借鉴。
二、二维地震正演模拟理论基础二维地震正演模拟是地球物理学中一种重要的方法，其理论基础主要基于波动方程和地震波的传播原理。
在二维空间中，地震波的传播受到介质速度、密度、弹性等因素的影响，这些因素决定了波场的空间分布和时间变化。
理解和应用波动方程是二维地震正演模拟的关键。
波动方程是描述波在介质中传播的基本方程，对于地震波而言，常用的波动方程有弹性波方程和声波方程。
在二维正演模拟中，我们通常采用声波方程，因为它相对简单且能够较好地模拟地震波的主要特征。
声波方程描述了声波在弹性介质中的传播规律，包括波速、振幅、相位等参数的变化。
时间域航空电磁法正演模拟
( 2 (( x )
r u
2
(
1 1 F ( , ) F jx ( , ) Fiz ( , ) F jz ( , ) u 2 r ) )dxdz u T ( ix ) d d )u 1 1 z 2 J
泛函可以表示为：
1 1 Fix ( , ) F jx ( , ) Fiz ( , ) F jz ( , ) 1 1 Fix ( , ) F jx ( , ) Fiz ( , ) F jz ( , ) r r J (u,v) uT ( ) d d )u vT ( ) d d )v 1 1 1 1 2 J 2 J
国内外研究现状（1）
1948年，加拿大试飞第一套 航空电磁系统。 1950年INCO航空电磁系统 研制成功。 60－70年代，首次在矿产开 发上得到应用。 70－80年代，航空电磁系统 进一步优化。 80年代后，几经曲折，航空 电磁法仪器已经相对稳定。 时间域航空电磁系统（INPU -T）,在1980年夏首次试飞， 随后相继推出多种改进的型 号。
K1,16 W1 S1 K 2,16 W 2 S2 K16,16 W16 S16
当边界网格取足够大时， 边界节点上的电场u，v 可以近似等于0.
，
其中： r
，
，
i 0 p 2 2 k k y ik q 2 y 2 k ky 2 k i 0
2 k 2 ky
右端项是和一次场有关的量，本文一次场 取无限均匀空间，对于垂直磁偶极子有： i m ikr y E ( ikr 1) e x 4 r 2 r i m ikr x E ( ikr 1) e y 2 4 r r Ez 0
地震正演模拟
2007-04-05
精选版课件ppt
11
• 中石化石油物探研究所（原地矿部，南京）1980建立小 型水箱和观测系统，1983建成大型水漕和高精度自动定 位装置，2002完成自动定位装置的改进。
• 同济大学在1985年前后设计建立了大型水槽自动定位地 震物理模型观测系统，2001实验室撒销。
研究范围：天然地震、工程勘探、煤炭石油勘探交通和国 防等。
研究内容：二维模型中不均匀介质中地震波的传播、各种 介质的速度和衰减测试、工程质量检测等。
2007-04-05
精选版课件ppt
10
• 80年代是国内地震物理模型实验室以展的顶峰时期，有 近十家单位建有规模不等的实验室： 1)石油物探研究所（原地矿部） 2)煤炭部地球物理勘探研究院(涿州) 3)长春地质学院物理系 4)同济大学地质海洋系 5)石油大学(北京) 6)南京大学声学所 7)武汉地质学院物理系
为方便起见，改写为
jn * F (jk * 1 ,jk * 2, ji* jn * 1 )
n F (k 1 ,k 2 , i, n 1 )
这就证明了相似第二定理。
把由个物理量构成的物理方程无量纲化为个无量纲群的关系式，使
物理方程的变数减少了，这就大大地简化了问题地理论研究工作。
2007-04-05
2007-04-05
精选版课件ppt
26
物理模拟相似准则的导出
以量纲分析方法讨论动力学相似为例，描述动力相似现象的物理
量的函数为 f(,,P ,t,Z , ,L ,E ) 0
式中：为应力、为挠度、P为集中力、t为时间、Z为摩擦系数、
为密度、L为任一线性长度（包括长、宽、高）、E为弹性模量
第七讲正演模拟技术
2．一维计算模拟的基本公式
在计算机上实现必须以离散形式进行
式中，xn =x(n△)为x(t)在t＝tn＝n△时 刻的样值，其余类推，N为子波的全部 采样个数 ，Rn=R(n△)为反射系数序 列。
正演模拟种类：物理模拟和计算模拟 物理模拟：是用一些已知参数的介质做成一 定几何形态的模型来模拟地下地质结构采用超 声波模拟地震波,专用换能器模拟震源和检波器, 将野外地震勘探过程在实验室内重现,得到理论 地震记录的方法技术。具有与实际情况更为接 近的优点。 计算模拟：是用计算计实现的正演模拟。它 包括一维和二、三维模拟。具有效率高，计算、 修改参数方较方便,使用更为广泛。
模块功能简介
射线法正演模拟模块特点
模块(1)～(4)适用于含断层、岩性尖灭的复杂介质模 型，能模拟断点、岩性尖灭点上绕射波；模块(1)～ (3)能模拟一次波和多次波的波场，模块(4)能分别模 拟介质中的纵波、转换横波、纯横波一次波的波场； 接收的记录分量有水平和垂直分量；能模拟地震波 的运动学（某个界面上的某类波的旅行时间）和地 震波的动力学（考虑波前扩散、介质吸收、透射损 失及界面曲率的影响）；能计算整个模型的波场， 也可只计算指定的任意层的任意种类的波场两分量 记录。
声测井合成地震记录
射线法模模块功拟能原简理
5.1.2 传输方程的解
零阶近似的振幅系数可以足够好地描述 体波最重要的动力学特征，其表达式为
u0u00
J0V00 JV
式中，V对应P波或S波速度，ρ是介质密度， J（τ0）和J（τ）分别为时刻τ0及τ时的雅 可比值。
模拟电子技术-康华光--华中科大版-上课课件第7讲 (11)
集成电路运算放大器的内部组成单元1 差分式放大电路的一般结构1）. 用三端器件组成的差分式放大电路i2i1id =v v v − 差模信号—两个输入端信号中不同的部分)(21=i2i1ic v v v + 共模信号—两个输入端信号中相同的部分2）电路的输入信号特性)i2共模信号大小相等，相位相同；差模信号大小相等，相位相反。
3）. 电路的性能指标ido d=v v v ′A 差模电压增益icoc =v v v ′′A 共模电压增益icc id d oo o =v v v v v v v A A +=′′+′ 总输出电压其中o v ′——差模信号产生的输出ov ′′——共模信号产生的输出 共模抑制比——反映抑制零漂能力的指标cdCMR=v v A A K2 射极耦合差分式放大电路1）. 电路组成及工作原理——仅输入差模信号大小相等，相位相反和i2i1v v 输出信号被放大0O2O1o ≠−=v v v 大小相等，相位相反和o2o1v v2）. 抑制零点漂移原理漂移信号的来源：温度变化和电源电压波动，都将使集电极电流产生趋势相同的变化；漂移信号的电路效果：相当于在两个输入端加入了共模信号。
i C1↓ i C2↓温度↑i C1↑ → i E1↑ i C2↑ → i E2↑抑制原理：类似于分压式射极偏置电路的温度稳定过程。
抑制效果：即使电路处于单端输出方式时，仍有较强的抑制零漂能力。
v E ↑ （v B1、v B2不变）→ v BE1和v BE2↓→ i B1和i B1↓ 差分式放大电路对共模信号有很强抑制作用3）. 电路的静态分析OC C2C121=I I I I ==CE2CE1=V V −=CC V )V 7.0(c2C CC −−−=R I V −c2C R I EV βI I I C B2B1==4）. 动态分析（主要指标计算）（1）差模情况=ido d =v v v A i2i1o2o1v v v v −− 接入负载时i1o122v v =be c r R β−=beL c d )21//(=r R R βA −v 以双倍的元器件换取抑制零漂的能力<A> 双入、双出—集成运放的输入级 无负载时—be Lc 2) //rRR<C>差模的单端输入e o r r >> 等效于双端输入 指标计算与双端输入相同。
模型正演技术在复杂构造解释中的应用
缸 科 技 ２ １年第５ ０２ 期
模 型正演技 术在 复杂构造解 释 中的应用
陈 先 红 ① 王 树 华 ① ②
① 胜 利 油 田物 探 研 究 院 ２ ７ ２ 山 东 东 营 ；② 胜 利 油 田西 部 新 区 研 究 中 心 ５ ０２
摘 要 针对地下构造复杂 ，地表地 震条件不好 ，地震 资料 品质 差的复杂地 区，如何确 定地震 构造样式 、落实构造 圈闭，一直是 复杂构造解释的难题。应 用模型正演技术 ，通过设 置观察 系统、地质建模 、速度建模 ，利 用射 线追踪或 波动 方程模 拟地 震成像 。通过 对准噶 尔盆地西北缘哈拉 阿特 山构造 带的应 用表 明，该技术有助 于勘探初期地震解释方案 的确定 。 关 键 词 复 杂构 造 模 型 波 动 方 程 正 演 构造 样 式 速 度 分 析
１ 地 质 模 型 建 立
１１ 模 型 地 质 层 位 标 定 ．
由ｌ多个古生 界断块叠 加而成 的双重构造 ，双重构造内的各断块均表 ０ 现 为断层转折褶 皱 ，它 们是潜在 的勘探 目标群 】 。陈刚教授提 出走 滑单剪的构造解释模式 ， 为哈山及 其前缘 变形带总体表现为早期逆 认 冲推覆与后期走滑 图冲断复合叠 加的非对称半花状 构造样式 ，且具有 东西分段 的特点 。在充分 吸收前 人成果 的基础 上 ，我们以原始地震资 料为基础 ，结合资料 的属性分析 、时频 分析 等成果 ，给出了初步地震
为提 高正演的真实性 ， 次地震波动方程正演模拟 ，采用了 当时 本 野外 实际采集的观测系统 ：中间放炮 ，点震源激发 ， 间距２ ｍ，总 道 ５ 共３ ８ ，采样间隔２ ｓ ８道 ｍ ，采样点数３０ ， ００ 子波 的激发频率为３ Ｈ 。根 ０ｚ 据需要正演 的资料 的实 际情况 ，在可选用的地震波动方程 中采用了 中 小规模 的声 波方程模型 。声波方程模 型仅考虑纵波速度和密度特性 ， 计算速度较快 。其 计算速 度比垂直入 射模型慢 ，比弹性波方程模型要 快 ，基本达 到了我 们的要 求。本次正演采用的具体的模型参数为网格
地震正演模拟在压缩空气储能盐腔调查中的应用
地震正演模拟在压缩空气储能盐腔调查中的应用收稿日期:20230424;修订日期:20230609;编辑:陶卫卫作者简介:高军(1968 ),女,山东泰安人,工程师,主要从事能源管理工作;E m a i l :g a o ju n 202@s i n a .c o m *通讯作者:张心彬(1968 ),男,山东济南人,研究员,主要从事能源资源地球物理探测工作;E m a i l :z x b 1812@163.c o m高军1,张心彬2*,田思清2(1.山东省泰安市岱岳区发展和改革局,山东泰安 271000;2.山东省煤田地质规划勘察研究院,山东济南 250104)摘要:目前,利用盐腔进行压缩空气储能是一种安全㊁环保㊁高效的物理储能方式,查明盐腔空间形态及分布至关重要㊂本文依托三维地震工程,在运用正演模拟的基础上对盐腔地震响应研究进行了分析研究,优选了甜点属性㊁振幅的和㊁反射强度㊁瞬时相位㊁瞬时频率和方差㊁曲率等属性进行融合,对盐腔的顶部以及盐腔侧边界进行了刻画,确定了盐腔顶部高点位置和深度,控制了盐腔的空间展布形态,取得了良好的地质效果㊂关键词:地震正演模拟;盐腔空间形态;属性融合中图分类号:P 631.3 文献标识码:A d o i :10.12128/j.i s s n .16726979.2023.09.010引文格式:高军,张心彬,田思清.地震正演模拟在压缩空气储能盐腔调查中的应用[J ].山东国土资源,2023,39(9):6065.G A O J u n ,Z HA N G X i n b i n ,T I A N S i q i n g .A p p l i c a t i o n o f S e i s m i c F o r w a r d M o d e l i n g i n t h e I n v e s t i ga t i o n o f C o m p r e s s e d A i r E n e r g y S t o r a g e S a l t C a v i t y [J ].S h a n d o n g La n d a n d R e s o u r c e s ,2023,39(9):6065.0 引言自1949年德国工程师S t a l L a v a l 提出传统压缩空气储能技术以来,国内外开展了大量研究和实践㊂目前,国外有2座大型压缩空气储能电站在德国H u n t o r f 电站和美国M c i n t o s h 电站投入商业运行[1]㊂我国自2014年建成了0.5MW 的芜湖非补燃示范项目之后,在中科院工程热物理研究所技术支持下,先后在毕节㊁肥城㊁张北㊁西宁㊁金坛等地建设的压缩空气储能项目相继投入商业运行[2]㊂压缩空气储能具备大规模㊁长时效物理储能能力,可以显著提高能源利用率,具有十分广阔的应用前景[35]㊂地下盐矿水溶法开采后形成的大型地下溶腔可以用作高压空气储气库[6]㊂在项目选址阶段,地下盐腔自身的条件是否满足压气储能项目建设的相关要求,是关系项目成败的最关键条件[9]㊂国内王志荣等[89]先后采用C S AMT 与C Y T 联合探测法和三维地震方法在数据处理和资料解释方面进行了研究,取得一定的成果㊂但是,盐腔的空间展布形态探测仍然是压气储能盐腔调查的关键问题㊂本文依托山东泰安2ˑ300MW 级压缩空气储能创新示范工程,在山东东岳盐业公司采矿区块实施了三维地震工程㊂在正演模拟的基础上开展盐腔地震响应研究,对优选的相关属性进行融合,控制了盐腔的空间展布形态,取得了良好的地质效果,为后续压缩空气储能安全高效开发奠定了基础,同时也为类似地质条件下压缩空气储能盐腔调查提供了参考㊂1 勘查区地质1.1 地质背景勘查区大地构造位于华北板块(Ⅰ)鲁西隆起区(Ⅱ)鲁中隆起(Ⅲ)蒙山蒙阴断隆(Ⅳ)汶口凹陷(Ⅴ)西部,是在燕山构造旋回造就的古湖盆基础上发展起来的㊂汶口凹陷东南与汶东凹陷相通,东㊁北东㊁西三面以南留弧形断裂为界与新甫山凸起相接,㊃06㊃第39卷第9期 山东国土资源 2023年9月Copyright ©博看网. All Rights Reserved.南连蒙山东平凸起,为箕状单断掀斜断块,表现为盆地地貌,习惯上称为大汶口盆地(图1)[10]㊂大汶口盆地经喜山运动逐渐形成的半封闭的湖盆,湖盆的不断下降,接受卤水,蒸发成矿[11]㊂1 第四系;2 古近系;3 寒武系+奥陶系;4 新太古代泰山岩群;5 断裂代号;6 地质界线;7 推测不整合界线;8 推测性质不明断层;9 推测正断层;10 勘查区位置图1 大汶口盆地地质构造示意图(据朱猛)大汶口盆地内地层自外到内(由老到新)依次为新太古代泰山岩群㊁寒武奥陶纪长清群㊁九龙群㊁马家沟群㊁石炭二叠纪月门沟群㊁古近纪官庄群㊁新近纪黄骅群㊁第四系等,盆地内全被第四系所覆盖[12]㊂图2 大汶口组中段主要赋存地层1.2 主要矿层及开采情况古近纪官庄群大汶口组中段下部为主要含盐段,盐层与石膏互层产出,呈薄互层间隔分布,具有较强的规律性㊂盐矿地层上部覆盖有巨厚石膏层(图2)㊂勘查区盐矿地层向NW 倾伏产出,往东南盐矿地层逐渐抬升,上部盐层依次沉缺,盐矿地层上部膏层逐渐增厚㊂矿山基本采用水平对接井连通采卤工艺,由一口直井㊁一口或多口水平井构成对接井组,大多采用直井注水,水平井出卤的水溶法开采方式[13]㊂水溶采矿是通过溶解各种盐类,清水或欠饱和盐水通过专门设计的井注入到盐岩中,以溶蚀出空隙或洞穴,然后提取 几乎饱和 的盐水进行处理㊂山东东岳盐业有限公司均于1998年成立,建厂初期精制盐生产能力仅50k t /a,矿山生产规模也仅5k t /a (卤折盐)㊂2006年,实施精制盐异地技改后㊃16㊃Copyright ©博看网. All Rights Reserved.满足年产30万t精制盐用卤的需求㊂近年制盐产量基本稳定在600k t/a㊂截至2022年3月30日,累计生产精制盐约900万t㊂2地震正演模拟技术地震正演模拟是在地下介质结构和参数已知的情况下,利用数值计算的方法来研究地震波在地下介质中的传播规律,从而获得理论地震记录的一种方法[14-15]㊂正演模拟是基于弹性介质波场传播理论的计算机环境下模拟实际地质模型的方法,对解释实际地震资料,表征地下介质结构与岩性有重要的实际意义[16]㊂基于正演模拟的三维地震资料解释流程图见图3㊂图3基于正演模拟的三维地震资料解释流程图为了解盐腔在地震上的响应特征,本次设计了盐腔的正演模型并利用T e s s e r a l正演软件基于射线追踪法对盐腔的地震响应进行模拟从而为盐腔解释提供基础㊂2.1地质模型设计2.1.1物性参数分析通过测井曲线分析,获取勘查区盐岩㊁泥岩和石膏盐的地震波速度和密度等信息,确定了地质模型的主要物性参数见表1㊂表1地质模型主要物性参数地层岩性速度/(m/s)密度/(g/c m3)膏岩45002.8盐岩40002.16卤水14001.242.1.2地质模型类型根据本区盐岩地层分布特征以及盐岩水溶采矿特点,建立了3种地质模型(图4)㊂模型的最顶层为泥岩,中间层为石膏盐和盐岩互层,亮紫色为盐岩,暗紫色为石膏盐,浅黄色为溶蚀的盐岩㊂图4理论盐腔模型(1)规则水平盐腔模型㊂假设盐岩规则水溶的纯理论模型,盐岩只发生层间溶蚀,上下不贯通㊂(2)不规则盐腔模型㊂层间溶蚀并发生贯通,自下而上逐层相对规则水溶,腔体基本对称㊂(3)极不规则盐腔模型㊂层间溶蚀并发生贯通,各层盐岩水溶情况不一致,腔体不对称,溶蚀程度要高于第二种模型㊂2.2正演模拟采用射线追踪法对图4地质模型进行正演模拟,生成的地震响应如图5所示㊂从图5中可以看出,盐腔的地震响应特征表现为顶部为强反射且有向上弯曲的趋势,内部为弱反射和杂乱反射,底部的同相轴有下拉的趋势㊂图6为本区地震资料中的盐腔地震响应时间剖面㊂水溶采盐后形成的盐腔地震响应特征与盐腔理论模型正演模拟结果非常相似㊂为了进一步确定盐腔与地震响应的对应关系,对盐腔模型的地震响应进行时深转换后与盐腔模型进行叠合显示,如图7所示㊂图5盐腔模型正演地震记录根据理论分析,盐岩(卤水)属于低阻抗,石膏属㊃26㊃Copyright©博看网. All Rights Reserved.于高阻抗(图6)㊂在盐岩的顶部反射界面,地震波从高阻抗进入低阻抗,在地震响应上则表现为盐岩的顶界面反射对应地震波形的波谷㊂从图7可以看出,盐腔的顶部对应的是地震波形波谷位置,与分析的结果相吻合㊂图6本区实际地震资料中的盐腔地震响应图7 地震响应与盐腔模型叠合显示2.3 正演模拟地震属性提取和优选地震属性的优化分析就是利用人的经验或数学方法,优选出对所求解问题最敏感的㊁个数最少的地震属性或地震属性组合[17]㊂由于地震属性有上百种之多,在进行属性提取之前,需要对该区的储层地震响应特征有一定的了解,这样才能从众多的地震属性中有针对性的开展属性提取作业,得到一个初步的地震属性集[1819]㊂为了进一步刻画盐腔的空间形态特征,对正演模拟得到的地震响应开展了多种属性提取㊂选择了与盐腔特征对应关系较好的属性,分别为甜点属性(均方根振幅属性)㊁振幅的和㊁反射强度㊁瞬时相位㊁瞬时频率和方差㊁曲率属性[20](图8),同时结合人工交互综合分析对盐腔进行立体刻画㊂通过图8中属性可以看出瞬时相位属性对盐腔顶部的变化非常敏感,瞬时相位与地震波形的波谷紧密对应,而波谷代表盐岩的顶,因此可以清晰的刻画出盐岩的顶界;由于卤水对高频信息的吸收衰减,在盐腔的中下部瞬时频率则可以清楚的反映出盐腔的边界特征,并且盐腔发育(采卤)程度越高其在瞬1 原始地震响应;2 瞬时相位属性;3 瞬时频率属性;4 能量属性(甜点);5 曲率属性;6 方差属性(相干)图8 盐腔正演地震响应的属性提取时频率上的响应越明显;振幅类属性对盐腔的整体刻画效果最好,甜点属性反映出盐腔的形态包络,图中整个红色区域表现为盐腔的顶部位置;方差属性也可以用来刻画盐腔的侧向边界㊂综合以上属性分析,采用以振幅类优势属性为主,其他属性(方差㊁瞬时频率等)为辅来综合确定盐腔的顶部以及侧向边界,同时结合人工交互综合分析对盐腔进行立体刻画㊂3 正演模拟地震属性在盐腔刻画中应用利用正演模拟属性特征与盐腔的空间形态的对应关系,在常规解释的基础上通过多种属性分析㊁融合实现了盐腔的立体刻画,包括确定盐腔的顶部位置以及各盐层的动用范围㊁盐腔的空间形态㊂3.1 盐腔顶界面的确定通过甜点(能量)属性来进行盐腔的顶部形态雕刻和位置确定,雕刻阈值的确定需要结合已知岩盐生产情况和人工辅助解释来完成(图9)㊂3.2 盐腔侧面边界的确定通过岩层提取的反射强度属性和均方根振幅以及方差属性可以对盐腔的侧边界进行确定,然后利用人机联作在数据体上对腔体进行交互刻画,通过逐条剖面的追踪分析获得腔体的空间形态(图10)㊂3.3 盐腔底界刻画根据物理模拟,盐腔发展基本往上和侧方位发展,盐腔往深部发展的空间很小㊂为确定盐腔边界,盐腔内地震层位直接内插拾取(图11)㊂3.4 盐腔空间形态及分布通过甜点属性确定盐腔的顶界位置,借助反射强度属性与方差属性确定盐腔侧边界,底界以7盐㊃36㊃Copyright ©博看网. All Rights Reserved.图9 甜点属性刻画的盐腔顶部形态(俯瞰图)图10多属性刻画盐腔边界图11 盐腔底界和内部地震反射波特征层底为基础,向下溶蚀程度很低,这样就可以刻画出盐腔的空间形态㊂根据盐井的产量㊁盐系地层结构㊁盐矿品位等并综合考虑其他造腔因素,可以确定采盐动用地层的体积,据此确定利用属性刻画盐腔的阀值,最终人机连作确定盐腔空间形态㊂图12为采用三维地质图12 综合解释的盐腔分布体雕刻技术利用多种属性雕刻的盐腔空间分布情况㊂4 结论(1)利用正演模拟设计的盐腔模型对盐腔地震响应与实际地震盐腔反应基本一致,为盐腔解释奠定了基础㊂(2)通过正演模拟结果与实际资料对比分析得出,甜点属性㊁振幅的和㊁反射强度㊁瞬时相位㊁瞬时频率和方差㊁曲率属性能够反映盐腔特征㊂(3)结合人工交互综合分析,采用多种优选地震属性融合对盐腔的顶部以及盐腔侧边界进行了刻画,确定了盐腔顶部高点位置和深度,控制了盐腔的空间展布形态㊂参考文献:[1] 纪律,陈海生,张新敬,等.压缩空气储能技术研发现状及应用前景[J ].高科技与产业化,2018,263(4):5258.[2] 王富强,王汉斌,武明鑫,等.压缩空气储能技术与发展[J ].水力发电,2022,48(11):1015.[3] 张建军,周盛妮,李帅旗,等.压缩空气储能技术现状与发展趋势[J ].新能源进展,2018,6(2):141149.[4] 张玮灵,古含,章超,等.压缩空气储能技术经济特点及发展趋势研究[J /O L ].储能科学与技术,2023,h t t p s ://d o i .o r g/10.19799/j .c n k i .2095-4239.2022.0645.[5] 万明忠,王辉,纪文栋,等.压缩空气储能电站盐穴选址关键流程及控制因素[J ].电力勘测设计,2022,12:24.[6] 涂洋.天然气地下盐穴储气库技术研究[D ].成都:西南石油学院,2005:17.㊃46㊃Copyright ©博看网. All Rights Reserved.[7]完颜祺琪.中国盐穴地下储气库建库地质条件评价及其对策研究[D].成都:西南石油大学,2015:14.[8]王志荣,王泉更,张利民.C S AM T与C Y T联合探测法在深部盐穴储气库建设中的应用[J].工程地质学报,2016,24(1):142149.[9]万明忠,纪文栋,商浩亮,等.压缩空气储能地下盐穴物探关键问题及处理技术[J].南方能源建设,2023,10(2):2630.[10]张念朋.山东大汶口盆地鲁能石膏矿地质特征及成因分析[J].中国非金属矿工业导刊,2020,140:3940. [11]朱猛,谭现锋,赵季初.山东省大汶口盆地盐类成矿模式讨论[J].山东国土资源,2016,32(1):2627.[12]王艳婷,刘彦奎,王东,等.泰安市大汶口石膏矿王庄矿段地质特征及成因分析[J].中国非金属矿工业导刊,2014,112:4445.[13]王少华,杨树杰,孔德金,等.山东大汶口盆地采盐溶腔的不稳定性及变化特征[J].化工矿产地质,2021,43(2):158159.[14]王润秋,耿伟峰,王尚旭.地震波正演模拟的任意差分精细积分方法[J].石油地球物理勘探,2003,38(3):252253.[15]李广才,王兴宇,李培,等.地震正演模拟技术在膏盐岩识别中的应用[J].中国煤炭地质,2018,35(2):6869. [16]肖开宇,胡祥云.正演模拟技术在地震解释中的应用[J].工程地球物理学报,2009,6(4):460465.[17]魏冬.地震属性技术综述[J].内蒙古石油化工,2020,3:9596.[18]张勇刚,范国章,王红平,等.地震多属性分析技术预测和评价盐下碳酸盐岩储层厚度分布[J].盐湖研究,2022,30(3):7273.[19]刘文岭,牛彦良,李刚,等.多信息储层预测地震属性提取与有效性分析方法[J].石油物探,2002,41(1):100101. [20]石荣.地震属性分析技术在储层精细描述中的应用[J].大庆石油地质与开发,2019,38(3):139141.A p p l i c a t i o n o f S e i s m i c F o r w a r d M o d e l i n gi n t h e I n v e s t i g a t i o n o f C o m p r e s s e d A i r E n e r g y S t o r a g e S a l t C a v i t yG A O J u n1,Z H A N G X i n b i n2,T I A N S i q i n g2(1.D a i y u e D e v e l o p m e n t a n d R e f o r m B u r e a u o f T a i'a n C i t y,S h a n d o n g T a i'a n271000,C h i n a;2.S h a n d o n g R e s e a r c h I n s t i t u t e o f C o a l G e o l o g i c a l P l a n n i n g a n d P r o s p e c t i n g,S h a n d o n g J i'n a n250104,C h i n a)A b s t r a c t:A t p r e s e n t,u t i l i z i n g s a l t c a v i t y f o r c o m p r e s s e d a i r e n e r g y s t o r a g e i s a s a f e,e n v i r o n m e n t a l l yf r i e n d l y a n d e f f i c i e n t p h y s i c a l e n e rg y s t o r a g e m e th o d.I ti s v e r y i m p o r t a n t t o f i n d o u t t h e s p a t i a l m o r p h o l o-g y a n d d i s t r i b u t i o n o f s a l t c a v i t y.B a s e d o n t h r e e-d i m e n s i o n a l s e i s m i c e n g i n e e r i n g,s e i s m i c r e s p o n s e o f s a l t c a v i t y h a s b e e n a n a l y z e d a n d s t u d i e d o n t h e b a s i s o f f o r w a r d m o d e l i n g.T h e d e s s e r t a t t r i b u t e,a m p l i-t u d e s u m,r e f l e c t i o n i n t e n s i t y,i n s t a n t a n e o u s p h a s e,i n s t a n t a n e o u s f r e q u e n c y a n d v a r i a n c e,c u r v a t u r e a n d o t h e r a t t r i b u t e s h a v e b e e n o p t i m i z e d a n d m e r g e d.T h e t o p a n d t h e s i d e b o u n d a r i e s o f t h e s a l t c a v i t i e s h a v e b e e n d e s c r i b e d,a n d t h e p o s i t i o n a n d t h e d e p t h o f h i g h p o i n t a t t h e t o p o f t h e s a l t c a v i t y h a v e b e e n d e t e r-m i n e d,t h e s p a t i a l d i s t r i b u t i o n p a t t e r n o f t h e s a l t c a v i t y h a s b e e n c o n t r o l l e d,a n d g o o d g e o l o g i c a l r e s u l t s h a v e b e e n o b t a i n e d.K e y w o r d s:S p a t i a l m o r p h o l o g y o f s a l t c a v i t y;f o r w a r d m o d e l l i n g;a t t r i b u t e s f u s i o n㊃56㊃Copyright©博看网. All Rights Reserved.。
地球物理正演方法
2,将势场u展成某种简单函数和系数的线性组合 假定,单元内势可用线性(一阶)方程表示,有 V=a+bx+cy 沿三角元边缘势V可以由相应两角点势值线性内插而 来,如果两个三角元共用一条边,则位势在跨单元时 保持连续. 为求各系数,设三个顶点上势为V1,V2,V3
计算精度:主要决定于步长h.一般说来,网格划分越细,即h
值越小,计算值与理论值越接近. 矛盾:减小步长h将成倍增加计算节点数目,增加计算机内存需 求和计算时间.降低了效率,增加了费用
解决计算速度与精度矛盾的较好方法:采用变步长,即在
近区将网格分得密些,远区影响较小,可分得稀些.
弹性波场计算举例 1,反射地震中波传播方程
内节点
2,区域网格剖分
3,微分方程离散化,构组差分方程
k i-1,k
i
i,k-1 i,k i+1,k
i,k+1
ux,uxx,…和uz,uzz,…分别表示u对x和z的一阶,二阶导数等
含源分区均匀岩石中位函数二维差分方程
无源分区均匀岩石中位函数二维差分方程
4,线性方程组的形成与求解
式中[A]是方程组的系数矩阵.其与 物性参数(如电阻率)分布有关; {u}是电位u的列向量,其分量为所 有节点上的电位; {F}是常向量. 当给定电阻率分布(空间分布,模型结构)及边界条件后,解 线性方程式便可求得电位的空间分布
上式是一非齐次的第二类矢量弗雷德霍姆(Fredholm)积分方程式
并矢格林函数 Q(x',y',z') P(x,y,z) ● r r'
地震正演模拟技术在观测系统设计中的应用
针 对 不 同构造 位置 和地 层组 合进 行正演 模 拟 ，分 析 不 同构 造部 位所 需 的观测 系统 最大炮 检距 、道距 和覆 盖次 数等 。分 析得 到 的反射 波波 场 中地震 波 的传 播 特征 和各 种 地震 响应 现 象 ，弄 清地 震 波 在 复杂 构 造 、
复杂 介 质 中的传 播 特 征 。根据不 同地 区的实 际情况 ，确 定面 元尺 寸 、最大炮 检距 和覆 盖次 数等 观测 系统
［ 键 词 ］ 正 演模 拟 ；模 拟 分 析 ；射 线追 踪 ；观 测 系统 关 ［ 中圈 分 类 号 ］ Ｐ ３ ． ４ ６ １４ ［ 献标识码］Ａ 文 ［ 文章 编 号 ］ ｉ０ —９ ５ （０ ２ ５ ２ ６— ４ ０ ０ ７ ２ ２ １ ）０ —００ ０
随着 油气 勘探 开发 的难 度不 断增 大 ，经常会 遇 到复 杂地表 、复杂构 造 、小尺 度 目标 体 、复 杂岩性 等
的 数 值 模 拟 方 法 。模 型 正 演 包 括 模 型 建 立 、正 演 模 拟 、记 录 分 析 等 过 程 。
１ １ 建 立 地 质 模 型 ．
地震 正演 技术 的基 础是 要建 立准 确 、合理 的地 质模 型 。为 了建 立一 个有 代表性 的地质模 型 ，需要 预
先 了 解 所 选 区 块 的 各 种 地 震 地 质 条 件 ， 以 及 工 区 的 表 层 结 构 、地 表 条 件 ， 目 的层 埋 藏 深 度 及 构 造 发 育 情 第 ３ ４卷 第 Nhomakorabea５ 期
魏 燕 ：地 震 正 演 模 拟 技 术 在 观 测 系 统设 计 中 的 应 用
２ 正 演 模 拟 技 术 应 用 实 例
某 复杂 断 阶带 Ｚ Ｄ地表 条 件复 杂 ，乡镇 密集 ，人 为 干扰 较 严 重 。其 中 Ｘ Ｘ镇 面 积约 ５ ｉ。 ｋ ，南 北 窄 、 ｎ 东 西 宽 。小镇 西北 部 为老 城 区 ，街 道 较 窄 ，交 通 不 便 ，采 集 物 理 点 布设 非 常 困难 。工 区东 南部 为新 城 区 ，工厂 和商 品房 为 主 。同时 工 区地下 地质 条件 复杂 ，是 工 区所在 盆地 南部 的一 级边 界断 裂 ，属伸 展断 裂 ，由两 条断 裂 系所夹 持 的狭长 地 带组成 ，断裂 系统 比较 复杂 ；工 区南 部为 隆起 老地层 。
一、正反演问题的概述解剖
（6）反问题的例子：
（a）医学层析成象； （b）图象增强； （c）曲线拟合； （d）因子分析； （e）卫星导航； （f）利用干涉法测绘宇宙射电源； （g）利用x射线衍射分析分子结构；
（h）地球物理反演： 震源定位、层 析反演、地震波衰减、地震波走时反 演 （ Hergloz-Wiechert ） 、 声 波 层 析 成像、根据地球物理数据（重、磁、 电磁波、弹性波）确定地球结构（异 常源）。
地球物理反问题研究利用地球物理 观测数据去反推描述地球物理模型特 征的理论和方法。
反问题的非唯一性的一个例子
？
2．地球物理反演的陈述方式和主要观点
反演问题在数学上常表现为不适定问题—— 反问题的固有特性。
（1）地球物理反演问题的陈述方式：
（a）给定场方程解的部分信息，要 求推算方程的右端或定解域的形状；
ห้องสมุดไป่ตู้
在源外 在源内
其中， g(x)是源函数，L是刻画场函数在空间变化规律的微 分算子（通常为二阶），例如，对于重力、磁力和电场，L 为 Laplace算子
L2 2 2 x2 y2 z2
对于电磁场，在均匀各向同性介质下，L为 Helmholtz算子
Lk2,k22i4
c2
c2
其中，k,,,,,c分别为波数、介质的导磁
（b）给定场方程解的部分信息，要 求重建方程的系数。
（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),
率、导电率、介电常数、场的角频率、光在 真空中的传播速度。
声波方程正演模拟PPT课件
第9页/共45页
内容提纲
一、地震勘探基本原理 二、波动方程类型及其 局限性 三、数值算法类型及其局限性 四、声波方程的有限差分法数值模 拟
10
第10页/共45页
二、波动方程类型及其局限性
1、声波方程：
二阶标量声波方程：
2 p t 2
v
2
(
2 p x2
2 p z2 )
S(t)
一阶压力-速度方程组：
同时，在差分计算过程中，如果空间和时间采样间隔不当， 就会导致波形畸变，甚至派生出多个同相轴，这种现象称为频散 现象。
偏微分方程本身没有频散，网格频散是由于差分方程近似替 代微分方程引起的。当波场按照波动方程所表示的微分方程传播 时，波场的传播速度就是波动方程中的速度，但当波场按照波动 方程离散化后的差分方程传播时，波场的传播速度就不再是波动 方程中的速度了，而是与波的频率和波数有关的函数，具有不同 频率和波数的波有不同的传播速度，因而在传播过程中会出现频 散，发生畸变，且随走时的增加而增加。
36
第36页/共45页
*4.3 边界条件
在地震波场正演模拟中，必须引入人工边界来界定计算区域。人工边界若不做特殊 处理，就会随着波场的递推计算在边界上产生虚假反射波从而扰乱波场，人工边界的处 理是地震波场正演数值模拟的一个重要课题。
本次作业不涉及边界条件的使用，可通过增大模型来避免边界反射干扰，有精力 的同学可通过查阅资料获得解决边界问题的方法。
P C 2 (vx vy vz )
t
x y z
vx 1 (P )
t x
vy 1 (P )
t y
vz 1 (P )
t z
11
第11页/共45页
二、波动方程类型及其局限性
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
2．一维计算模拟的基本公式
在上述假设条件下，反射地震记录 x(t) 可以 看作是地震子波b(t)与反射函数R(t)(离散时为 反射系数序列)的褶积。即
此即一维计算模拟的基本公式。若已知b(t) 和 R(t) ，按上式可计算出理论地震记录，称之 为合成地震记录。因此．一维模拟又称为合成 地震记录的制作。它用于记录标定。
物探新方法技术（地震勘探）
第七讲：地震波场正演模拟技术
物探新方法技术（地震勘探）
第七讲：地震波场正演模拟技术
一、基本概念 二、地震地质模型建立方法 三、渐近射线追踪方法 四、有限差分法正演模拟 五、有限元正演模拟方法 六、物理模拟技术
【思考题】
（1） 正演模拟、计算模拟和物理模拟的概念。
（2） 计算模拟与物理模拟的优缺点。
它有下列几个方面的用途： 1 ．野外采集方面：提供野外地震勘 探野外数据采集的观测系统设计的参数 2 ．处理方面：为地震资料处理确定
合适的处理参数；
3．解释方面： 帮助地震资料的解释，判断地震剖面上 的波的类型；
验证地震资料的构造及岩性解释的正确
性，尤其验证构造高点的位置是否正确；
为地震资料反演构造提供理论走时；
射线法模拟过程
5.2.2两点射线追踪
两点射线追踪就是在已知震源位置和接收点 位置情形下，确定由震源发出的波经过地质 模型，到达接收点处的射线路径，也即确定 震源处射线开始出射的角度。
射线法模拟步骤
实现步骤
1)依据模型复杂程度及震源和检波点的位置， 给定入射角可能的最小和最大范围，在震源 处以最小角度开始以相同角度增量为步长， 计算出所有的可能角度为初始出射角的射线 在地面出射点的坐标。
系统功能简介
二、 系 统 功 能 简 介
地质模型的人机交互构制
渐近线法正演模拟
有限元法正演模拟 褶积模型
图形输出
模块功能简介
1. 一维和二维地震褶积记录
（ 1 ）对声波时差及密度测井资料进 行合成一维地震记录 （ 2 ）模拟给定的二维地质模型的地 震褶积记录如楔状模型、砂泥互层 的韵律层模型的褶积记录。
模型处理
层位自动编号及排序
应遵循下列主要原则： （1） 编号从左至右，再从上至下； （2） 编号在前的某一层位的两个端点 纵坐标其中之一要小于该编号后的所有 层位的纵坐标。 (3) 水平位置不同但深度相近的层位， 交平缓的层位编号在前。
四、一维计算模拟（褶积模型） 1．一维计算模拟的基本假设
一维模拟包括如下基本假设 (通常称之为古皮特模型)： (1)地层横向均匀，纵向由一系列不同弹性性质 的平行薄层所组成。 (2)薄层假设为等时厚，每层时间厚度均为半个 △(采样间隔)。 (3)地震波为平面波法线入射． (4)每一界面的反射子波形状都相同，仅振幅和 符号依据各界面反射系数而变。 (5)忽略透射影响和多次反射。
模型构制
地震地质模型示意图
模型构制
3.1 界面描述及参数给定
界面由一系列界面上的离散点坐标组成， 离散点之间的深度由三次样条函数插值求 得，故模型的输入参数包括界面的离散点 坐标，该界面两侧的纵波速度值，而对应 的横波速度值及密度值可由人工给定，也 可由经验公式换算。
模型处理
模型处理是对模型构制得到的 一系列线段组成的地质分界线赋予 层位地质属性。即将线段定义为分 界面（层位及断层面），给定分界 面两侧的弹性参数，按一定原则对 层位进行自动排序。
射线法模拟步骤
5.2.6 正演模拟计算步骤
（ 1 ）输入界面离散样点，地层速度或从人 机交互模型构制产生的文件中读入; （ 2 ）根据给定的观测系统确定炮点与接收 点的位置； （3）给定入射波及要产生的波的类型； （ 4 ）解初值问题，确定在震源处以一系列 初始出射角出射的射线与地面的交点；
射线法模拟步骤
2．物理相似性 物理相似性要求模型材料与地层介质的物 性参数具有相似性,以便获得与野外记录相似 的运动学特征和动力学特征。 地震勘探中最主要的物性参数是速度和密度 ，只需要求各层之间的速度比和密度比相似 即可。即
根据野外工作实际情况，按相似性原则选 择模型材料制作出模型之后，就可以进行 物理模拟实验。利用专门的发射接收机、 换能器(探头)、波形记录器等装置发射超 声波，将经过模型作用后的各种波形接收 下来并进行数字采样，输入到计算机中以 便作各种处理，得到需要的理论地震记录 。
七、 物理模拟
例如，某工区野外记录上某一界面地震反射 波频率约为25Hz，平均速度以3000m/s计 算 ，则地震波波长约为120m。室内超声波频率 约为100KHz，模型材料速度为1200m/s，故 超声波波长约为1.2cm。相似比达104数量级 ，即可用10cm大小的模型表示地下1km大小的 介质。当然，不同地层的相似比可能不同， 应分别计算。
5.3 射线法模拟示意图
最大炮间距对应的各界面上 的一次反射波射线路径图
一次反射波共炮点记录
最大炮间距对应的各界面上 的多次反射波射线路径图
按指定的多次反射波射线码传播的多 次反射波共炮点记录
射线法模拟程序可靠性验证
一次及多次反射波共炮点记录
某一共中心点处的一次反射波共中心点道集记录 某一共中心点道集内 各界面上的一次反射 波射线路径图
射Байду номын сангаас法模拟步骤
实现步骤
2) 确定接收点落在哪个相邻出射点之间，由 该相邻点的射线的初始出射角内插计算到达 接收点的射线的初始入射角，如图所示:
射线法模拟步骤
实现步骤
若某一接收点 Xr 落在 Xi 和 Xi+1 之间，则内插公式可 表示为 :
new i xr xi xi 1 xi
模块功能简介
有限元法正演模拟模块特点
模块能适用于含断层、岩性尖灭的复杂介质 模型；能模拟介质中所有波的波场（面波、 反射波、直达波、绕射波）；接收记录的分 量有位移及位移速度的水平和垂直分量。
三、 模型构制原理及算法
模型构制是将地质模型简化为地震地 质模型的过程，简化的方式必须考虑前述 正演公式的适应条件，同时也要尽量使模 型参数数量最少。地质模型可以分解成三 部分组成：(1)速度均匀的区域；(2)弯曲或 不连续界面，它是两个不同速度变化区域 的分界面；(3)不连续点(断点和岩性尖灭点) 组成的绕射点。
为地震资料岩性解释提供合成记录。
正演模拟种类：物理模拟和计算模拟 物理模拟：是用一些已知参数的介质做成一 定几何形态的模型来模拟地下地质结构采用超 声波模拟地震波 , 专用换能器模拟震源和检波 器,将野外地震勘探过程在实验室内重现 ,得到 理论地震记录的方法技术。具有与实际情况更 为接近的优点。 计算模拟：是用计算计实现的正演模拟。它 包括一维和二、三维模拟。具有效率高，计算、 修改参数方较方便,使用更为广泛。
二维地震波场正演计算过程主要包括地 质模型参数化，初值问题的求解和两点 射线追踪及振幅系数的计算等部分，其 中地质模型参数化由模型构制及模型处 理模块来实现。
射线法模拟过程
5.2.1 初值问题的求解
从给定的初始出射点 (炮点)和初始出射方向 ( 出射角 ) 出发的射线按指定射线码穿过地质界 面，最终在地面出射 . 即在参数连续变化的一层内部，按已知的初 值条件，计算该层内的射线的路径、方向；在 参数不连续的界面上，利用斯奈尔定律，建立 新的初值条件；根据新的初值条件，再计算下 一层内的射线的路径；这样一层一层地追踪， 直至射线按指定的射线码指示的经历过程最后 与地面相交，完成一条试射射线的追踪。
七、 物理模拟
为了使物理模拟观测到的波场特征与野外观测 到的波场特征一致，物理模型必须在几何关系 上，运动学上和动力学上与被模拟的系统相似 。后二者又称为物理关系。因此，物理模拟的 关键是二个相似法准则: 1．几何相似性 2．物理相似性
七、 物理模拟
1．几何相似性 几何相似性要求模型的角度等于系统的角度， 且对应的长度要成比例关系。若长度比为d,则 面积的比要与d2成比例，体积比要与d3成比例 。关键是长度比d，一般用波长对它进行度量。 因为超声波的波长要比地震波的波长小许多,故 有可能将实际地下地质结构缩小到实验室中。 长度比要求
V 0 0 0 0 0 J 0 u u J V
式中，V对应P波或S波速度，ρ是介质密度， J （τ0 ）和 J （τ）分别为时刻τ0 及τ时 的雅可比值。
射线法模拟过程
5.2 渐近射线法地震波场正演计算过程
3 声 波 方 程 有 限 元 法 正 演 模 拟 模 块
模块功能简介
. 模拟共炮点记录（CSP）模块 模拟自激自收记录（CDP）模块 模拟垂直地震剖面（VSP）模块 （零偏、有偏多种观测方式）
4 弹 性 波 方 程 有 限 元 法 正 演 模 块
模块功能简介
.
模拟共炮点记录（CSP）模块 模拟自激自收记录（CDP）模块 模拟垂直地震剖面（VSP）模块 （零偏、有偏多种观测方式）
射线法模拟步骤
实现步骤
3)确定在震源处以Φnew为初始入射角入射时 射线出射地表的位置，设该位置为xr(1),若｜ xr(1)-xr｜≤ε(ε为射线出射点与接收点间的 允许误差范围)，则认为射线到达接收点，否 则 在 式 (4.12) 中 ， 以 xr(1) 取 代 xi 或 xi+1, 以 Φnew取代Φi或Φi+1 ，以Φi+1-Φnew取代 △Φ，重新计算新的试验初始入射角，直至 射线到达接收点为止。
（3）
(4） (5) (6)
何为古皮特模型？
射线追踪的步骤？ 何为两点射线追踪、初值问题的求解？ 物理模拟的两个相似性准则。
一、基本概念
正演模拟：指用物理模型和数学模型代替地下 真实介质，用物理实验和数学计算模拟地震记 录的形成过程，以得到理论地震记录的各种方 法、技术。 在地震勘探中 , 正演模拟占据着重要的地位。 它不仅对于地震勘探基础理论的研究具有十分 重要的意义，而且在生产实际中也起着越来越 重要的作用。例如，前述的某些补偿处理需要 用到正演模拟，人机联作解释中很重要的一部 分也是正演模拟。