地震面波全頻散譜反演成像 |張振東等-JGR-SE

地震面波反演是地球內(nèi)部速度結(jié)構(gòu)成像的重要方法，可用于殼幔、油氣藏、城市地下空間等跨尺度目標成像。目前常用的一維面波頻散曲線反演方法假設(shè)地下為層狀介質(zhì)、需要拾取頻散曲線，不適合復(fù)雜構(gòu)造地區(qū)大規(guī)模地震數(shù)據(jù)面波成像；更為先進的面波波形反演方法具有強非線性，對數(shù)據(jù)質(zhì)量和初始速度模型精度等要求較高，在處理實際數(shù)據(jù)時還存在諸多問題。

中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所深層油氣理論與智能勘探開發(fā)重點實驗室張振東特聘研究員、劉伊克研究員聯(lián)合沙特阿卜杜拉國王科技大學(xué)Tariq Alkhalifah教授，提出了波動方程地震面波全頻散譜反演方法。該方法將傳統(tǒng)一維面波頻散曲線反演方法和最新的地震全波形反演理論相結(jié)合，通過數(shù)值方法求解彈性波波動方程模擬地震面波在任意復(fù)雜介質(zhì)中的傳播過程，避免了傳統(tǒng)方法對地下結(jié)構(gòu)的層狀模型近似；將復(fù)雜的地震面波波形變換到保留其頻散特征的頻散譜域進行數(shù)據(jù)比較（圖1），避免了拾取頻散曲線且可以自動利用各階頻散信息；提出了頻散譜相減、頻散譜全局互相關(guān)、頻散譜最優(yōu)輸送和頻散譜局部互相關(guān)四種目標函數(shù)，比較了不同目標函數(shù)的凹凸性、找到了一種全局最優(yōu)目標函數(shù)（圖2）。借助全波形反演統(tǒng)一理論框架，使用伴隨狀態(tài)法計算速度模型梯度和局部優(yōu)化算法迭代更新速度模型，可實現(xiàn)大規(guī)模地震資料的自動處理。該反演思想可推廣至一般反問題，即將復(fù)雜的地震波形變換到保留其主要特征的簡單空間（如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的隱空間）進行比較，降低反演的非線性。隨著油氣、地?zé)帷⒍趸挤獯娴汝懙乜碧侥繕说挠楷F(xiàn)，該方法有望為陸地和淺海探區(qū)高精度速度建模提供一種新的解決方案。

圖1 采集于西南極冰蓋的主動源地震波形數(shù)據(jù)和對應(yīng)的頻率-相速度譜。地震面波由于頻散其時間域波形十分復(fù)雜，采用波形反演方法極容易陷入局部極小值；所對應(yīng)的頻率-相速度譜較波形有更簡單的形式，同時也保留了用于約束速度反演的關(guān)鍵頻散信息

圖2 四種目標函數(shù)凹凸性比較，其中頻散譜最優(yōu)輸運目標函數(shù)具有全局最優(yōu)解，頻散譜局部互相關(guān)目標函數(shù)凸性次之，頻散譜全局互相關(guān)或相減目標函數(shù)更次之

研究成果發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊JGR-SE（張振東, Tariq Alkhalifah, 劉伊克. Full Dispersion-Spectrum Inversion of Surface Waves [J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 2024, 129: e2023JB028469. DOI: 10.1029/2023JB028469.）

編輯：萬鵬