技術(shù)領(lǐng)域：

本發(fā)明涉及一種地質(zhì)體地下深層構(gòu)造的成像問題，尤其是利用微震記錄對地下構(gòu)造進(jìn)行直接成像的方法。

背景技術(shù)：
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利用被動源記錄對地下構(gòu)造進(jìn)行成像是被動源領(lǐng)域的重要研究點(diǎn)之一。無論是微震事件還是環(huán)境噪聲，目前常規(guī)的對構(gòu)造進(jìn)行成像的方法都是：先進(jìn)行主動源記錄的重構(gòu)，再利用重構(gòu)出的記錄進(jìn)行成像。利用被動源記錄重構(gòu)主動源記錄起源于claerbout(1985.imagingtheearth'sinterior.geophysicaljournaloftheroyalastronomicalsociety86(1).217-217)提出的“聲波日光成像”，該方法證明了：對由地下傳到地表的透射波記錄進(jìn)行自相關(guān)，其結(jié)果等價于地表自激自收的模擬記錄。該方法被schuster(2001.seismicinterferometric/daylightimaging:tutorial)命名為地震干涉?；ハ嚓P(guān)方法是地震干涉中最常用的方法，它可以用于處理單個微震記錄，也可以用于處理噪聲記錄以獲得有效信息。隨后發(fā)展起來的反褶積方法(ivanvasconcelosandroelsnieder.2008.interferometrybydeconvolution:part1-theoryforacousticwavesandnumericalexamples.geophysics73(3).s115-s128；ivanvasconcelosandroelsnieder.2008.interferometrybydeconvolution:part2-theoryforelasticwavesandapplicationtodrill-bitseismicimaging.geophysics73(3).s129-s141)以及多維反褶積方法(keeswapenaar,joostvanderneutandelmerruigrok.2008.passiveseismicinterferometrybymultidimensionaldeconvolution.geophysics73(6).a51-a56；keeswapenaar,joostvanderneut,elmerruigrok,deyandraganov,juerghunziker,evertslob,janthorbeckeandroelsnieder.2011.seismicinterferometrybycrosscorrelationandbymultidimensionaldeconvolution:asystematiccomparison.geophysicaljournalinternational185(3).1335-1364)分別解決了互相關(guān)方法的某些缺陷。

目前所有基于波動方程的偏移方法都是以逆散射為理論基礎(chǔ)發(fā)展而來的，這其中包括了單程波偏移、逆時偏移等。地震數(shù)據(jù)的散射波傳播包括入射波傳播、散射、散射波傳播三個過程。這一類偏移成像方法需要先重構(gòu)出入射波與散射波的傳播過程，再根據(jù)“時間一致性”成像原理，來得到散射位置處的構(gòu)造成像。廣義上講，反射波也屬于散射波。入射場與散射場的重構(gòu)過程是一個數(shù)值求解微分方程(即波動方程)的過程，其初始值一般取波場值為零，邊界條件就是在某些位置的入射波和散射波的記錄。在常規(guī)的主動源勘探當(dāng)中，這兩者都容易得到：入射波的記錄可用估計出的震源子波，位置在震源激發(fā)處；散射波的記錄可用去除直達(dá)波的共炮點(diǎn)道集，位置在檢波點(diǎn)處。但在被動源勘探中，尋找滿足散射關(guān)系的入射波與散射波記錄并不容易，因此這是利用被動源記錄對構(gòu)造進(jìn)行成像的最關(guān)鍵的問題。

另外，這里還需要注意區(qū)分：在“重構(gòu)主動源記錄”和“重構(gòu)入射場與散射場”中，兩個重構(gòu)所指的是完全不同的過程。

在先重構(gòu)主動源記錄再成像的方法中，被動源成像被轉(zhuǎn)化成為了常規(guī)的主動源成像問題，由此解決了重構(gòu)入射場和散射場的邊界條件問題。然而在此情況下：一方面，入射場與散射場重構(gòu)的邊界條件的位置都是地表；另一方面，地震干涉重構(gòu)實(shí)際上是提取了被動源記錄中的一部分自由表面多次波，而忽略了透射波所攜帶的來自震源下方的反射波信息。因此，深部構(gòu)造的成像效果不如淺部好。

主動源記錄的重構(gòu)要求震源包圍觀測系統(tǒng)，這通常是個不易達(dá)到的條件。對被動源記錄進(jìn)行直接偏移成像則無此限制，但這方面的相關(guān)研究目前還很少。artman(2006.imagingpassiveseismicdata.geophysics71s(4).si177-si187)提出了將微震記錄既當(dāng)作入射場重構(gòu)的邊界條件，也當(dāng)做散射場重構(gòu)的邊界條件，從而實(shí)現(xiàn)了直接偏移成像。該方法可以不用分離出單個的微震事件，但其利用的有效信息實(shí)際上仍然是自由表面多次波，因而深部成像效果也不太好。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
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本發(fā)明的目的是針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種新的利用微震記錄對地下構(gòu)造直接成像的方法。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

首先假設(shè)微震的位置與子波是已知的，依據(jù)是這兩種信息可以通過微震定位的方法求得；之后，可以直接使用逆時偏移，采用互相關(guān)成像條件，將近真實(shí)的微震事件作為入射場重構(gòu)的邊界條件，將時間軸倒轉(zhuǎn)的微震記錄作為散射場重構(gòu)的邊界條件，以對地下目標(biāo)區(qū)域的構(gòu)造進(jìn)行成像，這里的目標(biāo)區(qū)域?yàn)檎鹪聪路?。在此情況下，本方法會給成像結(jié)果帶來一種尾波高頻干擾，對此，在成像過程中，對入射場和散射場都進(jìn)行左右行波分離，以壓制該噪聲。同時，在成像過程中使用了上下行波分離，并對成像結(jié)果使用了拉普拉斯濾波，以壓制逆時偏移中固有的低頻噪聲。

本發(fā)明所述的利用微震記錄對地下構(gòu)造直接成像的方法是通過matlab和visualstudio–c/c++雙平臺實(shí)現(xiàn)的。

本發(fā)明的目的是人通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

本發(fā)明所述的利用微震記錄對地下構(gòu)造直接成像的方法，在成像條件不同時，成像流程有所不同。

一種利用微震記錄對地下構(gòu)造直接成像的方法，有已知微震子波和未知微震子波兩種情況，當(dāng)微震子波已知時，包括以下步驟：

a、輸入微震記錄以及地下速度模型；

b、輸入震源位置和微震子波；

c、重構(gòu)入射場與散射場，并存儲所有時刻的波場快照；

d、對入射場和散射場進(jìn)行上下行波分離；

e、對上下行波分別進(jìn)行左右行波分離；

f、應(yīng)用互相關(guān)成像條件：對于上下行波，同向波場之間應(yīng)用成像條件，對于左右行波，反向波場之間應(yīng)用成像條件；

g、對f步驟中不同成分的成像結(jié)果進(jìn)行歸一化疊加；

h、對所有微震事件都進(jìn)行c到g的處理，保存每一份成像結(jié)果；

i、對所有微震事件的成像結(jié)果進(jìn)行疊加；

j、對該結(jié)果進(jìn)行拉普拉斯濾波，得到最終成像結(jié)果。

當(dāng)微震子波未知時，包括以下步驟：

a、輸入微震記錄以及地下速度模型；

b、輸入震源位置；

c、計算微震事件的初至走時；

d、求取微震震源關(guān)于自由表面的鏡像點(diǎn)；

e、以該鏡像點(diǎn)為震源，計算其在地下模型中的初至走時；

f、重構(gòu)散射場，并存儲所有時刻的波場快照；

g、應(yīng)用激發(fā)時間成像條件，提取散射場中的有效成像值；

h、對所有微震事件都進(jìn)行c到g的處理，保存每一份成像結(jié)果；

i、對所有微震事件的成像結(jié)果進(jìn)行疊加；

j、對該結(jié)果進(jìn)行拉普拉斯濾波，得到最終成像結(jié)果。

有益效果：本發(fā)明的方法將的微震事件作為入射場重構(gòu)的邊界條件，在利用微震數(shù)據(jù)直接成像方法中，將入射場重構(gòu)的邊界條件的位置移動到地下，有效地提高了深層介質(zhì)的入射場精度，從而有效改善了直接成像法對于深層介質(zhì)的成像效果。有以下優(yōu)點(diǎn)：①微震數(shù)據(jù)直接成像法對微震的數(shù)量、密度以及分布等屬性均無要求，零散的微震事件也可以用來成像；②在采用互相關(guān)成像條件時，使用近似真實(shí)的微震事件來重構(gòu)入射場，使得震源下方的入射場更加精確；③除了拉普拉斯濾波這種圖像處理技術(shù)外，在波場的傳播過程中使用了上下行波分離以及左右行波分離的方法來壓制高頻與低頻噪聲，即從物理的層面對成像結(jié)果中的噪聲進(jìn)行了壓制；④在采用激發(fā)時間成像條件時，避免了對于子波波形求解，節(jié)省了大量的計算時間。

附圖說明：

圖1一種利用微震記錄對地下構(gòu)造直接成像的方法流程圖。

圖2左右行波分離對高頻噪聲壓制的效果展示：

(a)正演速度模型以及偏移速度模型，一個微震震源(由白色點(diǎn)指示)位于(3500m,1100m)處，模型只顯示了一部分；

(b)原始偏移結(jié)果；

(c)利用左右行波分離壓制尾波干擾之后的成像結(jié)果。

圖3數(shù)值算例中的速度模型：

(a)正演速度模型以及偏移速度模型；

(b)結(jié)果展示區(qū)域的速度模型。

圖4震源稀疏，單個微震記錄可分離的成像測試：

(a)正演速度模型以及微震分布；

(b)傳統(tǒng)方法的成像結(jié)果；

(c)本方法的成像結(jié)果；

(d)未對尾波干擾進(jìn)行壓制的成像結(jié)果。

圖5激發(fā)時間成像條件的走時計算示意：

(a)走時計算示例模型，白色圓點(diǎn)代表微震位置；

(b)原始震源初至走時；

(c)直達(dá)波經(jīng)一次自由表面反射后的走時，即鏡像點(diǎn)初至走時。

圖6使用激發(fā)時間成像條件得到的成像結(jié)果。

具體實(shí)施方式：

下面結(jié)合附圖和實(shí)例對本發(fā)明進(jìn)一步的詳細(xì)說明。

本發(fā)明所述的利用微震記錄對地下構(gòu)造直接成像的方法，包括以下步驟：

a、輸入微震記錄以及地下速度模型，微震記錄需要是耽擱時間可分離的，否則成像結(jié)果中會出現(xiàn)串?dāng)_噪聲。

b、輸入震源位置和微震子波；

c、重構(gòu)入射場與散射場，并存儲所有時刻的波場快照；

波場重構(gòu)的過程實(shí)際上是數(shù)值求解微分方程(波動方程)的過程，求解的前提條件包括初值條件以及邊界條件。初值條件一般選擇全體空間內(nèi)的波場值均為零，而邊界條件即為某些位置處的地震記錄。此處用于重構(gòu)入射場的邊界條件為近似真實(shí)的微震事件(已知的震源位置以及子波)，用于重構(gòu)散射場的邊界條件為位于地表的、時間軸倒轉(zhuǎn)的微震記錄。

由于這樣重構(gòu)出的入射場包含了接近實(shí)際的自由表面多次波，故在其成像結(jié)果中也就包含了近似的傳統(tǒng)方法的成像結(jié)果。

d、對入射場和散射場進(jìn)行上下行波分離；

以x(水平軸)-z(深度軸)-t(時間軸)數(shù)據(jù)體為例，左右行波的分離可以在對t軸和z軸進(jìn)行二維傅里葉變換后的ω(頻率)-kz(垂直波數(shù))域?qū)崿F(xiàn)。

e、對上下行波分別進(jìn)行左右行波分離；

以x(水平軸)-z(深度軸)-t(時間軸)數(shù)據(jù)體為例，左右行波的分離可以在對t軸和x軸進(jìn)行二維傅里葉變換后的ω(頻率)-kx(水平波數(shù))域?qū)崿F(xiàn)。分離的方程可表示為：

式中，u表示波場值，其下角標(biāo)中的第一個字母，s表示入射波場，r表示散射波場；第二個字母，l表示左行波，r表示右行波。簡單來講，這四個方程說明：在ω-kx域，一三象限對應(yīng)的是左行波，而二四象限對應(yīng)的是右行波。再將其反變換回時空(t-x)域，即可完成左右行波的分離。

f、應(yīng)用互相關(guān)成像條件：對于上下行波，同向波場之間應(yīng)用成像條件，對于左右行波，反向波場之間應(yīng)用成像條件；

以左右行波為例，在進(jìn)行左右行波分離之后，震源下方某點(diǎn)xi的成像值i(xi)可表示為：

式中，xs表示震源位置，xr表示檢波點(diǎn)位置；t為波場傳播時間，t表示微震記錄總時間。

在去除了由同向波場所得的成像值之后，最終得到的震源下方某點(diǎn)xi的成像值i(xi)可表示為

g、對f步驟中不同成分的成像結(jié)果進(jìn)行歸一化疊加；

此處歸一化所采用的方法是對每一份成像結(jié)果都除以該結(jié)果中的最大絕對值，這是為了均衡各份成像結(jié)果的振幅大小。

h、對所有微震事件都進(jìn)行c到g的處理，保存每一份成像結(jié)果；

i、對所有微震事件的成像結(jié)果進(jìn)行疊加；

j、對該結(jié)果進(jìn)行拉普拉斯濾波，得到最終成像結(jié)果。

當(dāng)微震子波未知時，包括以下步驟：

a、輸入微震記錄以及地下速度模型；

b、輸入震源位置；

c、計算微震事件的初至走時；此處使用的是數(shù)值法求解程函方程。

d、求取微震震源關(guān)于自由表面(即地表)的鏡像點(diǎn)；

e、以該鏡像點(diǎn)為震源，計算其在地下模型中的初至走時；這實(shí)際上求取的是直達(dá)波經(jīng)過一次自由表面反射之后在地下介質(zhì)中的走時。自由表面到鏡像點(diǎn)之間的速度模型應(yīng)為地下速度模型的鏡像。

f、重構(gòu)散射場，并存儲所有時刻的波場快照；重構(gòu)思想與c步驟相同。

g、應(yīng)用激發(fā)時間成像條件，提取散射場中的有效成像值；由鏡像點(diǎn)初至走時提取出的有效成像值即為近似的傳統(tǒng)方法的成像結(jié)果。

h、對所有微震事件都進(jìn)行c到g的處理，保存每一份成像結(jié)果；

i、對所有微震事件的成像結(jié)果進(jìn)行疊加；

j、對該結(jié)果進(jìn)行拉普拉斯濾波，得到最終成像結(jié)果。

實(shí)施例1：

a、輸入微震記錄以及地下速度模型；

使用數(shù)值實(shí)驗(yàn)對本方法進(jìn)行了驗(yàn)證。所用的模型、觀測系統(tǒng)等各類參數(shù)如下：正演速度模型以及偏移速度模型如圖3(a)所示，為marmousi模型中界面較為平緩的一部分；模型大小為230*500，網(wǎng)格間距為10m，250個檢波點(diǎn)以20m為間距均勻分布在地表，時間采樣間隔為1ms，地下微震事件的子波均采用30hz的雷克子波。將微震的位置、激發(fā)時間與子波均設(shè)置為已知量，即本算例測試的是互相關(guān)成像條件；

b、輸入震源位置；

由于本方法僅將震源下方的成像結(jié)果視為有效信息，故算例的震源位置設(shè)定在地下淺部，具體為深度不超過700m，以增加成像目標(biāo)區(qū)域的范圍；相應(yīng)地，在對比成像結(jié)果時，只展示深度在800m以上的部分，這也是為了避開震源附近的強(qiáng)干擾，其對應(yīng)的速度模型如圖3(b)所示；

為了保證在最終疊加時，水平方向不同位置的覆蓋次數(shù)是基本一致的，在本算例中，假設(shè)在地下500m深度的位置等間隔分布有9個微震震源(圖4(a))。

c、重構(gòu)入射場與散射場，并存儲所有時刻的波場快照；

d、對入射場和散射場進(jìn)行上下行波分離；

e、對上下行波分別進(jìn)行左右行波分離；

f、應(yīng)用互相關(guān)成像條件：對于上下行波，同向波場之間應(yīng)用成像條件，對于左右行波，反向波場之間應(yīng)用成像條件；

g、對f1中的不同成分的成像結(jié)果進(jìn)行歸一化疊加；

h、對所有微震事件都進(jìn)行c到g的處理，保存每一份成像結(jié)果；

i、對所有微震事件的成像結(jié)果進(jìn)行疊加；

j、對該結(jié)果進(jìn)行拉普拉斯濾波，得到最終成像結(jié)果。

由該模型得到9份單事件微震記錄，對每份記錄分別成像再進(jìn)行疊加，傳統(tǒng)方法的結(jié)果如圖4(b)所示，本方法的結(jié)果如圖4(c)所示。單從結(jié)果來看，兩圖對于構(gòu)造界面的刻畫都是比較連續(xù)而精細(xì)的，且沒有出現(xiàn)明顯的錯誤；但對比來看，尤其是圖像左下方這一片區(qū)域，圖4(c)明顯比圖4(b)要更加完整和清晰，這在一定程度上體現(xiàn)出了本方法對深層界面進(jìn)行成像的能力；

圖4(d)展示的是未對尾波干擾進(jìn)行壓制的成像結(jié)果。與該結(jié)果相比，在對該噪聲進(jìn)行壓制之后的結(jié)果(圖4(c))中，雜亂的高頻噪聲得到了衰減，同相軸的連續(xù)性與清晰度均得到了提高；

實(shí)施例2：

a、輸入微震記錄以及地下速度模型；

使用數(shù)值實(shí)驗(yàn)對本方法進(jìn)行了驗(yàn)證。所用的模型、觀測系統(tǒng)等各類參數(shù)如下：正演速度模型以及偏移速度模型如圖3(a)所示，為marmousi模型中界面較為平緩的一部分；模型大小為230*500，網(wǎng)格間距為10m，250個檢波點(diǎn)以20m為間距均勻分布在地表，時間采樣間隔為1ms，地下微震事件的子波均采用30hz的雷克子波。將微震的位置、激發(fā)時間設(shè)置為已知量，而子波為未知量，即本算例測試的是激發(fā)時間成像條件；

b、輸入震源位置；

由于本方法僅將震源下方的成像結(jié)果視為有效信息，故算例的震源位置設(shè)定在地下淺部，具體為深度不超過700m，以增加成像目標(biāo)區(qū)域的范圍；相應(yīng)地，在對比成像結(jié)果時，只展示深度在800m以上的部分，這也是為了避開震源附近的強(qiáng)干擾，其對應(yīng)的速度模型如圖3(b)所示；

為了保證在最終疊加時，水平方向不同位置的覆蓋次數(shù)是基本一致的，在本算例中，假設(shè)在地下500m深度的位置等間隔分布有9個微震震源(圖4(a))。

c、計算微震事件的初至走時；

以圖5(a)所示的模型為簡單示例，地下淺層存在一個震源(白色圓點(diǎn))。按照本方法，入射場重構(gòu)的邊界條件是近真實(shí)的微震事件，于是，此時目標(biāo)區(qū)域(震源下方)的入射場走時就是以真實(shí)震源為震源點(diǎn)計算得到的初至走時(圖5(b))。

d、求取微震震源關(guān)于自由表面的鏡像點(diǎn)；

e、以該鏡像點(diǎn)為震源，計算其在地下模型中的初至走時；

在使用互相關(guān)成像條件時，本方法實(shí)際上近似包含了傳統(tǒng)方法的成像結(jié)果。這一點(diǎn)在激發(fā)時間成像條件中也可以實(shí)現(xiàn)。傳統(tǒng)方法的入射場十分復(fù)雜，并非單一同相軸的波場，無法計算出其中所有同相軸的走時；然而，在這所有的同相軸中，由震源上行直達(dá)波經(jīng)一次自由表面反射得到的反射波是其入射場中能量最強(qiáng)、也是對成像結(jié)果貢獻(xiàn)最多的成分。這條同相軸的走時可以利用簡單的鏡像法來求得(圖5(c))。

f、重構(gòu)散射場，并存儲所有時刻的波場快照；

g、應(yīng)用激發(fā)時間成像條件，提取散射場中的有效成像值；

h、對所有微震事件都進(jìn)行c到g的處理，保存每一份成像結(jié)果；

i、對所有微震事件的成像結(jié)果進(jìn)行疊加；

j、對該結(jié)果進(jìn)行拉普拉斯濾波，得到最終成像結(jié)果。

對每一份單事件微震記錄，從重構(gòu)的散射場中將圖5(b)和(c)所代表的兩類有效信息提取出來并疊加，再對9份成像結(jié)果進(jìn)行疊加，所得結(jié)果如圖6所示。圖6與圖4(c)的成像質(zhì)量沒有明顯差別，在同相軸連續(xù)性和界面清晰度上基本一致。