彈性波波場分離方法對比及其在逆時偏移成像中的應(yīng)用

吳 瀟 劉 洋 蔡曉慧

(①中國石油大學(xué)(北京)油氣資源與探測國家重點實驗室，北京 102249； ②中國石油大學(xué)(北京)克拉瑪依校區(qū)石油學(xué)院，新疆克拉瑪依 834000； ③中國石油大學(xué)(北京)CNPC物探重點實驗室，北京102249；④南京工業(yè)大學(xué)巖土工程研究所，江蘇南京 210009)

1 引言

進(jìn)行彈性波逆時偏移成像時，需要將縱、橫波解耦分離，以得到物理意義明確的成像剖面[1-4]。通常采用的分離法都是基于縱、橫波偏振特性上的差異[5]，統(tǒng)稱為基于Helmholtz分解的波場分離法。波場分離法主要有兩類：一類是直接分離法，另一類是間接分離法。

直接分離法是直接對矢量波場進(jìn)行散度、旋度計算，得到縱、橫波波場，主要包括空間域分離及波數(shù)域分離兩種。最早提出的空間域分離法是直接對波場進(jìn)行散度、旋度運算得到縱波標(biāo)量波場和橫波矢量波場，這類方法得到的波場存在振幅和相位畸變，需做校正[6-8]。在此基礎(chǔ)上，Aki等[9]提出空間域矢量分解法，得到的縱波與橫波均為矢量，且在同一分量上與原波場分量極性一致，可直接解決成像時極性反轉(zhuǎn)問題。但空間域的矢量波場分離法也會在一定程度上改變波場的振幅、相位及物理意義。Zhu[10]研究了改進(jìn)的空間域矢量分離法，通過求解一個與原波場滿足泊松方程的矢量場，再對該矢量場做波場分解，實現(xiàn)了保幅的波場分離效果。此外， Zhang等[11]發(fā)展了在波數(shù)域進(jìn)行分離的方法[12，13]，將空間域波場變換到波數(shù)域，通過對波數(shù)做歸一化處理，可保證分離后波場的振幅、相位及物理意義。

間接分離法是對矢量波場進(jìn)行散度、旋度計算，并利用以前時刻分離縱、橫波波場遞推得到下一個時刻的分離縱、橫波波場[14-18]。該方法由馬德堂等[14]提出，直接在波場延拓的過程中得到分離的縱波和橫波波場。在此基礎(chǔ)上，Xiao等[19]通過在原始波場中減去縱波波場，得到分離后的橫波波場，減少了橫波波場遞推的計算量。這一類方法得到的縱、橫波波場與原始波場一致[19，20]。上述兩類方法在彈性波逆時偏移和全波形反演中都得到廣泛應(yīng)用，促進(jìn)了多波多分量地震勘探的發(fā)展。

本文首先回顧了現(xiàn)有的五種基于Helmholtz分解的波場分離法的基本理論，然后分別利用均勻介質(zhì)模型、層狀介質(zhì)模型以及Marmousi模型對其波場分離效果進(jìn)行對比，并將分離后的縱、橫波場用于彈性波逆時偏移中。通過分析不同波場分離法的優(yōu)缺點及其波場分離效果對彈性波逆時偏移成像結(jié)果的影響，可以為不同情況下采用合適的波場分離法提供有益的參考。

2 彈性波波場分離方法對比

2.1 波場分離方法

在均勻介質(zhì)中，彈性波波動方程可表示為[9]

(1)

式中：U(x,y,z)為位移矢量；λ和μ為拉梅系數(shù)；f(x,y,z)為震源項。由于縱、橫波在x方向和z方向上都有投影，正演模擬和實際野外地震勘探采集數(shù)據(jù)都是縱、橫波耦合在一起的。在做逆時偏移等成像處理時，首先需要將縱波波場和橫波波場分離開來，從而得到清晰且物理意義明確的成像結(jié)果。廣泛使用的是Helmholtz分解[5]。由縱、橫波的偏振特性可知，縱波波場的旋度為零，橫波波場的散度為零，則有

(2)

式中：UP表示縱波分量；US表示橫波分量。

因此，原始波場可完全分解為縱波波場(無旋場)與橫波波場(無散場)兩部分，即

U=UP+US

(3)

2.1.1 直接分離方法

(1)直接分離得到縱、 橫波標(biāo)量波場的空間域方法

常規(guī)的Helmholtz分解方法是在空間域直接對波場進(jìn)行散度運算和旋度運算[5]，求散度得到縱波標(biāo)量波場，求旋度得到橫波矢量波場，即

(4)

(2)直接分離得到縱、 橫波矢量波場的空間域方法

Aki等[9]提出了在空間域分離得到縱、橫波矢量波場的方法，分離公式為

(5)

(3)改進(jìn)的直接分離得到縱、橫波矢量波場的空間域方法

Zhu[10]改進(jìn)Aki等[9]的方法提高分離精度。改進(jìn)的方法引入一個新的矢量場W，使其與原速度場U滿足矢量泊松方程

(6)

(7)

利用式(2)與式(3)，可得

(8)

通過求解泊松方程得到W，即可分別計算縱波波場和橫波波場。

(4)直接分離得到縱、 橫波矢量波場的波數(shù)域方法

Zhang等[13]將Aki等[9]的方法發(fā)展到波數(shù)域，以提高分離精度，其計算公式為

(9)

2.1.2 間接分離方法

馬德堂等[14]從波動方程出發(fā)，結(jié)合縱、橫波偏振特性，推導(dǎo)出縱、橫波分離的彈性波動方程為

(10)

在波場延拓過程中，可通過有限差分方法遞推計算矢量縱、橫波場。

Xiao等[19]和Wang等[20]提出可通過從全波場中減去縱波波場得到橫波波場，即

US=U-UP

(11)

為了敘述方便，以下將直接分離得到縱、橫波標(biāo)量波場的空間域方法簡稱為常規(guī)方法，直接分離得到縱、橫波矢量波場的空間域方法簡稱為空間域直接分離法，改進(jìn)的直接分離得到縱、橫波矢量波場的空間域方法簡稱為改進(jìn)的空間域直接分離法，直接分離得到縱、橫波矢量波場的波數(shù)域方法簡稱為波數(shù)域直接分離法。

圖1展示了以上五種基于Helmholtz分解的波場分離法的發(fā)展歷程及相互關(guān)系。常規(guī)方法改變了縱、橫波場的振幅和相位及原有的物理意義，且存在極性問題?？臻g域直接分離法校正了波場極性，但也存在振幅和相位差異。改進(jìn)的空間域直接分離法不僅能保證振幅和相位的準(zhǔn)確性，同時還具有嚴(yán)格的物理意義，但求解泊松方程需要較大的計算量。波數(shù)域直接分離法通過對波數(shù)進(jìn)行歸一化處理，保證了分離后的波場與原波場一致，但對每個時刻的波場進(jìn)行傅里葉變換也需要增加較大的計算量。間接分離法在波場延拓的過程中分別遞推下一時刻的縱、橫波場，提高了分離精度，但分離得到的縱、橫波波場在界面處存在能量異常，需要對模型進(jìn)行平滑處理[11]。

圖1 基于Helmholtz分解的波場分離法

2.2 波場分離效果對比

分別采用均勻介質(zhì)模型、層狀介質(zhì)模型與Marmousi模型進(jìn)行波場正演模擬，利用以上五種波場分離法對縱、橫波場進(jìn)行分離，并對波場分離結(jié)果進(jìn)行分析和對比。

2.2.1 均勻介質(zhì)模型

均勻介質(zhì)模型尺寸為4000m×4000m，縱、橫波速度分別為4000、2500m/s，密度為2.25g/cm3。采用交錯網(wǎng)格時空域優(yōu)化有限差分方法[21-23]進(jìn)行正演模擬，計算邊界應(yīng)用PML吸收邊界條件[24]?？臻g采樣間隔為10m，時間采樣間隔為1ms。震源采用15Hz的Ricker子波，位于速度模型中心。

圖2為正演模擬得到的0.4s時刻的波場快照及常規(guī)方法分離得到的縱、橫波分離結(jié)果。分離得到的縱、橫波波場均為標(biāo)量波場，其中縱波波場在震源左、右兩側(cè)存在極性反轉(zhuǎn)，在震源上、下兩側(cè)不存在極性反轉(zhuǎn)，而橫波波場在震源上、下兩側(cè)存在極性反轉(zhuǎn)，在左、右兩側(cè)不存在極性反轉(zhuǎn)。利用轉(zhuǎn)換波進(jìn)行逆時偏移成像時，在成像界面左、右兩側(cè)會存在極性反轉(zhuǎn)現(xiàn)象。

圖2 均勻介質(zhì)模型常規(guī)方法分離結(jié)果

圖3 均勻介質(zhì)模型四種方法分離效果對比 (a)x分量； (b)z分量

從左至右依次為0.4s時刻原始波場、分離得到的橫波波場、縱波波場及分離后波場相加與原始波場的殘差；為便于比較，將四種分離法所得波場各取1/4置于四個象限中，每個波場快照中左上為空間域直接分離法，右上為改進(jìn)的空間域直接分離法，左下為波數(shù)域直接分離法，右下為間接分離法

圖3顯示了采用四種不同矢量分離法得到的x分量和z分量縱、橫波波場。由圖中可見，針對均勻介質(zhì)，各方法都能得到較好的分離結(jié)果，但在波場振幅和相位上還存在一些差異。采用空間域直接分離法得到的縱、橫波波場與原始波場差異較大(圖3左上部分)。其他三種矢量分離法得到縱、橫波波場相加后與原始波場的誤差均較小。其中改進(jìn)的空間域直接分離法存在極少量的能量泄露(圖3右上部分)。而波數(shù)域直接分離法得到的波場中還存在少量由于傅里葉變換引入的噪聲[8]。間接分離法在均勻介質(zhì)中分離效果最好，得到的縱、橫波場與原始波場一致。如圖4所示， 單道數(shù)據(jù)對比更清晰地顯示

圖4 抽取的x=2500m處四種矢量分離法得到的z分量橫波波場快照中單道數(shù)據(jù)對比

第1道為原始波場，第2～第5道依次為空間域直接分離法、改進(jìn)的空間域直接分離法、波數(shù)域直接分離法、間接分離法得到的橫波，第6～第9道依次為四種方法分離得到的縱波，第10～第13道依次為四種方法分離的殘差了分離效果的差異。

2.2.2 層狀介質(zhì)模型

層狀介質(zhì)模型(圖5)尺寸為4000m×4000m，上下層縱、橫波速度分別為vP1=4000m/s，vS1=2500m/s，及vP2=5000m/s，vS2=3200m/s，層厚均為2000m。震源位于(2000m，1500m)處，采用相同的參數(shù)進(jìn)行正演模擬。圖6顯示了正演模擬t=0.5s時刻波場快照及常規(guī)方法得到的縱、橫波分離結(jié)果，與均勻介質(zhì)模型試算結(jié)果類似，縱、橫波分離得干凈，但同樣存在極性問題。圖7～圖10分別顯示了采用四種不同矢量分離法得到的x分量和z分量縱、橫波分離結(jié)果。從圖中可看出，各方法都能得到較好的分離結(jié)果。其中，當(dāng)存在速度突變時，采用間接分離法得到的縱、橫波波場在界面處會存在異常，如圖10中箭頭所示。 分析其原因是間接分離法在波場延拓過程中，未考慮在界面處縱、橫波發(fā)生轉(zhuǎn)換的情況，因此在界面處還有能量殘留。

圖5 層狀介質(zhì)模型示意圖

圖6 層狀介質(zhì)模型常規(guī)方法分離結(jié)果

圖7 層狀介質(zhì)模型空間域直接分離法得到的結(jié)果

圖8 層狀介質(zhì)模型改進(jìn)的空間域直接分離法得到的結(jié)果

圖9 層狀介質(zhì)模型波數(shù)域直接分離法得到的結(jié)果

2.2.3 Marmousi模型

采用相同的正演模擬參數(shù)，針對Marmousi模型(圖11)進(jìn)行正演模擬及波場分離測試，Marmousi模型尺寸為5000m×3250m(對應(yīng)于501×353個網(wǎng)格點)，震源位于(2500m，10m)處。

圖12顯示了正演模擬t=1.0s時刻的波場快照及通過常規(guī)方法得到的縱、橫波分離結(jié)果。圖13～圖16分別顯示了采用四種不同矢量分離法得到的x分量和z分量縱、橫波分離結(jié)果。從圖中可看出，針對Marmousi模型，一次反射和透射的縱、橫波能量都能得到有效分離。其中，波數(shù)域直接分離法得到的波場存在極少量傅里葉變換產(chǎn)生的人工噪聲； 間接分離法得到的縱、橫波波場在速度突變處存在能量異常；通過改進(jìn)的空間域直接分離法的分離效果最好，但相加后的波場與原始波場相比存在少量的能量泄露。與前文理論分析結(jié)果一致。

圖10 層狀介質(zhì)模型間接分離法得到的結(jié)果

為了對比各種波場分離法的計算效率，在正演模擬過程中采用不同分離法對每一時刻的波場進(jìn)行

波場分離，統(tǒng)計了不同方法正演模擬的總耗時，如表1所示?？梢钥闯龈倪M(jìn)的空間域波場分離法耗時最長，波數(shù)域方法和間接分離法耗時適中，兩種空間域分離法耗時最小，與理論分析一致。

圖11 Marmousi模型示意圖

圖12 Marmousi模型常規(guī)方法分離結(jié)果

圖13 Marmousi模型空間域直接分離法得到的結(jié)果

圖14 Marmousi模型改進(jìn)的空間域直接分離法得到的結(jié)果

模 型模型網(wǎng)格尺寸正演模擬時長/s未進(jìn)行波場分離/s常規(guī)方法s空間域直接分離法/s改進(jìn)的空間域直接分離法/s波數(shù)域直接分離法/s間接分離法/s均勻模型401×4010.447.7752.9358.99101.1667.6871.79層狀模型401×4010.559.6665.5273.05124.0283.3888.25Marmousi模型501×3531.0134.37147.05164.31274.71232.11199.83

圖15 Marmousi模型波數(shù)域直接分離法得到的結(jié)果

圖16 Marmousi模型間接分離法得到的結(jié)果

3 彈性波逆時偏移成像

3.1 矢量波場的標(biāo)量成像條件

采用基于矢量波場的歸一化標(biāo)量成像條件[25-27]，以下行縱波震源為例

(12)

式中：·表示兩個矢量的內(nèi)積；S(x,t)和R(x,t)分別表示t時刻的震源波場及檢波點波場，其中x表示成像點空間坐標(biāo)；IPP和IPS分別表示震源縱波波場與檢波點縱波波場、震源縱波波場與檢波點轉(zhuǎn)換橫波波場的偏移成像結(jié)果。

3.2 Marmousi模型試算

為了對比以上五種分離法得到的縱、橫波波場對于彈性波逆時偏移成像結(jié)果的影響，采用Mar-mousi模型進(jìn)行試算。震源位于地表，共51炮激發(fā)，炮間距為10m。正演模擬記錄長度為4.0s，時間采樣間隔為1ms，震源采用雷克子波，主頻為15Hz。對最終的成像結(jié)果進(jìn)行Laplace濾波以去除成像低頻噪聲。其中，對于常規(guī)方法的轉(zhuǎn)換波成像剖面，在單炮偏移剖面的震源右側(cè)乘以-1以近似解決極性反轉(zhuǎn)的問題[28]。

如圖17所示為采用五種不同分離法得到的縱、

圖17 五種不同波場分離法得到縱、轉(zhuǎn)換波場的逆時偏移成像剖面

橫波波場應(yīng)用于逆時偏移的成像結(jié)果。左側(cè)為震源縱波波場與檢波點縱波波場成像結(jié)果，右側(cè)為檢波點橫波波場與震源縱波波場成像結(jié)果?？梢姴▓龇蛛x結(jié)果對最終的成像剖面的振幅及界面信息存在一定影響，且轉(zhuǎn)換波偏移成像結(jié)果對波場分離效果更敏感。通過常規(guī)方法和空間域直接分離法兩種方法得到的波場由于振幅和相位有畸變，導(dǎo)致最終的成像剖面上深層能量較弱，界面成像模糊。改進(jìn)的空間域直接分離法和波數(shù)域直接分離法得到的波場由于很好地保存了原始波場的特征，最終的成像剖面上深層能量較強，界面刻畫清晰。間接分離法得到的波場同樣也能得到較好的成像結(jié)果，但是由于分離得到的波場在界面處存在異常，導(dǎo)致最終成像剖面上界面處也存在一些能量異常。

此外，通過對單炮逆時偏移計算時間(表2)進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，常規(guī)方法所需的分離計算量最小，逆時偏移所需的計算時間也最少，但成像效果較差；空間域直接分離法和間接分離法的計算量相對適中，成像結(jié)果也較常規(guī)方法的成像結(jié)果更清晰；而波數(shù)域直接分離法和改進(jìn)的空間域分離法由于需要對每個時刻的波場進(jìn)行傅里葉變換，導(dǎo)致所需時間最長，但是成像結(jié)果也最好。

表2 采用不同波場分離法進(jìn)行逆時偏移單炮計算耗時對比

4 結(jié)論

通過對比五種基于Helmholtz分解的縱、橫波波場分離效果及相應(yīng)的逆時偏移成像結(jié)果，得到以下結(jié)論：

(1)基于Helmholtz分解的五種方法在模型試算中都可以獲得較好的縱、橫波分離結(jié)果，但是各方法的計算效率與分離效果存在差異。與常規(guī)方法相比，四種矢量分離法都解決了轉(zhuǎn)換波逆時偏移中存在極性反轉(zhuǎn)的問題。其中： 間接分離法成像效果很好，但在界面處存在能量異?，F(xiàn)象； 改進(jìn)的空間域直接分離法和波數(shù)域直接分離法均具有較好的保幅性，保存了原始波場的特征，深層構(gòu)造成像效果更好。

(2)為了使彈性波逆時偏移達(dá)到實用化，需要綜合考慮不同波場分離法的實際應(yīng)用情況，選擇合適的縱、橫波分離法，平衡計算效率與分離精度。