基于最优输运原理的陆上单分量资料弹性波全波形反演

2021-10-23 11:38李青阳吴国忱王玉梅慎国强段沛然

石油地球物理勘探 2021年5期

李青阳吴国忱* 王玉梅慎国强段沛然

(①中国石油大学(华东)地球科学与技术学院，山东青岛 266580；②海洋国家实验室海洋矿产资源评价与探测技术功能实验室，山东青岛 266071；③中国石化胜利油田物探研究院，山东东营 257022)

0 引言

全波形反演(FWI)是一种将模拟和观测数据之间的残差最小化以获得高分辨率介质参数的方法[1]。Tarantola[2]从波动方程出发，通过波场残差逆时传播计算梯度方向，建立了基于最小二乘理论的时间域声波波形反演(AFWI)。在声波波形反演理论基础上，Tarantola[3]进一步提出了基于二阶位移形式的弹性波动方程的波形反演(EFWI)理论，从此奠定了弹性波形反演理论的坚实基础。

在弹性波反演领域，Mora[4]应用模型数据对 Tarantola的弹性波波形反演理论[3]进行了测试并指出FWI对低频信息依赖性强、计算量大且效率低。Köhn等[5]分析了不同参数化对弹性波反演结果串扰现象的影响。Jeong等[6]在频率域利用超低频信号实现了密度和速度的准确反演。Ren等[7]利用弹性波波动方程解耦压制参数之间的串扰。Wang等[8]提出P/S模式解耦梯度预条件方法，借助海森与分辨率矩阵“模式”分解建立了波模式解耦的EFWI方法，有效降低纵、横波速度串扰效应，改善了反演的收敛性。Raknes等[9]在Sleipner区域利用纵、横波速度和密度间的经验公式实施了弹性参数反演。相比纵、横波速度参数，密度变化主要影响地震波场的振幅信息，而对诸如传播时间和相位之类的波扩散参数影响很小，因此密度很难准确反演，由于其与速度的高度耦合性，通常反演中被设定为某个常数。李青阳等[10]利用速度和密度的高度耦合性进行了密度建模和反演。

自20世纪90年代以来，海底电缆(OBC)系统的出现促进了海洋地震勘探技术[11-13]取得了巨大的进展。2000年后，陆上多波多分量勘探逐渐发展起来。对于多分量地震数据，EFWI比AFWI更适合于地下弹性参数的高精度重构[14]。在复杂区域，AFWI无法描述弹性波的传播过程[15]，例如P/S转换波和振幅AVO效应。弹性波多参数全波形反演还存在诸多问题，在工程方面主要面临四方面困难。①计算量巨大。EFWI中弹性波数值模拟涉及弹性变量是常规标量波数值模拟的五倍以上，巨大的内存需求对设备提出极高要求，同时计算效率严重限制了其在实际中的应用。②多分量采集数据不规则化。由于弹性波方程是矢量方程，高精度、准确的弹性参数反演势必需要高信噪比、高保真的多分量地震数据。③初始速度建模和低频缺失问题。④地震子波的求取问题[16]。

目前大多数陆上勘探所采集的地震数据均是单分量资料，即从垂直地震检波器接收到的粒子运动响应。当实际工区地表存在低降速带时，根据斯奈尔定理，这会导致传播至检波器的反射波波路径几乎与地表垂直，根据纵横波传播方向与偏振方向的关系，垂直检波器接收的数据集可以称为纯纵波数据[17]。在此情况下，经典的假设是将地下视为流体[9]，并使用声波方程来匹配纵波数据，因此AFWI是目前陆上全波形反演应用中最常用的方法。但AFWI无法反演横波速度。尽管单分量采集的地震数据只包含纵波，不直接包含横波，但包含了大量转换纵波信息，例如P-S-P波，同时地下介质是弹性的，纵波振幅也满足弹性AVO特征。因此，用纵波资料反演弹性介质中的弹性参数是可能的，Li等[17]利用标量波信号实现了单分量资料的弹性参数反演。

FWI是强非线性反演过程[18]，局部极值问题一直困扰着该方法的发展。目标函数的设计对FWI至关重要，采用不同目标函数进行反演能够改变反演对初始速度和数据低频的依赖程度，有可能解决周期性跳跃问题[19]。最小二乘L2范数由于其简便性和高分辨率特性而被广泛使用，但存在明显的周期性跳跃现象。当背景速度不准确导致观测记录的波形与模拟记录波形相位差超过半个周期时，FWI通常会收敛到局部最小值[20]。因此在FWI实现过程中，通常选取保证运动学信息准确的初始速度，或者是从相对较低的频率开始反演。

全局优化策略是解决FWI周期性跳跃问题的一种解决方案，例如引入蒙特卡洛算法、遗传算法和模拟退火等方法。但全局优化算法计算量巨大，与之相比，局部优化策略的优势更加明显。局部优化策略中，多尺度反演[21]、包络反演[22]、反射波全波形反演[23]、波动方程旅行时反演[20]、基于自适应滤波器的波形反演[24]均一定程度上解决了FWI周期性跳跃问题。

近年来，最优输运理论在地球物理界得到广泛的关注，并成功应用于FWI，解决局部极值问题有很好的效果。当前有两类基于最优输运原理的目标函数。第一类是二次Wasserstein距离(W2距离)[25]。另一类与Kantorovich-Rubinstein(KR)规范[26]有关。KR规范的优点是它不需要数据满足非负性或质量守恒条件。

本文首先分析了地震勘探中单分量数据存在的AVO特征和转换波信息，由此可知单分量数据具备指示地下介质弹性参数(纵、横波速度和密度)变化的潜力。再从弹性动力学理论出发，通过分解本构方程为球张量和旋转张量的形式，推导出弹性介质中的伪压力弹性波方程。然后介绍了基于L2范数构建目标函数的伪压力弹性波波形反演方法(L2反演)，并将最优输运理论下的W2范数引入反演，提出一种基于最优输运原理的陆上单分量资料弹性波全波形反演方法(W2反演)，基于W2范数构建的目标函数具有更强的凸性。将基于W2范数的反演结果作为初始模型，再进行L2反演(W2+L2反演)，克服了对初始模型的依赖性。最后应用Marmousi模型模拟数据和实际资料验证了本文方法的正确性和实用性。

1 理论

1.1 弹性介质中的伪压力弹性波方程

1.1.1 单分量地震勘探AVO特征与转换波

针对陆上单分量地震勘探，通常会用声波方程为基础的全波形反演预测地下的纵波速度参数，并结合测井得到的经验关系计算横波速度、密度参数[9]，进而进行储层预测和流体识别[27]。该策略将地下介质假设为流体，即纵波速度和密度参数化模式。采用这种处理方式主要有两个原因，第一是传统的地震信号处理技术聚焦于纵波的运动学信息，通过声波方程模拟结果可以完好地吻合其运动学信息；第二是多分量地震资料进行弹性波FWI存在较多的问题，例如带宽不一致、子波不统一等问题亟待解决。目前陆上勘探采集仍以垂直检波器为主，所采集地震信号为粒子在垂直地面方向的振动速度或者位移。

实际上地下介质是弹性介质，参数化除纵波速度和密度外，还应包括横波速度，因此采用弹性波方程模拟得到的数值解比声波方程更加可靠[1]。真实的单分量地震数据包含大量转换纵波，会对声波FWI的结果产生较强的影响。幸运的是近地表往往存在一个低降速带，由斯奈尔定理可知，低降速带会导致从地下波阻抗界面反射的地震波传播到检测器的角度几乎垂直于地表(图1)。纵波偏振方向与传播方向相同，从垂直检波器接收到的地震波可以视为纯纵波，而偏振方向为水平方向的横波信号则不能被接收。因此可以假定纵波和横波在陆上地震数据中是自然解耦的(基岩裸露和地表为强各向异性介质除外)。针对该类介质，本文提出应用伪压力弹性波方程模拟地震数据，通过伪压力弹性波方程模拟结果与弹性波方程、声波方程的模拟结果进行对比，分析在单分量地震勘探中数据的AVO特征与转换波信息。

图1 近地表低降速带弹性介质模型地震波路径示意图

以一个四层弹性模型(图2)为例，模型尺寸为2400m×1500m，常密度设置为1420kg/m3。震源是峰值频率为20Hz的Ricker子波，位于(1200m，8m)，网格间距8m，时间采用间隔为0.5ms。

图2 层状弹性介质模型示意图

图3a和图3b分别为弹性波总位移波场和解耦后的弹性纵波位移波场的垂直分量波场快照。与声波波场(图3c)相比，弹性波总位移波场(图3a)包含转换纵波和横波，它们在陆地地震数据中被天然解耦，即垂直检波器接收到的波场(图3b)为纵波位移波场的垂直分量。反射界面产生转换波[28]，在第二界面处存在上行的转换P-S-P波(图3b黑框所示)，该转换纵波伪压力弹性波方程建模的伪压力场(图3d)中同样存在，而在声波方程建模的纯压力场(图3c)中并不存在。

图3 层状模型不同方法正演的0.5s时刻波场快照

由于地表低降速带对纵波和横波的天然解耦作用，反射波垂直于地表射出，因此解耦弹性波方程的纵波位移分量与伪压力弹性波方程的伪压力都可以用于陆上弹性FWI中地震数据的匹配，但伪压力数据是匹配观测数据的更好选择。因为使用纵横波解耦弹性波方程的建模方法，计算成本比伪压力弹性波方程高；而且常规的地震数据处理聚焦于纵波的运动学信息，更适合采用标量波波动方程建模。

图4a和图4c是弹性纵波垂直分量地震记录和伪压力地震记录，对比可知在弹性介质中二者反射波类型是一致的，其转换纵波在声波地震记录(图4b)中无法被模拟，这也表明了横波速度反演的可能性。图4c中红圈中存在纵波的同相轴交叉，对比可知二者分别是浅中层转换反射S-P波和深层反射P波。图4d为中国东部M区采集的单分量地震数据，对比红圈部分，该资料同样存在同相轴交叉现象，验证了实际资料存在转换纵波。

图4 层状模型不同方法正演记录与实际地震记录的对比

由上述分析可见，伪压力弹性波方程建模不仅考虑了弹性AVO效应，同时也包含转换纵波，相比于声波方程只能反演纵波速度和密度，伪压力弹性波方程更加贴合实际介质是弹性介质的情况，同时还具备了反演横波速度模型的潜能。关于压力与速度数据存在的振幅及相位不匹配问题，在实际资料应用中，通过处理(振幅补偿、去噪、去面波处理)可用标量波方程模拟去匹配实际数据；而子波相位的不匹配问题则可以通过提取实际数据的子波加以解决。

1.1.2 伪压力弹性波方程的建立

经典的弹性波方程是从弹性动力学中的几何方程、本构方程和牛顿运动微分方程三个基本方程导出。表示弹性应变和位移关系的几何方程又称柯西方程，为

(1)

式中：e表示应变；u表示位移；下标i、j的范围均为1～3，并且满足爱因斯坦求和约定。

各向同性介质的本构方程又称广义虎克定律，为

τij=Cijklekl=λθδij+2μeij

(2)

式中：Cijkl=λδijδkl+μ(δikδjl+δilδjk)表示刚度矩阵，其中λ和μ表示拉梅常数；θ为体应变；δij为Kronecker符号；τ表示应力。

牛顿运动微分方程又称纳维尔方程，为

(3)

式(2)可以写为等价胀缩与剪切张量形式的本构方程[29]

(4)

式中：K为体积模量；P=τkk/3和θP=ekk/3分别为应力和应变张量的第一不变量；Pδij和Sij分别为应力张量的球张量和偏斜张量，S可表示为

(5)

θPδij和Tij分别为应变张量的球张量和偏斜张量，T可表示为

(6)

由此可得弹性介质中不解耦的伪压力弹性波方程(详细推导见附录A)

(7)

(8)

1.2 基于最优输运的伪压力弹性波波形反演

经典全波形反演的目标函数E通常由模拟记录与观测记录之间的差异构建

(9)

本文反演采用梯度类算法，其迭代格式为

(10)

为了避免直接计算海森矩阵，可以使用正向和反向传播波场能量对梯度进行加权。本文直接选取伪压力波场互相关构建海森矩阵

(11)

式中：xs为第s个炮点坐标；tmax为记录长度。

迭代步长计算一般采用线性搜索方法，在模型测试中常用的有非精确线搜索或者抛物线搜索方法。为降低计算空间复杂度，本文采用实际模型与梯度的最大值之比计算，即

(12)

式中：max(m)为模型参数m的最大值；max(Δm)为模型参数的最大变化量；β=0.02，对应于2%的最大模型变化量。这种可变步长计算方法可以有效降低计算量。

1.2.1 基于L2范数伪压力弹性波波形反演

Tarantola[2]应用模拟记录dcal与观测记录dobs之间的差异最小的L2范数为目标函数

(13)

根据Plessix[30]的伴随状态法可得到目标函数对拉梅参数和密度的梯度表达式(详见附录B)

(14)

式中上标“*”表示反传波场。

通过链式法可得目标函数对纵、横波速度的梯度

(15)

常规L2范数的FWI是一个非线性反演问题，易发生周期性跳跃现象，进而陷入局部极小值。因此对于初始模型精度有很高的要求，在实际应用中往往难以满足。为解决常规L2范数FWI局部极值问题，基于最优输运理论，本文构建模拟记录与观测记录之间的Wasserstein距离的平方作为新的目标函数，以提高目标函数的凸性，从而提高反演结果的精度。

1.2.2 基于W2范数伪压力弹性波波形反演

最优输运理论是用于分析概率分布之间的关系，找寻一种最优化的运输方案。Wasserstein距离表示两种概率分布之间的差异，其衡量标准是将一种分布重新排列为另一种分布的最优输运成本。将模拟和观测地震数据集视为两个概率密度函数的概率分布，可以将其想象为总体质量相等(同时等于单位1)的两堆沙子的分布。给定特定的成本函数，将一堆沙运送到另一堆沙的不同方案会导致不同的运输成本，成本最低的方案就是最优方案，而Wasserstein距离就是这一最低成本。本文采用二次Wasserstein范数(W2距离)，定义为

(16)

式中：b和q为概率密度函数，其对应的概率分布函数分别被定义在X和Y空间；M为将b重新排列或搬运为q的所有映射的集合；inf表示集合M的下确界；A表示运输方案。

推广到地球物理问题，本文采用一维W2目标函数

(17)

式中：Q-1与Q互为逆函数，为表示方便，后文用Q-1∘B(x)代替Q-1[B(x)]；B和Q分别对应于模拟数据和观测数据的概率分布函数。地震数据不是严格的概率密度函数，因此本文采用Yang等[25]的地震数据预处理方案。

根据伴随状态法原理可知，梯度形式只和状态方程(伪压力弹性波方程)有关，因此梯度仍然是式(14)和式(15)，唯一不同的是反传虚震源项，Yang等[25]给出了一维虚震源δη的表达形式

[t-Q-1∘B(t)]2dt

(18)

式中dt表示地震数据的时间采样间隔。

2 数值模拟结果及分析

2.1 目标函数的凸性分析

选取完全满足概率密度函数特征的Gauss子波(不含负极性)和Ricker子波(含负极性)测试L2范数和W2范数目标函数的凸性。图5a为Gauss子波模拟数据及观测数据，图5b为Gauss子波的模拟数据和观测数据的基于L2范数与基于W2范数误差量随时移量变化的形态对比。图5c为Ricker子波模拟数据及观测数据，图5d模拟数据和观测数据的基于L2范数与基于W2范数误差量随时移量变化的形态对比。对于高斯子波数据，W2范数构建了一个全局凸的目标函数，而L2范数目标函数虽然也是一个凸函数，但是在数据相位差超过一个波长的情况下，L2范数不能指示误差下降。对于Ricker子波数据，两种目标函数曲线均存在局部极小值，但是W2范数的凸性比L2范数更好，在一定程度上降低了基于L2范数FWI的周期性跳跃问题的影响。可见，理论上W2范数比L2范数的凸性更好。

图5 L2范数和W2范数目标函数的凸性分析

2.2 Marmousi模型测试

利用重采样后Marmousi纵、横波速度模型(图6)测试本文反演方法效果。模型网格数为300×150，网格间距均为20m。正演采用主频为8Hz的Ricker子波作为震源，时间采样间隔为2ms。共设置42炮，炮检点均匀分布于地表，起始炮点位于0，炮间距为140m；每一炮的检波点数均为300，起始检波点位于0，检波点距为20m。

图6 Marmousi真实模型

本文采取两种策略实现Marmousi模型弹性参数反演：一是基于L2范数的伪压力弹性波方程纵、横波速度参数反演；二是首先用基于W2范数进行弹性参数反演得到修正的低波数纵、横波速度模型，然后再用经典L2范数进行高波数扰动纵横波速度模型反演。测试中，均不考虑密度参数的影响，密度参数设置为常值1500kg/m3。

为保证本文提出的方法能够仅利用纵波资料准确反演弹性参数模型，采用纵、横波速度横向不变、垂向线性增加的初始模型(图7)。误差大的初始速度会引起波形反演的周期性跳跃问题，进而导致非线性反演落入局部极值。图8为真实模型和初始模型采用伪压力弹性波方程正演模拟得到的第21炮记录(观测记录和模拟记录)，可以看出模拟记录不存在反射波信息。

图7 Marmousi初始模型

图8 Marmousi模型模拟地震记录左为观测记录；中为初始模型模拟记录；右为水平翻转观测记录

图9和图10展示了在L2范数和W2范数目标函数下的伪压力弹性波波形反演的第21炮虚震源记录。L2反演结果以中高波数为主，因此其虚震源记录频带中的高低频信息分布与观测记录频带特征基本吻合。由于线性初始速度无法提供可靠的运动学信息，很容易导致FWI落入局部极值。W2的虚震源主要集中在低频带，记录中分布了大量 “竖直线条状”的低频能量，这些能量主要更新梯度中的低波数更新量，它对于残差模型(真实模型和初始模型的残差)中的低波数分量恢复具有重要的贡献，解决了波形反演由于初始速度精度低导致周期性跳跃和局部极值问题。

图9 L2范数目标函数的虚拟震源记录

图11为基于W2范数的纵、横波速度第21次迭代反演结果。第22次迭代误差上升，反演终止。反演模型的浅、中、深层的背景模型均得到修正，间断面没有被准确刻画，说明反演过程中主要以低波数模型的修正为主，验证了图10的分析。图12为用W2反演结果进行伪压力弹性波正演的模拟记录和真实模型模拟的观测记录的对比，模拟记录中强反射界面产生的反射波非常清晰，对比两侧的观测记录，衔接处的反射波位置基本一致，但是W2反演结果的模拟记录缺失了高频信息，箭头处明显与右边观测记录不一致，缺失了一些细小的反射轴信息(高频信息)。

图10 W2范数目标函数的虚拟震源记录

图11 Marmousi模型W2反演结果

基于L2范数的纵、横波速度反演误差在迭代57次后上升，反演终止，结果如图13所示。由图可见，基于L2范数的反演陷入局部极值且反演结果严重偏离了真实模型。为了更直观的展示该结果，将真实纵波速度模型(图6a)主要构造界面映射到L2范数的纵波速度反演结果(图13a黑线所示)，可见，基于L2范数的反演结果的地质构造整体上移，箭头所指的四处弹性间断面均与反演速度不一致，因此以线性初始速度模型为驱动的基于L2范数的反演失败。

以W2反演结果作为初始模型，进一步实施L2反演，W2+L2反演共迭代了78次，结果如图14所示。对比图6a、图13a、图14a可见，W2+L2反演结果的构造界面与真实模型基本吻合，比L2反演结果更精确，说明W2反演的纵横波速度模型准确修正了模型中、低波数信息。图15为用W2+L2最终反演结果进行伪压力弹性波正演的模拟记录与真实模型模拟的观测记录的对比，可见，模拟记录丰富了图12数据的高频信息，并且与观测记录吻合良好。

图12 Marmousi模型W2反演结果模拟记录与观测记录的对比

图13 Marmousi模型L2反演结果

图14 Marmousi模型W2+L2反演结果

图15 Marmousi模型W2+L2反演结果模拟记录与观测记录的对比

图16为两种反演过程中纵波速度模型梯度，可见，在W2反演过程中，速度更新量从浅层开始，逐步递进到中深层，并且更新量主要以低波数信息为主，尤其是图16b的梯度剖面上中深层的低波数的更新量能量均衡，界面位置基本准确。对比L2反演的第1次迭代与W2+L2反演的第21+1次迭代的梯度剖面(图16c与16d)，L2反演梯度主要界面完全偏离了真实构造位置(实线所示)；由于W2反演提供的准确背景速度，W2+L2反演梯度主要界面与真实构造位置(实线所示)一致。图17和图18分别为Marmousi模型反演结果与初始、真实模型的抽道对比(横向4km处)，可见，W2+L2反演策略能够准确地恢复模型的低—中—高波数(在现有数据频带范围内)成分。图19为L2和W2+L2两种反演策略的归一化误差曲线，W2+L2反演收敛速度更快，且误差更小，结果更接近真值。

图16 Marmousi模型反演过程中梯度剖面

图17 Marmousi纵波速度反演结果与初值、真值的单道对比

图18 Marmousi横波速度反演结果与初值、真值的单道对比

图19 Marmousi模型W2+L2和L2反演收敛曲线

2.3 实际资料应用

采用中国东部M工区的二维地震数据验证本文的基于伪压力弹性波方程的陆上单分量资料弹性波波形反演方法的实用性。该工区在近地表存在明显的低降速带，反射波路径几乎垂直于地面并被垂直检波器接收，数据集可以视为纵波数据，符合本文方法的适用条件。

图20为通过偏移速度分析得到的初始纵波速度模型，横波速度模型是根据测井数据和岩石物理建模分析拟合出的经验关系(vS=-728.168+0.748×vP)计算得到，密度参数设为常数。速度模型网格数为3151×500，水平和垂直方向的网格间距均为10m。地震数据采样间隔为2ms，长度为4s。为满足稳定性条件，使用傅立叶变换方法进行数据插值，重采样间隔为0.8ms。震源和检波器均在地面，总炮数为233炮，单炮最大炮检距为4km，检波器间距为10m。震源子波是由地震记录提取，主频约为20Hz。

图20 纵波速度初始模型

由于横波速度与纵波速度满足经验关系，因此在W2反演过程中，采用以下纵横波速度梯度作为更新量

(19)

图21为W2反演迭代5次的纵波速度模型，箭头所指处更新较为明显，横波速度与其满足经验关系，因此没有展示。然后将W2反演结果作为初始模型进行L2反演，并采用式(16)的弹性波双参数反演梯度进行纵、横波速度迭代更新。图22为经过11次L2反演迭代后纵、横波速度模型，从图中箭头处可以看出反演速度的构造细节，并且有较高的分辨率。

图21 W2反演迭代5次的纵波速度模型

图22 W2+L2反演迭代5+11次后的速度模型

图23为观测与用最终反演速度模型模拟的单炮记录的对比，二者均主要包含纵波信息，由图中箭头处可见，模拟记录与观测记录对应关系良好。为验证反演结果的可靠性，应用JASON软件去除纵、横波速度低波数背景信息，得到纵、横波速度扰动模型，如图24所示。然后计算纵横波速度比(vP/vS)模型，如图25所示。根据式(12)可知模型反演更新量与该模型的数值成比例，因此纵横波速度的扰动量模型计算得到的vP/vS数值仍然稳定，而去除背景干扰后，模型高频细节更加突出。图25白色方框部分的放大如图26所示，其中两条黑线为自然电位测井曲线。当砂岩含量较高时，泊松比较低，对应的vP/vS在测井曲线上表现为低值(图中白色箭头所指)，说明反演结果与测井解释较吻合。