[发明专利]有限差分模拟弹性波全波形反演方法和装置

说明书

本发明提供一种有限差分模拟弹性波全波形反演方法和装置，该方法包括：根据纵横波速度模型，确定速度‑拟应力弹性波动方程的纵横波差分参数；所述速度‑拟应力弹性波动方程的纵横波差分参数，包括：纵横波有限差分离散格式，纵横波差分系数，纵横波稳定性条件，纵横波频散条件，初始条件，边界条件；采用GPU共享内存优化策略，结合速度‑拟应力弹性波动方程的纵横波差分参数，建立速度‑拟应力弹性波动方程，进行时间四阶精度有限差分模拟，获得时间四阶精度有限差分模拟结果；根据时间四阶精度有限差分模拟结果和速度‑拟应力弹性波动方程，进行时间域弹性波全波形反演，确定纵横波速度模型。实现了高效的弹性波场模拟和纵横波速度模型反演。

技术领域

本发明涉及地震数据处理技术领域，尤其涉及一种有限差分模拟弹性波全波形反演方法和装置。

背景技术

本部分旨在为权利要求书中陈述的本发明的实施方式提供背景或上下文。此处的描述不因为包括在本部分中就承认是现有技术。

随着勘探开发环境的复杂化，地震数据处理技术正面临着新的严峻考验。地震资料处理的关键任务就是对地下介质构造进行清晰的高精度成像，实现这一目标的前提条件是要有准确的速度参数。为了获得准确的地下模型信息，近年来许多方法得以发展，例如旅行时层析成像、立体层析、偏移速度分析、波形反演等。层析成像基于高频近似假设，其分辨率往往较低，而全波形反演可以利用地震走时、振幅、相位等多种波形信息，因此能够得到精确的高分辨率模型，而且理论上全波形反演适合所有类型的波，这使得全波形反演成为近年来人们研究的热点。

由于当前地震成像需要解决的问题变得越来越复杂化和精细化，单一纵波成像已经无法满足工业生产的需求，这主要原因是：1)单一纵波成像无法准确刻画地下构造信息；2)单一纵波成像结果不能充分反映地下岩石参数。为了充分估计地下岩石参数的性质，需提供弹性多波的成像信息。因此，为了弥补单独依靠纵波进行成像的不足，弹性波全波形反演显得十分重要，而且具有广阔的应用前景。

弹性波全波形反演的核心部分是波动方程数值模拟技术。波动方程正演求解的方法有很多，如有限差分法、有限元法、边界元法、伪谱法和谱元法等。相对于其他方法而言，有限差分法具有计算速度快、占用内存小，且可以方便地实现并行计算等优点，因此该方法被广泛地应用于波动方程数值模拟。目前，有限差分方法在空间差分精度优化方面已经趋于成熟，基于交错网格技术的有限差分方法可以实现空间任意偶数阶精度。然而，有限差分模拟中的时间频散误差对波场模拟结果有比较大的影响。该现象主要表现为模拟的波场相位超前和同相轴增多，为了提高模拟结果的精度，很多学者研究时间高阶有限差分压制波场模拟中的时间频散的方法，从而增大模拟波场的时间步长，在提高计算精度的同时又保证了计算效率。目前大多数时间高阶优化方法是基于声波方程的，对弹性波时间高阶优化方法的研究较少。相比于声波方程而言，弹性波方程可以模拟纵波(P)和横波(S)信息，并且纵横波的频散关系不同。有学者提出了一种基于S波频散关系的弹性波有限差分系数，但模拟P波的结果存在误差。后来发展了同时使用P和S波的频散关系来优化差分系数的方法，能达到减少时间频散的目的。此外，还有学者提出了一种基于速度-拟应力的弹性波方程，并给出了其优化后的时间四阶和六阶精度的差分系数。该方程既可以自然地实现P波和S波分离，又可以实现纵横波的高精度模拟。从计算效率和计算精度上看，该模拟方法优于传统方法。

然而，当前的弹性波全波形反演都是基于时间二阶有限差分算子的，当采用较大的时间步长并进行长时间的波场模拟时，会引入比较明显的时间频散，从而影响弹性波正演模拟和全波形反演的精度和效率。综上所述，现有的基于有限差分模拟的弹性波全波形反演方法，存在时间模拟精度低，计算效率低等问题。

因此，如何提供一种新的方案，其能够解决弹性波全波形反演存在的上述技术问题是本领域亟待解决的技术难题。

发明内容

本发明实施例提供一种有限差分模拟弹性波全波形反演方法，实现了高效的弹性波场模拟和纵横波速度模型反演，该方法包括：