综合全局寻优静校正方法技术手册

一、静校正方法综述
几何地震学的理论都是假设观测面是一个水平面,地下传播介质均匀为前提的(何樵登,1986,黄德济等,1989)。但实际情况并非如此,观测面并不是一个水平面,通常是起伏不平的,地下传播介质通常也不是均匀的,其表层还存在着低降速带的横向变化。因此,野外观测得到的反射波达到时间,并不满足双曲线方程,而是一条畸变了的双曲线。静校正就是研究由于地形起伏,地表低降速带横向变化对地震波传播的影响,并对其进行校正,使时距曲线满足于动校正的双曲线方程(图1)。
图1a 静校正前图1b 静校正后
静校正有一个十分重要的特点:由于表层低速带的速度十分低,远小于基岩速度。深浅层反射波的射线路径尽管在低速带以下的各地层中传播时各不相同,但在表层附近几乎都是近于垂直的。因此,静校正量的大小只与地面位置有关,即对于一道记录中所有采样点来说,静校正值都是相同的,所以称之为静校正,这种条件称之为地表一致性条件。
静校正工作的好坏直接影响叠加效果,决定叠加剖面的信噪比和垂向分辨率(图2)。实际上,高频静校正异常的作用还相当于高阻低通滤波器,使子波的相位发生畸变,使高频振幅衰减严重。因此,在处理高分辨率资料时也要高度注意静校正问题国门之盾
静校正工作不仅影响叠加效果,而且还影响叠加速度分析的质量(图3)。
图2a  未作静校正的叠加图
图2b  作静校正的叠加图
美国著名地球物理学家CH.迪克斯教授生前曾说:“解决好静校正就等于解决了地震勘探中几乎一半的问题”。我国李庆忠院士也总结说:“静校正是处理好地震资料的敲门砖”。正因如此,自从多次覆盖勘
探技术出现开始,世界各国的专家学者对静校正方法进行了大量的研究工作,发展了不同的静校正方法。
静校正方法可分为野外一次静校正,折射波静校正,反射波剩余静校正三种方法。利用野外直接观测的数据进行整理计算的静校正叫做野外一次静校正,其方法是根据地面高程数据,井口时间以及根据微测井,小折射数据而获得的低降速带厚度、速度等资料将所有炮点和检波点都校正到基准面上,从而去掉表层因素的影响。根据折射原理发展起来的静校正方法,通过分析、利用初至波来估计近表层的速度和厚度,计算基准面静校正量,这种方法称之为折射波静校正。在应用前两种方法的基础上根据正常生产记录中的反射信息估算静校正量,其目的是解决剩余静校正问题,因此称之为剩余静校正。
消除近地表层异常因素,一般作法是经野外一次静校正或折射静校正,消除大部分静校异常后,剩余异常用常规的剩余静校正求解方法求取,但当剩余静校正量大于反射波形1/2周期,或信噪比较低,应用常规剩余静校正方法求取,就会出现周期跳跃。
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随着我国勘探程度的深入,沙漠、山地勘探日益增多,静校正十分突出,急需解决大静校正量问题。
二、综合全局寻优静校正方法研究现状
关于开国大典的资料1.静校正问题是非线性优化问题
求解静校正问题都基于地表一致性的假设。地表一致性的概念是假定在近地表层内,地震波传播的射线与地面垂直,那么炮点处近地表的影响只表现为由该炮点所造成的时间延迟,而与信号记录位置无关。同样地,检波点处近地表的影响也只表现为由该检波点所造成的时间延迟,而与信号的炮点位置无关。所以,任何一道的静校正就是由炮点静校正和检波点静校正相加而得。涉及同一炮点或同一检波点的道就根据该炮点或检波点的静校正进行时移。地表一致性静校正本质上是独立的、平均后的道与道之间的时间延迟。在计算炮点静校正时,记录该炮信号的所有检波点平均;计算检波点静校正就是对激发该检波点所记录到的信号各炮点进行平均。
地表一致性是一个有效的约束条件,正是地表一致性的约束条件,使静校正问题不再是一维的简单互相关,而是一个多维的优化问题,每个炮点静校正量和检波点静校正
量是这个优化问题中要计算的参数。
如前所述,地表一致性模型是指每一道的时间延迟,是炮点静校正和检波点静校正的和。用 ()t d ij 表示炮点 i 和检波点 j  所对应的地震道。放炮时间为t = 0 ;令炮点静校正为i s ,检波点静校正为j r  ;令()t h ij 表示均匀地表情况下记录的地震道,此时 i s =j r =0 ;定义()j i ij r s G G ,=为一个算子,它把未知地震道()t h ij  延迟了i s +j r 。那么对于每个记录道,都有下面的方程来定义静校正后的未知的数据()t h ij 和观测数据()t d ij  的关系。
()()[]t h G t d ij ij ij =                      (1)
在一般的剩余静校正问题,这样的方程有几千个。由这个模型出发,我们可以直接得出ij h  ,或者算出i s +j r ,再算出ij h 。
()j i ij ij r s t d h ++=                    (2)
湖南大学学报因为 i s 和 j r 是未知,所以ij G  也是未知,这样尽管ij G  是一个线性算子,但它的反算子却是未知的,显然式(1)实际上是非线性方程。
Ronen 和 Claerbout1985 年指出,叠加能量是静校正量的函数。正确地估算剩余静校正量可使 CMP 道集内来自地下界面同一点的反射信号校直,从而使叠加剖面的叠加能量最大。
令未知的炮点静校正为 S = {i s } ,未知的检波点静校正为 R = {j r } ;[]R S E , 表示叠加能量;()t d yh 表示在中心点 y 和偏移距h  处的动校正后的地震道。显然,计算最佳的炮点剩余静校正和检波点剩余静校正就是求解下面的最优化问题:
[]
[]R S E R S ,max ,                  (3) 其中
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[]()()[]∑∑∑⎥⎦⎤⎢⎣⎡++=y t h h y j h y i yh r s t d R S E 2,,,
(4) 根据前面的讨论,我们知道;剩余静校正问题从本质上说是一个非线性的,具有多参数多极植的全局优化问题。 Ronen 和 Clacrbout 提出的最大能量法(1985), Chen 提
出的模糊剩余静校正(1993),程金星等提出的CMP 道间互相关Lapacian 算法及DFP 算法联合迭代反演法(1996)。虽然属于全局寻优的方法,也用到了迭代处理的技术,但容易陷于局部值的陷井。对于静校正这种非线性的,多参数多极植的大规模组合优合问题,必须采用随机性全局最优化方法求解。
2.综合全局寻优静校正方法研究现状
传统的随机搜索方法Monte Carlo 法,通过在可行解空间中随机产生一系列搜索,并检验各搜索点而得到最优解,方法虽然简单,且具有不依赖于初始模型以及采样空间的高度遍及性的优点。然而Monte Carlo 寻优过程是无方向性的,因此,大量的计算是在参数空间中无意义的区域内进行的,寻求最优解需要巨大的计算时间,成本高昂,很难用于求解剩余静校正这种大规模组合优化问题。
1975 年美国Michigan 大学Holland教授提出的模拟达尔文的遗传选择和自然淘汰的生物进化过程的计算方法—遗传算法,1983年Kirpatrick 提出的模拟退火方法是增强型Monte Carlo法,跟常规Monte Ca
rlo一样它们也是在模型空间中采用随机扰动寻优。但与常规Monte Carlo 法不同是,两者采用传输概率规则来指导它们的搜索走动方向。这种把定向搜索与随机搜索相结合的“启发式”搜索方法提高了空间搜索的效率。在各个领域,都受到人们的普遍重视,在求解静校正方面,已有许多专家和学者都致力于这方面的研究改进和应用。Rothman(1985 ,1986)将二步法模拟退火改为一步法,提高了模拟退火的计算效率;Dahl —Jensen(1989)提出了模拟退火中求取参数顺序随机化的方法,以避免陷入局部极值;V asudevan(1991)提出了相邻CMP 道集的互相关函数作为剩余静校正的目标函数,以防止目标函数能量状态的退化(degenerate);Dubose(1993)年提出对相邻炮点或检波点的时移量进行约束,模型道采用三道混波及温度变化随静校正量变化大小而自动调节;刘鹏程(1996)则将“均匀设计”引入模拟退火来指导新解的随机产生,并用单纯形法来加快模拟退火的中间过程;姚姚(1995)则采用系统的局部热能来近似确定临界温度。在遗传算法求解静校正方面,Wilson(1991 ,1994)将体分为四个子体,具有了并行的思想;张昌君(1996)则使用了一个反码算子;尹成(1997)提出了遗传退火混合算法,利用遗传算法演化过程来逼近模拟退火中每个温度的准平衡状态。
专家学者在应用模拟退火和遗传算法于地球物理其它问题时,也作出了许许多多的改进。在模拟退火方面:Basu 和Frazer(1990)提出了通过每个温度下的短程运行来确定模拟退火的临界温度;Sen和Stoffa(1991)则采用不同的初始温度试验来确定临
中国少年儿童队改名为中国少年先锋队时间

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