地震面波全頻散譜反演成像 |張振東等-JGR-SE

地震面波反演是地球內部速度結構成像的重要方法，可用于殼幔、油氣藏、城市地下空間等跨尺度目標成像。目前常用的一維面波頻散曲線反演方法假設地下為層狀介質、需要拾取頻散曲線，不適合復雜構造地區大規模地震數據面波成像；更為先進的面波波形反演方法具有強非線性，對數據質量和初始速度模型精度等要求較高，在處理實際數據時還存在諸多問題。

中國科學院地質與地球物理研究所深層油氣理論與智能勘探開發重點實驗室張振東特聘研究員、劉伊克研究員聯合沙特阿卜杜拉國王科技大學Tariq Alkhalifah教授，提出了波動方程地震面波全頻散譜反演方法。該方法將傳統一維面波頻散曲線反演方法和最新的地震全波形反演理論相結合，通過數值方法求解彈性波波動方程模擬地震面波在任意復雜介質中的傳播過程，避免了傳統方法對地下結構的層狀模型近似；將復雜的地震面波波形變換到保留其頻散特征的頻散譜域進行數據比較（圖1），避免了拾取頻散曲線且可以自動利用各階頻散信息；提出了頻散譜相減、頻散譜全局互相關、頻散譜最優輸送和頻散譜局部互相關四種目標函數，比較了不同目標函數的凹凸性、找到了一種全局最優目標函數（圖2）。借助全波形反演統一理論框架，使用伴隨狀態法計算速度模型梯度和局部優化算法迭代更新速度模型，可實現大規模地震資料的自動處理。該反演思想可推廣至一般反問題，即將復雜的地震波形變換到保留其主要特征的簡單空間（如神經網絡的隱空間）進行比較，降低反演的非線性。隨著油氣、地熱、二氧化碳封存等陸地勘探目標的涌現，該方法有望為陸地和淺海探區高精度速度建模提供一種新的解決方案。

圖1 采集于西南極冰蓋的主動源地震波形數據和對應的頻率-相速度譜。地震面波由于頻散其時間域波形十分復雜，采用波形反演方法極容易陷入局部極小值；所對應的頻率-相速度譜較波形有更簡單的形式，同時也保留了用于約束速度反演的關鍵頻散信息

圖2 四種目標函數凹凸性比較，其中頻散譜最優輸運目標函數具有全局最優解，頻散譜局部互相關目標函數凸性次之，頻散譜全局互相關或相減目標函數更次之

研究成果發表于國際學術期刊JGR-SE（張振東, Tariq Alkhalifah, 劉伊克. Full Dispersion-Spectrum Inversion of Surface Waves [J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 2024, 129: e2023JB028469. DOI: 10.1029/2023JB028469.）

編輯：萬鵬