研发中

面波勘探

瑞利面波在层状介质中的频散特性，即面波速度随频率变化的性质，是面波勘探的基本原理。

面波勘探，是利用采集到的面波信号，提取频散曲线，反演，以获取地下横波速度结构。被动源面波勘探是利用环境噪声作为信号源，模拟虚拟震源，频率低，穿透深度可达几百米至几千米。

面波速度对地下介质弹性参数（纵波速度、横波速度、层厚、密度）的敏感性，特别是S波速度，因此，可以用面波速度对地层的S波速度结构进行反演。

面波概述

二维波动方程：

在半无限均匀介质中，沿X轴方向传播的平面波的解：

其中，ϕ表示P波位移位函数，Ψ表示S波位移位函数，A、B代表能量强弱的系数，mk,nk表示z方向有衰减，且与k有关。

在自由边界条件下，即正应力与切应力均为0：

最终可获得均匀介质中瑞利面波方程如下：

该方程揭示了\( V_R \)对于\( V_S \)的敏感性，\( V_R \sim f\left(v_s^6, v_s^4, v_s^2, v_p^2\right) \)。

面波特性

面波能量随深度的增大而快速衰减，大部分能量集中在一个波长的深度范围内。

通常认为面波的穿透深度约为1个波长的范围，波长越长的面波穿透的深度越大。

面波速度受介质的物性参数的影响。在层状介质中，其速度随深度变化。因此，不同波长的振动具有不同的速度，面波呈现频散。

面波频散表现为低频分量比高频分量传播快，随着与震源距离的增大，波形逐渐发散。

被动源面波勘探

观测系统设计

被动源信号预处理

频谱信息

反演剖面

信号采集

互相关道集

层速度反演

观测系统设计及关键参数

A：最小炮检距，近场效应。

B：道间距，地层模型中最薄地层的厚度，即纵向分辨率；

C：排列长度，1 至 2 倍的最大探测深度。

数据处理流程

数据输入

数据分片

预处理

数据分片

互相关分析

频谱分析

经验公式成像

约束反演

去趋势

去均值

带通滤波

时域归一化

频域归一化

关键参数

数据分片： T=n*t，T是计算数据时长，t是分片数据时长，n是分片数量，也称为叠加次数。t值太小，低频能量将被过滤；反之过大，叠加次数n将变小，则无法保证互相关道集的高信噪比。

时域归一化：减少地震、仪器不规则性和台站附近非平稳噪声源对互相关函数的影响。

频域归一化：即频域“谱白化”，拓宽互相关环境噪声信号的频带；改善由一些窄带震源引起的噪声峰值产生的影响。

频谱分析

f-v域中的频散能量图是一个关键步骤，常用的方法如相移法、F-K 变换法、Tau-p变换法、线性拉东变换法等，本系统采用的是相移法。

时域面波信号u(x,t)，通过傅立叶变换得到频率域得到U(x,ω)：

U(x,ω)归一化处理：

U(x,ω)做积分变换：

通过扫描一系列测试相速度 \( C_T \)，则当 \( C_T=C_R \) 时，\( V(\varphi,\omega) \) 为极大值 \( N \)，相对应的就是该频率下面波的相速度。

反演：遗传算法

遗传算法是一类非线性反演算法，其模拟生物学原理，在迭代中为一组数据寻找最合适的模型，具有搜索全局极小的优点。

设观测数据 \( D=\{d_i\}_{i=1,2,\dots,m} \)，理论数据 \( F(X)=\{f_i(X)\}_{i=1,2,\dots,m} \)，其中参数 \( X=\{x_1,x_2,\dots,x_n\} \)。定义目标函数：

其约束条件为：

其中，\( L=\{l_1,l_2,\dots,l_n\} \)，\( U=\{u_1,u_2,\dots,u_n\} \)，\( l_1 \)、\( l_2 \) 分别是参数 \( l_1 \) 的上下限。通过迭代求取 \( X \) 值，使得 \( \varphi(X) \) 达到最小。

对于面波勘探而言，观测数据D取为实际提取的面波频散曲线，理论数据F(X)取为参数X的正演计算得到理论面波频散曲线。

适用的地质问题：

地层结构刻画

覆盖层厚度调查

浅层采空区等地下异常体探测

地热资源调查

Stratigraphic structure characterization

Overburden thickness investigation

Detection of shallow subsurface anomalies such as goafs

Geothermal resource exploration

优势

天然源，无人工需激发源

节能环保，绿色勘探

施工成本低

探测深度可达千米

国勘被动源面波优势

面波概述

数据输入一键通：观测系统道头信息直接读取，省去处理时的手工录入环节，高效又省心。

排列选择自适应：处理参数智能匹配排列，无需人工手动合并或拆分数据，操作更便捷。

流程清晰易上手：同一测线采用串行处理流程，步骤直观明了，新手也能快速掌握。

批量处理全自动：不同测线可批量操作，单测线参数调好后自动排队处理，全程无需人工值守。

质控完善可追溯：中间处理环节质控严格，每一步作业都有记录，过程可查、结果可靠。

多人协作无阻碍：同一账户支持多人协同作业，专家还能在线实时指导，协作更高效。

参考文献

[1] McMechan GA, Yedlin MJ. Analysis of dispersive waves by wave field transformation[J]. Geophysics, 1981,46(6):869-74.

[2] Yilmaz ö. Seismic data processing. Society of Exploration Geophysicists, 1987, Tulsa.

[3] Park C B, Miller R D, Xia J. Imaging dispersion curves of surface waves on multi-channelrecord[J]. 68^ Ann.Internat. Mtg. Soc. Expl. Geophys. Expanded Abstracts, 1998(1):1377.

[4] Multichannel Analysis of Surface Waves (MASW), Song et al., 1989, SEG Annual Meeting; Xia et al., 1999, Geophysics; Park et al., 1999, Geophysics

[5] Xia J , Xu Y , Miller R D . Generating an Image of Dispersive Energy by Frequency Decomposition and Slant Stacking[J]. Pure and Applied Geophysics, 2007, 164(5):941-956.

[6] Park CB. Imaging dispersion of MASW data—Full vs. selective offset scheme[J]. Journal of Environmental & Engineering Geophysics. 2011, 16(1):13-23.

[7] Multi-channel Analysis of Passive Surface Waves--MAPS, Cheng et al., 2016, Geophysics

面波勘探

瑞利面波在层状介质中的频散特性，即面波速度随频率变化的性质，是面波勘探的基本原理。

面波速度对地下介质弹性参数（纵波速度、横波速度、层厚、密度）的敏感性，特别是S波速度，因此，可以用面波速度对地层的S波速度结构进行反演。

根据震源不同，面波勘探可划分为主动源面波勘探和被动源面波勘探，其勘探深度与面波频率有关。主动源面波勘探所用震源频率较高，能量较低，勘探深度较小，一般不超过30米。被动源面波勘探主要利用地球本身的天然微弱振动作为信号源，频率低，穿透深度可达几百米至几千米。

无论是主动源面波勘探还是被动源面波勘探，二者基本流程相近，均是利用采集到的面波信号提取面波频散曲线并反演以获取地下横波速度结构，只是工作步骤中的具体做法有所差异。

面波概述

二维波动方程：

在半无限均匀介质中，沿X轴方向传播的平面波的解：

其中，ϕ表示P波位移位函数，Ψ表示S波位移位函数，A、B代表能量强弱的系数，mk,nk表示z方向有衰减，且与k有关。

在自由边界条件下，即正应力与切应力均为0：

最终可获得均匀介质中瑞利面波方程如下：

该方程揭示了\( V_R \)对于\( V_S \)的敏感性，\( V_R \sim f(v_s^6, v_s^4, v_s^2, v_p^2) \)。

面波特性

面波能量随深度的增大而快速衰减，大部分能量集中在一个波长的深度范围内。

通常认为面波的穿透深度约为1个波长的范围，波长越长的面波穿透的深度越大。

面波速度受介质的物性参数的影响。在层状介质中，其速度随深度变化。因此，不同波长的振动具有不同的速度，面波呈现频散。

面波频散表现为低频分量比高频分量传播快，随着与震源距离的增大，波形逐渐发散。

主动源面波勘探

工作流程

观测系统设计

原始单炮

层速度反演

信号采集

频谱信息

反演剖面

观测系统设计及关键参数

A：最小炮检距，一般取 1/3 至 1/2 的最大探测深度，需要避免近场效应。震源附近的波场复杂，折射波、反射波、直达波、面波混合，并且低频面波尚未完全发育。

B：道间距，地层模型中最薄地层的厚度，即纵向分辨率；

C：排列长度，1 至 2 倍的最大探测深度。

数据处理流程

数据输入

数据处理

互相关分析

频谱分析

经验公式成像

约束反演

频谱分析

f-v域中的频散能量图是一个关键步骤，常用的方法如相移法、F-K 变换法、Tau-p变换法、线性拉东变换法等，本系统采用的是相移法。

时域面波信号u(x,t)，通过傅立叶变换得到频率域得到U(x,ω)：

U(x,ω)归一化处理：

U(x,ω)做积分变换：

通过扫描一系列测试相速度 \( C_T \)，则当 \( C_T=C_R \) 时，\( V(\varphi,\omega) \) 为极大值 \( N \)，相对应的就是该频率下面波的相速度。

反演：遗传算法

遗传算法是一类非线性反演算法，其模拟生物学原理，在迭代中为一组数据寻找最合适的模型，具有搜索全局极小的优点。

设观测数据 \( D=\{d_i\}_{i=1,2,\dots,m} \)，理论数据 \( F(X)=\{f_i(X)\}_{i=1,2,\dots,m} \)，其中参数 \( X=\{x_1,x_2,\dots,x_n\} \)。定义目标函数：

其约束条件为：

对于面波勘探而言，观测数据D取为实际提取的面波频散曲线，理论数据F(X)取为参数X的正演计算得到理论面波频散曲线。

适用的地质问题：

地层结构刻画

覆盖层厚度调查

浅层采空区等地下异常体探测

国勘被动源面波优势

数据输入一键通：观测系统道头信息直接读取，省去处理时的手工录入环节，高效又省心。

排列选择自适应：处理参数智能匹配排列，无需人工手动合并或拆分数据，操作更便捷。

流程清晰易上手：同一测线采用串行处理流程，步骤直观明了，新手也能快速掌握。

批量处理全自动：不同测线可批量操作，单测线参数调好后自动排队处理，全程无需人工值守。

质控完善可追溯：中间处理环节质控严格，每一步作业都有记录，过程可查、结果可靠。

多人协作无阻碍：同一账户支持多人协同作业，专家还能在线实时指导，协作更高效。

参考文献

[1] McMechan GA, Yedlin MJ. Analysis of dispersive waves by wave field transformation[J]. Geophysics, 1981,46(6):869-74.

[2] Yilmaz ö. Seismic data processing. Society of Exploration Geophysicists, 1987, Tulsa.

[3] Park C B, Miller R D, Xia J. Imaging dispersion curves of surface waves on multi-channelrecord[J]. 68^ Ann.Internat. Mtg. Soc. Expl. Geophys. Expanded Abstracts, 1998(1):1377.

[4] Multichannel Analysis of Surface Waves (MASW), Song et al., 1989, SEG Annual Meeting; Xia et al., 1999, Geophysics; Park et al., 1999, Geophysics.

系统简述

国勘云平台二维常规偏移系统，可处理固定基准面校正后的的叠前共中心点道集数据和叠加数据，实现反射界面的高保真成像。软件具有以下优点：

显著提升横向分辨率，清晰刻画断层端点、地层尖灭等复杂构造；

波场正确归位，精确恢复倾斜地层真实产状，消除界面弯曲造成的假象；

有效分解干涉波场，实现绕射波与反射波的准确归位。

在运行过程中通过作业监控和质控，保证了数据处理的质量。

原理简介

偏移处理的核心作用

地震偏移成像技术通过精确的波场重建，实现三大关键目标：

空间归位：将倾斜反射波、断面波准确归位至真实地下位置；

波场解构：消除叠加剖面中的"蝴蝶结"效应，还原真实向斜构造；

绕射收敛：使断点、尖灭点产生的绕射波聚焦，清晰刻画构造细节。

偏移处理分类体系

叠前偏移

处理对象：

共炮点道集/共偏移距道集

技术特点：

直接消除波传播效应（扩散、衰减等）；

实现反射波精确归位与绕射波完全收敛；

输出保幅偏移剖面，保留反射系数特征；

叠后偏移

处理基础：

水平叠加剖面

技术原理：

采用"爆炸反射面"概念；

解决倾斜层归位与绕射波收敛问题；

计算效率高，适用于初步解释。

Pre-stack Migration

Processing Object:

Common-shot gathers / Common-offset gathers

Technical Features:

Directly eliminates wave propagation effects (divergence, attenuation, etc.);

Achieves accurate reflection positioning and complete diffraction convergence;

Outputs amplitude-preserved migration profiles, retaining reflection coefficient characteristics.

Post-stack Migration

Processing Basis:

Horizontal stacked sections

Technical Principles:

Utilizes the "exploding reflector" concept;

Solves inclined layer positioning and diffraction convergence issues;

High computational efficiency, suitable for preliminary interpretation.

偏移成像数学物理基础

为了获得偏移处理是如何将偏离真实位置的反射界面归位的过程，首先来考察均匀介质存在单个绕射点或散射点的情形。对于任何复杂的反射界面，均可将其看成是无穷多个绕射点的集合。对于均匀介质中存在单个绕射点，波自绕射点出发以球面波的形式向外传播，在二维情况下，波的传播方程式为：

(1)

其中，\( x_d \)、\( z_d \) 是绕射点坐标，\( v \) 是传播速度，单位m/s；\( t \) 是旅行时间，单位s。

当 \( t \) 固定时，因为 \( v^2 t^2 = R^2 = \text{常数} \)，该方程描述了波前轨迹是一个圆。当令 \( z \) 为常数时，相当于将观测面固定，式(1)可改写为：

(2)

上式是一双曲线方程，这表明当在某个水平观测面观测时，记录到的绕射波到达时满足双曲线方程。当将水平观测面 \( z \) 向下朝绕射点移动时，将记录到一系列的绕射波双曲线。这些双曲线形状和位置有所不同，但是有一个共同的特征：曲线顶点的水平坐标 \( x_d \) 与绕射点坐标 \( x_d \) 总是一致的；另外还可以注意到，当 \( z=z_d \) 时，\( x_d \) 点处的观测时间为零。

这给我们以启示：当观测面设在 \( z_d \) 时，找出波的传播时间为零的位置，也就找到了绕射点 \( (x_d,z_d) \)。实际上，几乎不可能在地下某一深度 \( z_d \) 处进行观测，但通过数学运算可将地面观测记录 \( P(x,z=0,t) \) 换算至地下深度 \( z=z_d \)，得到记录 \( P(x,z_d,t) \)，等效于在深度 \( z=z_d \) 处直接观测；再令 \( t=0 \)，可得 \( P(x_d,z_d) \)，该点即为待求绕射点。由 \( P(x,z=0,t) \) 推算 \( P(x,z,t) \) 的过程称为延拓（波场外推），由 \( P(x,z,t) \) 令 \( t=0 \) 求取 \( P(x,z) \) 的过程称为成像。因此偏移处理包含两大核心步骤：延拓与成像。完整偏移处理过程可表示为：

\( P(x,z=0,t) \) 延拓 \( P(x,z,t) \) 成像 \( P(x,z,t=0) \)

对于单个点绕射的情况是如此，将任意反射界面视为绕射点集合的情况也是如此。此时，每一个绕射点对应着一条双曲线，双曲线簇的相干部分就是反射同相轴。因为：

(3)

由于 dt/dx是双曲线斜率，当地层倾角α和传播速度为常数时，斜率p不变，各绕射双曲线的渐近线相同，构成了反射界面与反射同相。

模块介绍

本模块主要包括偏移数据准备和常规偏移两大部分。

偏移数据准备

偏移数据准备，需要输入叠前共中心点道集数据或叠加数据，及相应的速度文件。速度文本可以是OMEGA或GSDE类型。

二维常规偏移

关键参数

偏移距间隔：叠前偏移根据该值来确定分成多少偏移距组来进行偏移，叠后偏移可以随意给定一个大于0的值，单位：米。

偏移距范围：偏移距最大、最小范围（叠前偏移可以去偏移数据准备模块中的作业监控文档中查看数据的偏移距范围；叠后偏移最大最小值都给0），单位：米。

孔径时间：偏移孔径时间参数，单位：秒，必须递增。建议设置范围：0.1-10。

孔径角度：偏移孔径角度参数，单位：度。建议设置范围：10-70。

计算结果

孔径时间：0.2，0.5，1.0，1.5，2.0，3.0

孔径角度：50，60，65，70，70，70

孔径时间：0.2，0.5，1.0，1.5，2.0，3.0

孔径角度：10，10，10，10，10，10

参考文献

[1] Yilmaz. Seismic data analysls: processing,inversion,and interpretation of seismic data [M].Tulsa:SEG,2001.

[2] 熊翥著。复杂地区地震数据处理思路 [M]. 北京：石油工业出版社，2002.

原理简介

本系统采用基于均匀各向同性理想弹性介质假设的波动方程数值解法，通过交错网格有限差分技术实现高精度地震波场模拟。该方法能够精确刻画地震波在复杂介质中的传播特征，包括完整的运动学和动力学信息。

有限差分法是一种经典的偏微分方程数值求解方法，即利用有限差分逼近导数的方式以获得微分方程的近似解。它具有高效、易并行，精度高等特点。交错网格有限差分法，能获得丰富的地震波场信息，是研究在各种复杂介质中地震波的运动学和动力学特征的一种有效方法。

为了获得稳定的准确的正演模拟结果，我们还需要考虑标准交错网格有限差分法的稳定性和边界条件这两个关键问题。

关键问题

稳定性&频散问题

有限差分是一种条件稳定算法，因此，我们必须考虑算法的稳定性和频散问题。频散问题主要以空间频散现象为主，空间采样率 \( d_h \) 需要满足如下关系：

其中，\( d_h \) 表示空间采样率（单位m），\( V_{s,\text{min}} \) 表示模型中最小的横波速度（单位m/s），\( f_{\text{max}} \) 表示模拟最高频率，\(\alpha\) 为常系数，与算法所采用的算子阶数相关联，具体信息如下表所示。为满足有限差分算法的稳定性，波长延拓步长同样满足一定的要求，具体如下：

其中，\( d_t \) 表示时间延拓步长（单位s），\( V_{p,\text{max}} \) 表示模型中最大的纵波速度（单位m/s），\(\beta\) 为常系数，与算法所采用的算子阶数相关联，具体信息如下表所示。

算子阶数	α	β	计算特性
2nd	12	1.0	基础精度计算效率高
4th	8	1.167	精度提升30%，稳定性好
6th	7	1.242	平衡精度与计算成本
8th	6	1.286	高精度模拟
10th	5	1.317	超高精度，计算量大

若不能满足条件，则模型不稳定，振幅将极速增加至无穷大。

边界条件

在地震波场数值模拟中，边界条件处理是保证计算精度的关键技术，主要包括自由边界和人工边界这两类。

自由边界条件

物理特性：模拟介质与空气间的物性突变界面。

数学表达：要求垂直于边界表面的应力为零。

实现挑战：界面参数剧烈变化导致模型复杂度陡增；高阶差分算子需要更多网格参与计算，边界条件难以精确满足；虽然理论简单，但其离散数值解十分困难。

解决方案：采用横向各向同性介质替换法，通过交错网格有限差分迭代，可以达到强制边界正应力为零，以及切应力通过多次迭代渐进归零的效果。

人工边界条件

设计目的：克服计算域有限性带来的边界反射问题。

常规方法：模型扩展法、衰减边界法、吸收边界法。

本方案：采用完美匹配层(PML)技术，具有优异的吸波性能、良好的数值稳定性、高效的计算效率等优点。

技术优势

本模块通过创新的边界处理方案，有效解决了：

自由边界离散化困难导致的算法不稳定问题；

人工边界反射造成的波场干扰问题；

计算精度与效率的平衡问题。

模块介绍

本模块主要包括观测系统设计和模型正演计算两大部分。

观测系统设计

首先，设计地质模型的地表网格信息；在左下方的坐标系统中，以灰色显示。然后，在所设计的地质模型网格中，摆放检波点、炮点位置；在左下方的坐标系统中，以蓝色表示检波点、红色表示炮点。检波点、炮点位置必须落在模型的网格点上，不能错位。

二维观测系统可设计非规则观测系统，即在界面左侧列表修改炮点、检波点位置。三维观测系统不可。

三维观测系统编辑界面

正演计算

模块类型与功能

本系统提供四类高精度正演计算模块：

二维声波模拟

二维弹性波模拟

二维弹性波（纵/横波分离）模拟

三维弹性波模拟

核心参数详解（以二维弹性波纵/横波分离模块为例）

计算控制参数

延拓步长： 0.1-0.2ms（推荐值），直接影响计算精度与效率；

波场快照：每100个延拓步长自动输出一组波场数据；

样点数：采用2的幂次方设计（如4096点），确保计算效率。

介质特性参数

品质因子Q：控制波场衰减强度（值越小衰减越强），浅层建议范围：10-50；

速度场：允许速度反转现象，但存在一定的限制，如速度变化梯度需平缓（禁止剧烈反转如1000→100m/s）。

模型约束条件

延拓步长必须小于最小网格间隔；-50；

波场成分：可选包含/排除面波成分；/s）。

模型类型：当前版本支持水平层状、横向均匀的内部模型。

Calculation Control Parameters

Propagation Step: 0.1–0.2 ms (recommended) directly affects the computation accuracy and efficiency

0.1–0.2 ms (recommended) directly affects the computation accuracy and efficiency Automatically outputs a set of wavefield data for every 100 propagation steps

Sample Points: Designed as a power of two (e.g., 4096 points) to ensure computational efficiency

Medium Characteristic Parameters

Quality Factor Q: Controls the attenuation intensity of the wavefield (smaller values indicate stronger attenuation). Recommended range for shallow layers: 10–50

Velocity Field: Allows for velocity reversal phenomena but with certain constraints, such as requiring gentle velocity variation gradients (abrupt reversals like 1000 → 100 m/s are prohibited)/s）。

Model Constraints

Grid Stability Criterion: The propagation step must be smaller than the minimum grid spacing;

Wavefield Components: Options to include/exclude surface wave components;

Model Types: The current version supports horizontally layered and laterally homogeneous internal models

技术特点

智能计算控制：自动匹配时间步长与空间网格的关系；

波场输出优化：可配置的快照输出频率平衡存储与精度需求；

地质适应性：支持速度反转等复杂速度场模拟；

计算效率：采用2的幂次方样点数设计提升运算性能。

注：各模块参数设置具有高度一致性，用户可便捷切换不同模拟类型。

结果数据

本系统生成三类标准SEGY格式结果数据：

模型参数数据：存储速度场、密度等模型参数

单炮记录数据：包含激发点波场信息

波场快照数据：记录特定时刻的完整波场（间隔100Δt）

数据命名规则体系：

波场快照数据
数据标识	物理含义
snapx	x方向位移分量
snapxp	x方向纵波位移分量
snapxs	x方向横波位移分量
snapz	z方向位移分量
snapzp	z方向纵波位移分量
snapzs	z方向横波位移分量

单炮记录数据
数据标识	物理含义
shot_U	水平位移分量单炮记录
shot_Up	水平纵波分量单炮记录
shot_Us	水平横波分量单炮记录
shot_W	垂直位移分量单炮记录
shot_Wp	垂直纵波分量单炮记录
shot_Ws	垂直横波分量单炮记录