重力與地震資料的約束同步聯(lián)合反演

重力與地震資料的約束同步聯(lián)合反演

1利用統(tǒng)一的地質(zhì)-地球物理聯(lián)合反演方法單球物理方法在復(fù)雜的地表和地下結(jié)構(gòu)條件下表現(xiàn)出一定的局限性。因此，從不同角度來看，結(jié)合不同的地球物理方法，從不同角度的研究對象可以充分體現(xiàn)，減少糾紛的多樣性，并形成全面的地球物理解釋的原則。近年來，國內(nèi)外高度重視綜合性地球物理方法的研究，聯(lián)合反演是綜合地球物理的重要定量解釋工具。聯(lián)合反演是應(yīng)用各種地球物理觀測數(shù)據(jù)，通過反演地質(zhì)體的物理和幾何參數(shù)獲得同一個地質(zhì)和地球物理模型。由于只使用了幾個地殼模型，因此必須遵守表面觀測到的所有物理現(xiàn)象。這也決定了參與反演的基本條件是，一定有公共物理界面和地質(zhì)體。alseve指定了聯(lián)合反演問題的解及一般特征，并從理論上給出了聯(lián)合反演問題優(yōu)于單項地球物理反演的結(jié)論。對聯(lián)合反演的研究現(xiàn)狀和進展進行了系統(tǒng)總結(jié)，并指出了聯(lián)合反演的發(fā)展方向。聯(lián)合反演可以以算法進行分類,如廣義線性聯(lián)合反演和非線性聯(lián)合反演,并已經(jīng)從涉及馬奎特、廣義逆等線性反演算法發(fā)展到包括遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模擬退火在內(nèi)的非線性反演算法.應(yīng)用最普遍的廣義線性聯(lián)合反演方法,由于其局限性,包括線性化的近似、雅可比矩陣的復(fù)雜和病態(tài)性、目標函數(shù)容易落入局部極小等,制約了其發(fā)展.楊文采指出,非線性聯(lián)合反演將可能在今后逐漸普及到地球物理解釋中,以大大促進地球物理解釋的定量化,并提高解釋結(jié)果的客觀性.因此非線性全局尋優(yōu)算法是目前應(yīng)用的趨勢.根據(jù)反演條件的不同,可以有以下幾種聯(lián)合反演方法:同步反演、順序反演、剝離法反演和伸展法反演.從反演的效果上看,順序反演及剝離法反演均有非常成功的實例,而同步反演相對實現(xiàn)比較困難,但效果最為理想,目前這方面的研究相對來說還比較少.聯(lián)合反演也可以以模型的性質(zhì)進行分類,即模型參數(shù)是否基于相同的地球物理場來分類,如基于相同物性之間的反射地震的走時和振幅的聯(lián)合反演等;基于不同巖石物性的地球物理觀測數(shù)據(jù)之間的聯(lián)合反演,包括地震和重力、地震和大地電磁測深等,通過溝通各種方法之間的相互聯(lián)系,利用綜合信息與地質(zhì)模型之間的內(nèi)在聯(lián)系,達到相互補充、相互約束,減小反演的多解性,這種聯(lián)合的基礎(chǔ)是不同物性反映的是同一個物理-地質(zhì)模型,比如要反演的界面是速度和密度或者電性的公共分界面,或者是不同物性之間存在著相關(guān)的內(nèi)在聯(lián)系,利用物性參數(shù)之間的相互轉(zhuǎn)換,建立統(tǒng)一的地質(zhì)-地球物理模型(如縱波速度和密度之間存在明確、穩(wěn)定的定量關(guān)系,在一定地質(zhì)條件下密度和速度之間可以用公式換算,由相關(guān)的物性參數(shù)必然會誘發(fā)相關(guān)的物理異常),這是利用多種地球物理信息進行聯(lián)合反演的地球物理基礎(chǔ).重力和地震數(shù)據(jù)的聯(lián)合反演,在20世紀80年代后得到了迅速發(fā)展,應(yīng)用最為廣泛,取得了顯著效果.Savinoetal.以速度和密度這兩種物性間存在相關(guān)的內(nèi)在聯(lián)系作為約束條件,研究了地震P波走時和重力資料的聯(lián)合反演.Golizdra將反演的模型參數(shù)化分為三種類型:密度和速度界面無匹配關(guān)系或相互獨立;存在匹配關(guān)系或共同界面;前二者的混合關(guān)系,進行了模型試驗.王一新等利用地震構(gòu)造圖和層速度資料構(gòu)成重力模型,計算其重力效應(yīng)并與實測值對比,以檢驗地震構(gòu)造圖的準確性或研究地下巖性變化.Linesetal.以最小二乘反演和正演模擬為手段,研究了地震、重力同步反演及順序反演方法,反演過程中充分利用已有資料,縮小了模型選擇范圍,減小了反問題的多解性.王西文等利用相對準確的地震勘探結(jié)果作為分離重力場的先驗信息,用分離后的剩余場來反演地震反射不清楚的界面,得出了這種重震聯(lián)合反演方法有可能比任何一種單一方法效果都好的結(jié)論.汪宏年等提出了一種聯(lián)合反演層狀介質(zhì)的速度、密度及界面深度的迭代算法,得到了在雙攝動情況下理論波場和重力異常變化的一階線性解,該方法可減少未知參數(shù)個數(shù)、提高反演收斂速度并減少反演的不適定性.馮銳等采用二維四邊形非塊狀模型,通過網(wǎng)格節(jié)點的密度值來刻劃連續(xù)性或間斷性的物性分布,以此來解決重震聯(lián)合反演中關(guān)于建立一致性模型的問題.關(guān)小平等研究了傳統(tǒng)的重震聯(lián)合反演中存在的問題,建議充分利用地震資料作為形體參數(shù)進行場分離,對分離出的重力效應(yīng)再進行反演,以求出較深的或沒有可靠地震資料的界面.范興才等敘述了二維重震資料聯(lián)合反演解的非惟一性和約束條件的使用問題.陳冰等研究了剝離法進行聯(lián)合反演的應(yīng)用條件及關(guān)鍵問題.王西文采用剝離法反演視界面密度差值來預(yù)測油氣藏.楊輝以地震資料解釋的三維構(gòu)造圖作為先驗信息,用重力三維正演剝離基底及基底以上界面所產(chǎn)生的重力效應(yīng),然后對分離后的基底異常用奇異值分解(SingularValueDecomposition,SVD)算法來線性反演基底密度差并解釋基底時代及巖性.Andersonetal.用順序法聯(lián)合反演速度和密度參數(shù),為深度偏移成像提供準確的速度模型,減少了深度偏移成像的迭代次數(shù),改進了成像效果.賀日政等利用布格重力異常剖面結(jié)合地震等資料,參考介質(zhì)縱波速度與密度的經(jīng)驗轉(zhuǎn)換關(guān)系,通過二維介質(zhì)模型計算得到了地殼構(gòu)造特征.楊輝等研究了三維重力、地震的剝層聯(lián)合反演.劉天佑等則通過重震聯(lián)合反演方法確定了深層油氣藏的分布.根據(jù)上述重力與地震資料聯(lián)合反演的研究現(xiàn)狀,從聯(lián)合反演的應(yīng)用條件分析,順序反演、剝離法反演和伸展法反演都不能算是真正意義上的聯(lián)合反演,基本上是不同方法的反演結(jié)果之間的綜合.而同步反演是應(yīng)用多種方法對一個地質(zhì)地球物理模型同時進行反演,各種方法之間相互約束控制,可充分發(fā)揮各自優(yōu)勢,減少反問題的多解性.在反演的算法方面,目前應(yīng)用得較多的還是線性算法,但是這幾年來非線性算法的應(yīng)用越來越廣泛.相比較線性算法而言,非線性算法具有不可比擬的優(yōu)勢.由于地球物理的反問題通常是非線性問題,如采用線性算法很難得到一個全局最優(yōu)的解,而模擬退火、遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等非線性算法,則容易跳出局部極小的局限,得到真正全局最優(yōu)的解,最終反演出接近地下真實情況的地質(zhì)地球物理模型.因此采用非線性算法的同步反演將是聯(lián)合反演發(fā)展的一個主流方向.結(jié)合上面對重力與地震聯(lián)合反演方法和算法的分析,本文研究了重力與地震數(shù)據(jù)的模擬退火約束同步聯(lián)合反演方法,針對性地設(shè)計了密度和速度界面不完全一致的模型,并應(yīng)用到徐聞地區(qū)實際資料的處理和解釋之中.2該算法2.1模擬退火方法的改進模擬退火算法(SA)是近年來發(fā)展起來的全局最優(yōu)化算法,其主要優(yōu)點是,不用求目標函數(shù)的偏導(dǎo)數(shù),不用解大型矩陣方程組,即能找到一個全局最優(yōu)解,而且易于加入約束條件,方法易于移植.這種方法克服了局部反演方法依賴于初始模型的選取以及解容易落入局部極值的缺陷.模擬退火算法用于解非線性地球物理反演問題,已取得了較好的效果,如地震靜校正、波形反演、疊前偏移速度分析、橫波速度反演、電阻率反演等等.然而,這種方法也存在著計算效率低的缺陷,制約了它的廣泛應(yīng)用.因此后來出現(xiàn)了許多改進的方法,如采用依賴溫度的Cauchy分布或似Cauchy分布代替常規(guī)模擬退火方法中的高斯分布產(chǎn)生新模型;Basuetal.提出用試驗方法確定臨界溫度,并由稍高于臨界溫度開始計算;Pressetal.及劉鵬程等采用了單純形與模擬退火相結(jié)合的綜合算法;張霖斌等以廣義Boltzmann-Gibbs統(tǒng)計理論為基礎(chǔ),采用依賴于溫度的似Cauchy分布產(chǎn)生新的擾動模型,提出了快速模擬退火算法(VFSA),進一步提高了方法的計算效率,使得該方法向?qū)嵱秒A段邁出了一步;楊輝等以VFSA為基礎(chǔ),實現(xiàn)了大地電磁與地震資料的模擬退火約束聯(lián)合反演,將VFSA的連續(xù)模型空間改為可變的離散化形式,理論模型試算表明,可節(jié)省計算工作量5～10倍,并為了適應(yīng)聯(lián)合反演的需要,對模擬退火的誤差“單判斷”檢驗準則改為“雙判斷”準則,避免了由于不同地球物理場的數(shù)據(jù)量綱及側(cè)重不同,致使聯(lián)合反演的誤差函數(shù)難以反映每一種地球物理場的收斂發(fā)散特征而造成的判斷失誤;陳華根等進一步研究了改進的VFSA算法,在模型擾動方式、接受概率和退火計劃上做了改進,并對重力和大地電磁資料的聯(lián)合反演進行了研究,取得了一定效果.筆者曾利用楊輝等以及陳華根等提出的改進的VFSA算法,對大地電磁與地震數(shù)據(jù)并結(jié)合重磁資料進行了聯(lián)合反演,取得了較好效果.因此,本文將采用自主開發(fā)的該算法,以實現(xiàn)重力和地震數(shù)據(jù)的聯(lián)合反演計算.2.2目標函數(shù)與參數(shù)重力模型正演采用2.5度體組合矩形密度體的方法,按設(shè)定的深度線和沿測點的垂向線進行矩形網(wǎng)格剖分,充填密度值后,進行正演,該建模方法適應(yīng)性強,適合于密度橫向變化的復(fù)雜模型.由于射線追蹤法能適應(yīng)復(fù)雜的地質(zhì)結(jié)構(gòu)且計算量較小,因此采用射線追蹤的打靶法來求取地震走時.地震走時與重力異常聯(lián)合反演的目標函數(shù)為?=Wg?g+Ws?s=WgΜΜ∑i=1(1-gcali(λ)gobsi)2+WsΜ×LΜ∑i=1L∑k=1(1-tcal0ki(λ)tobs0ki)2,(1)式中,M為測點數(shù);L為模型界面的層數(shù);gcali與gobsi為第i個測點上重力異常的理論值與觀測值;tcal0ki與tobs0ki分別為模型第i個測點、第k個界面上計算的與從地震疊加剖面拾取的雙程走時;λ=[v1,v2,…,vL-1,σ11,σ12,…,σLM,h11,h12,…,h(L-1)M]T為模型的參數(shù)矢量,其中vk為第k層的速度,σki為第i個測點、第k層的密度,hki為第i個測點、第k層的深度;Wg與Ws分別為重力異常和地震走時誤差?g與?s的權(quán)系數(shù),取決于兩種方法數(shù)據(jù)的量級、精度和側(cè)重關(guān)系.正演方法要求速度模型在計算的剖面延伸范圍內(nèi)速度層數(shù)保持一致,以計算每一層中相應(yīng)的走時,因此對地層出現(xiàn)尖滅或更復(fù)雜的構(gòu)造情況,可以采用簡化模型或分段處理的方式來滿足要求進行反演.2.3重力和地震數(shù)據(jù)的聯(lián)合演繹過程見圖13密度初始擾動以往重力與地震聯(lián)合反演的理論模型或?qū)嵗旧厢槍Φ氖敲芏扰c速度界面一致的情況,本文研究的一個特色就是考慮了二者界面不一致的情況,這也是實際中常見的情況,因此該方法的適用性更強.設(shè)計的密度模型如圖2a所示,密度界面有4個,而速度模型的界面有3個(圖2b),即物性界面不完全一致,密度的第3,4層在速度上沒有差異.聯(lián)合反演設(shè)定的模型參數(shù)變化空間見表1.計算時模擬退火的相關(guān)參數(shù)設(shè)定為:初始溫度為10,衰減率為0.98,在每一溫度下對模型參數(shù)進行了3次擾動.圖2c為聯(lián)合反演密度模型的初始擾動結(jié)果.計算迭代的次數(shù)為500,反演結(jié)果見圖2d和2e及表1.計算的重力異常曲線和理論模型的重力異常曲線基本一致(圖3),反演計算的密度和速度值與理論值接近,最終迭代的聯(lián)合反演相對均方根誤差為0.345%(圖4),其中重力誤差為0.839%,地震誤差為0.047%(重力與地震權(quán)系數(shù)之比取為3∶7).而進行重力單獨反演時(單獨反演結(jié)果見圖2f),同樣密度模型的擬合誤差為1.041%,可以看出聯(lián)合反演的精度比單獨重力反演的精度要高.如果約束住第1,2層的深度不變,進行聯(lián)合反演,密度初始擾動的模型結(jié)果為圖2g,最終聯(lián)合反演結(jié)果(見圖2h)相對均方根擬合誤差為0.258%,重力誤差為0.784%,地震誤差為0.032%(圖4),可以看出約束條件下的聯(lián)合反演精度更高.4例子4.1地質(zhì)背景及密度界面徐聞地區(qū)位于廣東省雷州半島南部,隸屬北部灣盆地中南部的雷瓊坳陷區(qū),是一個新生代的斷陷盆地,由若干凹陷及凸起所組成,具有較大的找油氣遠景.該區(qū)早期開展過一些小比例尺地面重磁力測量、電測和地震勘探,鉆井雖有60余口但均較淺,未鉆穿新生代沉積層,因此對該區(qū)的油氣勘探前景缺少實質(zhì)性評價資料.2004年起在整個工區(qū)先后進行了陸海高精度重力連片測量和大地電磁測深與二維地震勘探.由于研究區(qū)第三系玄武巖發(fā)育,使地震勘探數(shù)據(jù)的激發(fā)和收集相對困難,地震資料品質(zhì)受到一定影響.因此結(jié)合部署的重力工作,欲利用重力和地震資料聯(lián)合反演,來解決目的層分布及區(qū)內(nèi)基本構(gòu)造特征,提高解釋精度,為加快油氣勘探步伐提供依據(jù).徐聞地區(qū)發(fā)育一套從陸相至濱海相的第三系,作為北部灣盆地發(fā)育的主要沉積層系,其最大厚度可達近萬米.盆地中主要生儲油巖系為下第三系始新統(tǒng)流沙崗組,其中流二段是生油巖,而潿洲組、流一段、流三段是主要儲集層.前第三系構(gòu)成盆地的基底,從少數(shù)鉆遇基底的鉆孔看,缺失上古生界.結(jié)合地質(zhì)和鉆井等資料,研究區(qū)地層物性統(tǒng)計結(jié)果可參見表2.本區(qū)主要存在3個密度分界面:上第三系N與下第三系E的密度界面,其密度差在(0.14～0.20)×103kg·m-3左右;E與白堊系K之間界面的密度差一般在0.20×103kg·m-3;K與古生界之間界面的密度差為(0.13～0.31)×103kg·m-3.下第三系E各組或各段地層之間密度變化較小,密度差一般在(0.02～0.03)×103kg·m-3.地層速度結(jié)果依據(jù)了鉆遇地層的速度測井資料,聯(lián)合反演選擇計算的地震剖面上可追蹤對比地層的地震反射波組有5套(圖5a):上第三系底界面T2,下第三系潿洲組底界面T4,下第三系流沙崗組一段至三段的分界面分別為T5,T6,T7,這5套反射波組的反射特征均很明顯、能量強、連續(xù)性較好,一般可全區(qū)追蹤,控制了第三系的形態(tài).這也顯示了速度界面多于密度界面的普遍性.因為缺少深鉆井特別是鉆穿白堊系的測井資料,因此對中生界包括白堊系底Tg及以下古生界地層的層速度以推測為主,深部地層地震資料品質(zhì)相對較差(見圖5a),連續(xù)性不好,振幅時強時弱,同相軸追蹤對比較困難.4.2反演初始模型將該聯(lián)合反演技術(shù)投入實際應(yīng)用還著重解決了如何加入約束條件的問題,一般引入混合約束條件,即對由測井等資料已經(jīng)確定的參數(shù)(密度、層速度、深度或?qū)雍穸鹊?進行緊約束即固定約束,對現(xiàn)有資料尚不能精確確定的參數(shù)(密度或?qū)雍穸鹊?給出一個盡可能大的變化范圍即區(qū)間松約束,通過反演自動確定該參數(shù)的值.此外,也可以考慮根據(jù)不同物性參數(shù)之間存在的內(nèi)在聯(lián)系,如縱波速度與密度之間滿足的一定的統(tǒng)計經(jīng)驗公式,通過相互約束來進一步縮小密度和速度模型的選擇范圍,使初始模型更靠近真實的解估計,進一步提高聯(lián)合反演的精度和效果.根據(jù)已有資料,對反演初始模型白堊系K以上地層的深度利用可靠地震資料進行了約束,前中生界AnMz深度放開,不加約束,然后給定了每一地層的密度和層速度變化范圍,設(shè)計了反演初始模型(圖5b,5c).由于研究區(qū)深鉆井資料少且無井穿過中生界地層,地震剖面深部反射質(zhì)量較差,層位標定的難度較大,只能根據(jù)地質(zhì)調(diào)查資料和其他地球物理資料對中生界及以下地層進行推斷,各地層的速度變化范圍為(見圖5b):第四系和上第三系Q～N速度即T2取值范圍為2.00～2.90km·s-1;下第三系潿州組E3W即T4為4.15～4.25km·s-1;下第三系流沙崗組E2l一段至三段速度值即T5～T7為4.90～5.10km·s-1;白堊系K即Tg為5.20～5.80km·s-1;前中生界AnMz速度值為5.50～6.50km·s-1.計算時各層密度模型參數(shù)選取的范圍依次如下(見圖5c):由于第四系比較薄,與上第三系合并,密度取值范圍為(2.12～2.25)×103kg·m-3;下第三系為(2.25～2.40)×103kg·m-3;白堊系為(2.51～2.60)×103kg·m-3;前中生界取為2.70×103kg·m-3.計算時考慮各地層密度在橫向上的相對變化.4.3剖面的厚度和物性變化規(guī)律聯(lián)合反演的目的是確定主要目的層:上、下第三系和白堊系以及古生界地層的展布,同時標定各層密度和速度參數(shù),為該區(qū)建立初始地質(zhì)、地球物理模型.聯(lián)合反演時模擬退火參數(shù)和前面模型試驗中的參數(shù)相同.圖5d為密度模型的初始擾動結(jié)果.計算迭代的次數(shù)為500次,反演結(jié)果見圖5e和5f.計算重力異常曲線與實測異常曲線基本擬合一致(圖5g),圖5h為誤差迭代曲線,其中聯(lián)合反演擬合誤差為3.12%,重力擬合誤差為6.41%,地震擬合誤差為1.72%.通過聯(lián)合反演,確定了剖面上各地層的厚度和物性變化規(guī)律.可以看出第四系～上第三系反演密度平均值在2.18×103kg·m-3左右,速度值為2.36km·s-1;下第三系各地層的密度總體在2.36×103kg·m-3的平均值左右變化,潿洲組速度值為4.24km·s-1,流沙崗組一段至三段依次為4.92、5.08、5.00km·s-1;白堊系計算的平均密度值為2.52×103kg·m-3,速度值為5.68km·s-1;前中生界為高密度基底,速度計算值在6.36km·s-1.聯(lián)合反演確定了幾個主要物性界面的密度和速度結(jié)構(gòu),反演了前中生界An