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1、层析成像技术又称为 CT 技术。CT(Computerized Tomography)技术，早先是医学界用 x 射线或超声波为病人迅速诊断而发展起来的，是医学上的一种成像技术；后来，CT 技术很快被引入地球物理学领域开始用以研究地球内部构造及天然地震等。英国 Mason(1979)首先将这一技术用来研究 Thoresby 煤矿顶板的应力分布，随后在英国等国家得到越来越广泛应用。我国在 80 年代后期，西安煤炭研究分院、河北省煤炭研究所等单位开展了煤层槽波及坑道无线电波CT 技术的研究与应用。1地震层析方法发展的回顾地震层析成像自引入到地球物理学领域以来,由于地震勘探中不同观测方式所具有的投影角
2、度不同,解决问题的难易程度不同,计算机发展水平的限制以及理论基础(射线理论和波动理论)等方面的因素,近 20 多年来的发展主要遵循着以下三条主线 。 111 从透射层析发展到反射层析由于地震数据最通常的接收方式是地面接收,因此人们最先想到的是利用反射资料进行反射层析的研究。从 80 年代到现在为止,反射层析的研究一直没有中断过。例如,Cutler 和 Bishop 的“地震层析成像:公式和方法”;Bube 和 Resnick 分析了反射地震层析成像能够测定的和不能准确测定的特征参数;Jannane 等研究了从地震反射数据能够分辨的地球结构的尺度;Williamson 针对反射层析中反射界面的情
3、况提出了三种处理方式;Wang 和 Houseman 利用反射地震振幅来反演速度的变化;Wang 和 Pratt 讨论了反射层析中地震旅行时和振幅对速度的不同分量的敏感度。与透射层析相比,反射层析成像除了受到“地震数据有限带宽、观测方式的有限视角”等问题的影响外,还受到“低速带、速度和反射界面深度之间的多解性”等特定因素的影响 ,而且反射层析与透射层析相比受有限视角的影响更大。因此,从总体上来说,层析成像的研究以透射层析(主要是跨井观测方式 ,也有 VSP 以及反向 VSP 观测方式)为多。在地震层析成像发展的早期 ,针对射线层析中大型 、欠定(或混定 )、不相容、非常稀疏、有时病态或奇异的线
4、性代数方程组而推出的各种解法,尽管对反射层析也同样适用 ,但基本上都是按照透射层析的情况进行试算的 。 针对层析成像中欠定(或混定)引1成谷,马在田,耿建华,曹景忠地震层析成像发展回顾起的解非唯一性问题而应用的各种平滑、约束和归一化的技巧 ,也主要是根据透射层析的情况进行研究的 ,如 Meyerholtz 和 Pavlis 研究了地震层析中褶积压制的作用;Phillips 和 Fehler 比较了各种平滑和归一化方式(阻尼最小平方法、阻尼最小平方加空间平均平滑器法、阻尼最小平方加均值平滑器法、褶积压制法等)应用于同一含噪音的合成数据的效果;Zhou 在井间旅行时层析中采用了空间相干滤波器;Ne
5、meth 和 Normark 在井间旅行时层析中采用了动态平滑的措施。随着透射层析发展逐渐成熟 ,以及对反射层析中存在问题的相应解决办法的研究不断深入 ,人们发现 ,与透射数据相比 , 反射数据能够反映地下更精细尺度的结构和参数分布,并能节约观测成本,为此,反射层析的研究又重新提到日程上来 ,重新得到了人们的重视 。12 从旅行时层析发展到波形层析地震剖面主要包括旅行时信息和振幅信息。然而,同时利用以上两种信息对地下不同尺度的参数分布进行层析反演的结果很不理想 ,目标函数中局部极值的个数非常多,这意味着层析反演的非线性特强 。 因此人们转而开始研究地震剖面上的数据与地下介质模型的对应关系(抽象
6、地说是数据空间与模型空间的对应关系)。J annan 和 Beydoun 等发现:数据空间与模型空间的对应关系并不简单。旅行时信息反映速度的大尺度变化 ,振幅信息反映速度的小尺度变化 ,速度的中尺度变化在数据中没有反映 ,但可以通过增大接收的排列长度和增加震 - 检系统的低频响应来缩小大尺度变化和小尺度变化之间的间距。受到这些研究结果的启发,人们将数据空间中的信息分解为旅行时和振幅 ,将模型空间中的慢度变化分解为长波长、中波长和短波长。在层析成像方法发展的初期 ,人们对地下介质参数变化的尺度分辨要求不高 ,仅利用旅行时信息进行层析反演已经足以反映地下介质参数变化的趋势,而且仅利用旅行时信息层析
7、反演的结果还远较利用波场信息层析反演的结果为好。这是因为旅行时信息对应地下介质参数变化的趋势 ,因而目标函数中局部极值个数少,非线性程度相对减弱 ,使得计算和求解相对稳定。同时仅利用旅行时信息 ,意味着层析反演所用的数据量减少,计算量也相应减少。因此,尽管旅行时层析中旅行时拾取的精度对层析反演结果的影响非常大,而叠前剖面上信噪比低又给旅行时的拾取造成了困难 ,人们仍然对仅利用旅行时信息的层析方法情有独钟。然而,随着人们想要解决的地下介质情况越来越复杂,在叠前剖面上准确拾取旅行时越来越困难,这给旅行时层析的应用增添了一定的难度。同时人们也不再满足于旅行时信息所提供的地下介质参数分布的分辨率,而计
8、算机的发展又使人们能够处理更多的数据量,因而利用地震剖面上更多的波场信息层析反演更精细尺度的地下介质参数的分布,已经成为发展的必然趋势。尽管如此,由于利用波场信息的局部寻优的层析方法对初始模型的依赖性强,而不依赖初始模型的全局寻优算法又计算量巨大,因而通常利用旅行时层析的结果作为波场层析的初始模型。13 从射线层析发展到绕射层析在层析成像发展的早期,计算机水平较低,应用波动理论进行层析成像研究有一定的困难,因此人们转而利用波动理论的高频近似 射线理论 ,发展了很多节省计算机内存和运算量的方法。相对而言,射线层析利用的数据量少,计算效率高,计算相对稳定,因而受局部极值的影响较小。但由于受理论基础
9、的限制,射线只能穿过物体的有限部分,对有限视角的敏感度高,同时由于利用的数据量少 ,层析反演出来的结果分辨率也就低,不能精细地解决地下介质的结构与参数分布情况。一般来说,应用射线层析要得到一个令人满意的结果要求在一个波长的范围内波速的变化很小,非均匀体的尺度与地震波长相比大很多,而且要求介质模型平滑。随着计算机能力的提高,基于波动理论的绕射层析方法发展了起来。绕射层析因为绕射作用,能够穿过射线层析中射线不能穿过的区域 ,使数据的覆盖面积扩大,但对有限视角的敏感度低。此外,绕射层析要求照明波长与非均匀体大小相当即可 ,对地下介质模型也没有特殊的要求。正是因为这些优点,地球物理绕射层析自 De2
10、将声波绕射层析成像从常背景下推广到可变背景的情形;Beylkin和 Burridge 将它扩展为弹性波绕射层析成像。针对以往的绕射层析成像法一般在空间 2 频率域进行 ,后来的一些研究者又阐述了空间域中的多频反投影重建问题;开发了层状背景的绕射层析成像重建算法;提出了绕射层析成像的非线性迭代反演法等。尽管人们对绕射层析的发展给予了极高的重视 ,但由于射线层析发展较早,方法相对成熟,因而在地球物理层析领域仍占据主导地位,而绕射层析在理论上 ,尤其在实用上还有很长的路要走。2. 国内外研究历史和发展现状 21917 年，奠定了层析成像理论的数学基础是 J.Radon 发表了著名论文关于由函数沿某些
11、流形的积分确定该函数 （即 Radon 变换） 。在此之后的几十年间，物理学、医学和天文学等领域先后对其相关领域的目标进行图像重建利用层析成像的原理，1956 年，R. N. Bracewll 在射电天文学中实现了第一个图像重建通过对图像重建二维 Fourier 反演方法问题研究，1963 年，A. M. Cormackl 发展了投影重建图像的解析数学方法利用的是 X 射线，从而为后面研制医疗 CT 设备奠定了基础，其发表了论文在发射学中函数的线性积分图像重建的应用。1971 年 G. N.Ramackandran 等研究了利用褶积替代傅氏变换的方法在 X 射线照相和电子显微照相中的应用。20
12、 世纪 60 年代末起，在油气藏勘探开发层析技术开始得到了应用。1972 年，美国地球物理第一次对在油田上井间地震的层析实验进行了报道，这次试验并未显示出井间地震的应用潜力主要原因在于现有的实验设备简单，成像质量很差，所以没有得到业界的重视。1979 年，G. N. Hounsfield 与 A. M. Cormack 由于将层析成像原理应用于 X 射线脑颅 CT 扫描，获得了医学诺贝尔奖。层析成像得到了飞跃发展广泛的应用在各个领域。1983 年，美国的许多石油公司和大学研究机构投入大量精力研究井间地震波层析成像，其动力来自于 G. McMachan 提出了井间地震波层析成像的方法和概念。相关
13、井间地震新的算法、技术、设备等相继出现，推动力是计算机领域技术和地学领域的迅速发展，进而很多新的应用成果出现了。开始出现了许多井间地震的相关论文在勘探地球物理学家 SEG 等国际年会上。80 年代后期，斯坦福大学的一个研究小组建立了井间高分辨率反射波成像方法通过吸取地面地震反射法和 VSP 的原理和数字处理方法。八十年代，地震层析成像引起了地球物理学界学者的高度重视，自从在亚特兰大（Atlanta）召开的第 45 届地球物理勘探学家学会（SEG（Society of ExplorationGeophysicists） ）年会上设置了地震层析成像研究内容的专题之后，以 Daily（1984） ，
14、Somerstein（1984） ，Pratt and Worthington（1984 ） ，Bishop（1985）等人的研究为代表，利用人工地震发射与接收系统的地震层析成像理论、方法和技术以数值模拟的形式得到深入、广泛的研究。在实际应用方面，井间地震层析成2井间地震层析成像技术及应用研究_郭彦刚.像不断扩展，在资源勘探、工程勘探、环境保护、文物调查、防灾减灾等许多应用领域都得到实验性研究并取得有效的进展，如矿井爆破（Gustavsson et al.，1986） ，煤层断层检测（Mason，1981；Bodoky，1985） ，煤矿应力监测（Kormendi et al.，1986） ，
15、空洞检测（Vazqnez etal.，1985） ，盐丘调查（Peterson et al.，1985） ，坝体研究（Cottin et al.，1986）以及与核废料有关的岩体研究（Ivansson，1985；Paulsson，1985；Gustavsson，1986）等。自 90 年代开始，井间地震的得到了广泛的应用推广，基于井间地震的方法原理基本完善了，各种井中地震设备的发明为起了巨大的推动作用；包括井中震源以及使用多级检波器串的，野外采集成本大大降低了，数据采集周期得到了缩短；相应的处理软件的也相继开发出来，推动了井间地震技术迅速发展。井间地震已实际应用在油气开发与勘探领域，并得到了很
16、好的应用效果。1985 年，Paulsson 等成功的监测了小尺度井间实验中的岩石参数，其实验的井间的距离仅有几米。1986 年，Gustavsson 在瑞典北部 Kiruna 铁矿将人工地震 CT 应用于矿产探测。T.Inazzhi 等人则评价岩体的质量通过层析成像方法。1986 年，McCann 等对土木工程中井间测量的应用进行了研究。针对高分辨率 CT 在 1992 年第 62 届美国勘探地球物理学会年会上开始设专题研究。当前，美国的井间地震已进入稳步发展的阶段，井间地震已从简单的二维逐步走向三维、四维(时延井间地震)，并已形成一套完整成熟的工作流程，可多井同步检测，最大井距可达 800m，可在高温井、斜井、水平井及油管井接收，并由陆上发展到海上。20 世纪 90 年代初，井间层析地震理论与技术由石油大学吴律教授首先引进国内，由他所主持的研究小组取得了许多成果在利用射线理论与波动理论进行层析反演图像重建方面。九五攻关成果“高精度弹性波与电性层析成像方法”中国科学院地质与地球物理研究所进一步发展了变速度弹性波克希
