２０１３年第１１期 西部探矿工程 １１７
地震层析成像技术发展现状
丁安徐
（１．中国石油化工股份有限公司华东分公司石油勘探开发研究院，江苏扬州２２５００７； ２．中国石油大学地球科学与技术学院，山东青岛２６６５５５）
摘要：介绍了地震层析成像中的井间地震层析成像、井间电阻率层析成像、远震层析成像和ＦＭ— ＴＴ、瑞雷面波相速度层析成像和有限频层析成像的发展现状，探讨了地震层析成像中存在的主要问
题，并提出了应对策略。 关键词：层析成像；井间地震；远震层析成像；问题；对策
中图分类号：Ｐ６３１．４文献标识码：Ｂ文章编号：１００４—５７１６（２０１３）１１—０１１７—０４
层析成像应用最早的领域是医学，利用Ｘ射线研
究人体内部结构，医学上应用的巨大成功使层析成像 逐渐发展到其它领域。早期的地震ＣＴ技术完全套用
医学ＣＴ技术，其基础为广义拉冬变换，它是波数域的 富里叶投影切片定理的空间域形式，由于医学ＣＴ利用
的是ｘ射线，其波长极短，可以简单化地看作是直线传 播，早期地震ＣＴ也是假设地震波直线传播的，故此时
的ＣＴ技术完全为直射线ＣＴ。但毕竟地震波的波长比 Ｘ射线要长得多，地震射线不是直线传播的。根据地
震射线理论，后来又发展了折射线ＣＴ，这一类地震ＣＴ 技术统称为射线层ＣＴ ，地球物理领域的层析成像研
究如何利用地震波、电磁波的数据对地球内部成像，但 与医学层析完全不一样，医学层析获得的数据是全方
位的，而地球物理层析的发射源和接收器只分布在地
面上或深井中，且数量非常少，因此得到的投影数据的 角度有限。而运用Ｒａｄｏｎ变换，恢复唯一的图象函数
需要所有人射角的投影函数，由于这种先天不足（投影 的角度不全面），从而使层析成像在地球物理领域的发
展受到限制，但与其它的成像方法相比较，层析成像依 然是一种研究地下构造和岩石物性的好方法。本文介
绍了地震层析成像中的井问地震层析成像、井间电阻 率层析成像、远震层析成像和ＦＭＴＴ、瑞雷面波相速度
层析成像和有限频层析成像的发展现状，探讨了地震 层析成像中存在的主要问题，并提出了应对策略。
１井间地震层析成像
井间地震声波层析成像技术简称井间地震ＣＴ 法。它是２０世纪９０年代以来井间地震声波借助于医 学上的ＣＴ技术发展起来的一项新技术。资料表明，井
间地震声波的主频在２０￣６００Ｈｚ，可以分辨出３～５ｍ左
右的薄层，纵向分辨率可达Ｏ．８￣３ｍ；若地震源频带进
一步加宽，可分辨出１～２ｍ的薄层，这为探测和描述地
层的产状和物理特性提供了一项高分辨率勘探方法 ］。 井问地震波ＣＴ法是通过改变震源和接收器的位置进
行发射和接收，使尽可能多的地震射线穿透井间剖面 的全部区域，由于地震波的传播速度和其它能力衰减
取决于地层的物理参数，故利用所激发的弹性波导接
收器的传播时间、振幅特性，经数据处理即可解释推断 地震波射线穿透剖面的岩层产状和物性变化。
１．１初至波菲涅尔体地震层析成像 波动方程走时层析既继承了走时层析的稳定性，
又解决了常规的射线层析中高频的假设。但仍然属于 走时层析的范围，因而使其分辨率较低。在反演近地
表速度结构中，出现了初至波形层析，这种方法解决了 走时层析的分辨率问题，既具有高的反演分辨率，又有
初至走时层析的稳定性 ］。因为只拟合初至波形层析， 同全波形层析相比较，多解性相对比较薄弱，故在某种
程度上提高了反演过程的收敛性。但许多实际中存在
的地震波传播现象如表层吸收的问题、面波复杂散射 的问题等，现在还是很难有比较好的模拟。以上这些
问题的存在，使初至波形层析还处于理论研究阶段，在 现实中没有取得理想效果。
另一种层析方法是胖射线走时层析，它既具有走
收稿日期：２０１３—０３—２５ 作者简介：丁安徐（１９８２一），男（汉族），重庆开县人，中国石油大学在读硕士研究生，研究方向：地球物理，现从事非常规油气实验地质研究及实验室
管理丁作。 １１８ 西部探矿工程 ２０１３年第１１期
时层析速度快、稳定性好的特点，而且通过控制层析矩
阵密集程度来解决低速异常体的不敏感性，从而提高 反演的精确度和分辨率。但现在对胖射线胖度的选取
没有固定的标准，有时根据子波的长度选定一个相对 固定的宽度，有时运用经验选择一种随走时增加而增
大的胖度，这种做法很难准确地表现波的传播路径。
地震信号有固定的频带宽度，高频射线上的介质会阻 碍地震波的传播，射线旁边的介质特征也会对地震波
的传播产生巨大的影响。想要得到更加精确的反演结 果，只有定量地描述出空间中每一点对接收信息的影
响程度，在地震层析成像中，可以用层析核函数来描述 这样的影响结果，这种函数又称为Ｆｒ６ｃｈｅｔ核函数。理
论研究表明，影响地震波传播的重点区域位于射线邻 域的第一菲涅尔体内。
将传统射线层析中的单位矩阵替换为菲涅尔体范
围内的层析核函数的地震层析成像方法称为菲涅尔体 层析成像。菲涅尔体范围约束下的层析核函数即为菲
涅尔体层析核函数。 １．２井间地震直达波和反射波联合层析成像
随着科技的不断发展，井问地震技术也趋于成熟， 反射波推断井间的介质结构技术已经成为现实。由于 反射波传播需要介质分界面，故用反射波反演地层界 面效果更加的明显（相对直达波和折射波而言）。而
且，将直达波旅行时和反射波旅行时的资料结合在一
起，会使观测数据量明显增加，同单一的直达波旅行时
或是单一的反射波旅行时的资料，可以使反演问题的 多解性相应地减小，使层析成像结果的可靠性和分辨 率大大提高，从而使许多实际问题得到解决。
走时层析成像的方法就是比较模型上地震波的理 论走时与拾取实际走时的差别，从而使模型不断完
善。因而在拾取地震反射波旅行时间时，首先确定模
型的哪个层位是拾取的反射波来源，这样才能使拾取 的反射波与模型反射层相互对应。但是实际的地震观
测中孑Ｌ径是非常小的，同时介质速度的变化相当的复 杂，因而地震射线路径弯弯曲曲且分布分散；另外在观
测的过程中，常常受到外界的各种干扰，观测数据的准
确性很难保证，这样就会给成像带来很大的误差。层 析成像成为多极值、非线性、病态的反演问题就是由于
这些因素导致而成。由于方程的适定性很差，即使在
反演中得到的解是最优的，通过物理模型来判断，最优
解并不一定能够符合现实的情况阻 。因此我们运用声 波测井技术取得的先验信息，如慢度分布和反射层深 度数据，这些信息在反演过程中对模型参数进行先验
约束，从而使反演能在先验模型快速稳定地收敛。 ２井间电阻率层析成像
由于井间电阻率层析成像方法具有施工方便、成
本低、对钻孔无破坏作用且穿透深度也较大等优点，因 而得到越来越广泛的应用。在过去几年内对该方法研
究的重点在于提高计算效率和改善成像质量。张辉等 从井问电阻率层析成像的基本原理出发，对该方法近
年的新进展进行了比较和综述，还介绍了概率层析成 像算法的原理。认为今后几年内在此领域内的理论研
究重点将是探索有效的反演方法和提高成像质量。 目前正演算法的研究在电阻率层析成像的研究方
法中占多数，而反演成像方法的主要方法还只是最小 二乘法。在这些新的正演算法中，基本上都是针对有
限单元法计算量较大、效率偏低、模型参数与模拟结果
关系不匹配而进行的。基于边界积分方程的电阻率层 析正演算法更容易构造合适的反演方法，高阻和电导
率突变无法限制，在运算速度上也比有限单元法快 ； 积分法电阻率的层析成像对初始模型的要求不大，Ｊａ—
ｃｏｂｉ系数矩阵是解析表达的故很容易实现，而反演方 程选用降维ＧａｕｓｓＳａｄｅｌ迭代法，把求解的过程化简成
一维的过程，大大提高了计算的效率。概率电阻率层 析从一个全新的角度为重建地下电阻率异常位置图像
提供了一种简单的方法，该方法最主要特点是电阻率 图像从一些随机观测点获得。
３远震层析成像 ３．１ Ｐ波偏振层析成像
近些年研究地球速度结构的反演方法逐渐增多， 其中有一种用远震波Ｐ偏振资料的反演方法，当用远
震资料研究地壳和上地幔速度结构时，偏振反演和走
时反演相比，有如下几个特点： （１）走时的变分和射线路径的扰动无关，这个性质 虽然使走时反演中的数据核计算起来很容易，但是它
也使走时数据对非均匀速度结构的精确位置不敏感。
有时，我们所采用的射线与实际的射线路径往往不一 致，这样得到的数据核有一定的偏差，从而就使研究区
的速度发生异常且分布错误。二维地震剖面认为射线
是在连接震源和接收器的垂直平面内进行传播，这种 说法在地震学中应用比较广泛，而偏振资料表明射线 常常会偏离这个平面，而这些偏离对走时没有明显的 影响。所以相对于走时，既可以运用偏振资料研究纵
向、
径向上的速度梯度，又可以研究与垂直于地震剖面 ２０１３年第１１期 西部探矿工程 １１９
横向速度上的梯度。 （２）偏振数据在接近接收器的速度结构敏感性较 大，而走时数据受到射线上各处的速度结构影响。接
近接收器的速度结构严重地影响偏振，而较远处的离
接收器的速度结构对偏振的影响不大。 （３）偏振与速度变化的关系和走时与速度变化的
关系不同。走时数据和偏振数据可以互补来研究速度 结构，而用偏振数据要确定速度异常的边界更合适。
３．２远震层析成像中的地壳校正 由于远震层析成像方法在地壳内交叉性不好，因 而很难使地壳内的速度结构受到约束，有效的地壳校
正能够消除地壳对深部速度成像的影响。江国明等提 出的地壳校正方法是在获得走时数据的条件下，获得
每个台站下方的地壳三维速度结构是地壳校正的第一
步；然后利用三维射线追踪方法得到地壳内的走时差； 最后得到地壳校正后的走时差，经过处理后得到相对
走时残差，远震层析成像依赖于此反演数据而成，这样 使复杂的地壳结构对深部结构反演结果的影响大大消
除。
４其他层析成像技术 ４．１ ＦＭＴＴ方法
ＦＭＴＴ正演过程是用ＦＭＭ（Ｆａｓｔ Ｍａｒｃｈｉｎｇ Ｍｅｔｈ— ｏｄ）来进行射线追踪的，该方法是一种新方法，应用
ＦＭＴＴ研究地下结构最早的是Ｒａｗｌｉｎｓｏｎ等。国内的 郭飚等也用ＦＭＭ射线追踪方法构造了层析成像算法，
地震学中的ＦＭＭ射线追踪方法是从Ｌｅｖｅｌ Ｓｅｔ方法发 展起来的，ＦＭＭ是一种通过求解非线性程函方程（Ｅｉ—
ｋｏｎａｌ Ｅｑｕａｔｉｏｎ）的数值解进而获得射线路径的射线追
踪方法，该算法是利用由节点组成的波前窄带模拟曲 面的演化，通过向后差分获得程函方程的弱解。相对 于传统射线的追踪方法，该方法可以得到反演空间中 所有节点的完整走时场，特别是在多震源和多接收点
的情况下，计算效率比较高。Ｒａｗｌｉｎｓｏｎ等获得射线路 径是通过时间场的梯度完成的，对梯度的步长要求非
常严格，如果梯度步长太大，得到的射线路径误差较
大，如果梯度步长太小，计算量又十分庞大；而且此方 法在射线路径曲率变化较小的情形比较适用。张风雷
等依据改进的ＦＭＭ方法求取射线路径，很好地克服了 因梯度法求射线路径而带来的局限性。
４．２瑞雷面波相速度层析成像 利用面波层析成像技术能得到大面积范围内地壳 上地幔横波速度的三维分布情况。近年来，利用背景 噪声进行面波层析成像（Ａｍｂｉｅｎｔ Ｎｏｉｓｅ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）
的研究也开始成为热点，得到越来越多的应用。 通过面波层析成像反演，我们可以得到各个周期
的二维相速度分布。不同周期的相速度对不同深度范 围内的横波速度结构敏感程度存在差异，故将面波相
速度和横波速度结构联系在一起时，通常需要给出不
同周期的相速度在深度方向上的敏感度核函数 ］。潘 佳铁等采用Ｄｉｔｍａｒ和Ｙａｎｏｖｓｋａｙａ提出的面波层析成
像方法，该方法是Ｂａｃｋｕｓ Ｇｉｌｂｅｒｔ一维方法在二维情况 下的推广，是面波层析成像中广泛应用的方法之一。
５地震层析成像中存在的主要问题及应对策略 ５．１地震层析成像中存在的主要问题 层析成像是研究地下介质构造和物性分布较好方
法，但是层析成像在人工地震中应用方面仍然存在一 些问题，成谷等提出层析成像在地震中的应用存在的
主要问题是：（１）数据投影角度不全；（２）数据不均匀覆 盖；（３）数据的不确定性。 ５．２问题产生的原因和应对策略
（１）数据投影角度不全的问题。如果数据的投影 角度不全，恢复的图像函数就不止一个，在地震层析成
像中，由于震源和检波器离散地分布在地面或井中，且 数目十分有限，故得到的投影数据的角度范围不全，从
而使得到的解不唯一。在实际应用中，为了减少数据 投影角度不全问题，主要从采集和处理２方面来加以解
决。在采集方面通过增大检波器排列的长度增大投影
角度；在数据处理方面运用扩展空间谱范围的方法，如 补零法、Ｇ２Ｐ外推法等，这些方法能使投影角度在某种
程度上大大增加，但作用十分有限，此外通过多种观测
方式获得的数据联合起来增加数据的投影角。 （２）数据不均匀覆盖问题。不均匀射线覆盖的原
因主要有两方面：一方面与观测方式和数据采集的质 量有关，如炮点之间不等距、检波点之间不等距等；另
一方面，对每一炮而言，所有的射线都从炮点出发，在
炮点处射线是非常密集的，而在离炮点较远的地方，射 线相对稀疏。减少模型校正量和射线覆盖程度的相关
性是消除数据不均匀覆盖对层析结果产生的影响，主 要有２种方法，一种是根据数据的控制程度对模型参数
进行加权，如变阻尼法；另一种是采取某种措施使数据
对每一模型参数的控制程度近似相同，如变网格采样 法。变阻尼是应用不均匀的先验信息来匹配不均匀的
数据分布，而变网格采样法是重新调整数据信息的分
布使数据对每一参数模型的控制程度更平均，
二者的