摘要：遠(yuǎn)離大陸架的海洋油氣勘探與開發(fā)具有高風(fēng)險(xiǎn)、高投入的特征，對(duì)構(gòu)造成像和儲(chǔ)層預(yù)測(cè)精度要求很高，傳統(tǒng)的基于射線理論的速度建模方法難以滿足精細(xì)成像的需求。超深水探區(qū)地震觀測(cè)受巨厚水層的影響，導(dǎo)致記錄時(shí)間較長(zhǎng)、數(shù)據(jù)規(guī)模和模型空間巨大，因此難以大規(guī)模應(yīng)用基于波動(dòng)理論的速度建模方法。為此，提出基準(zhǔn)面延拓驅(qū)動(dòng)的反射波形反演成像技術(shù)。該技術(shù)利用基準(zhǔn)面延拓剝離水層影響，消除地震波在水中的傳播效應(yīng)，降低數(shù)據(jù)規(guī)模、壓縮模型空間、緩解速度—深度多解性，使全波形反演在深海區(qū)的實(shí)際應(yīng)用成為可能。考慮到超深水探區(qū)有限炮檢距難以記錄到穿透較深的初至波，無法利用初至波進(jìn)行波形反演更新速度，因此選用反射波形反演對(duì)延拓后數(shù)據(jù)進(jìn)行速度建模，以便得到高精度速度模型和成像結(jié)果。理論模型合成數(shù)據(jù)和南海A區(qū)塊實(shí)際數(shù)據(jù)處理結(jié)果表明，該技術(shù)能夠大規(guī)?？s減數(shù)據(jù)量，并提高高精度速度建模的效率，可在超深水油氣勘探中發(fā)揮積極作用。

關(guān)鍵詞：超深水，拖纜，基準(zhǔn)面延拓，反射波形反演，逆時(shí)偏移，速度建模

中圖分類號(hào)：P631文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.13810/j.cnki.issn.1000?7210.2024.04.007

Reflection waveform inversion imaging driven by redatuming in ultra?deepwater area

WANG Xuan1，WANG Tengfei1，2，CHENG Jiubing1，2，WU Sihai1，ZHU Feng1，LIU Yuzhu1，2

（1.School of Ocean and Earth Science，Tongji University，Shanghai 200092，China；

2.State Key Laboratory of Marine Geology，Shanghai 200092，China）

Abstract：Offshore petroleum exploration beyond the continental shelf is characterized by high risk and substan?tial investment，necessitating high precision in structural imaging and reservoir prediction.Traditional velocity modeling method based on ray theory often fails to meet the demands for fine imaging.In ultra?deepwater explo?ration，seismic observations are challenged by the thick seawater layer，resulting in extended recording times and immense data and model spaces，making large?scale application of wave theory?based velocity modeling dif?ficult.To address this，this paper proposes a reflection waveform inversion imaging technology driven by reda?tuming.This technology mitigates the seismic wave propagation effects in the seawater layer，reducing data vol?ume，compressing model space，and alleviating velocity?depth ambiguity，thereby enabling the practical applica?tion of full waveform inversion in deep?sea environments.Due to the limited detection distance in ultra?deepwa?ter area，recording the first arrival wave with sufficient depth penetration is challenging，preventing its use in waveform inversion for velocity updates.Consequently，this paper employ reflection waveform inversion for the redatum ed data to achieve a high?precision velocity model and imaging results.Synthetic data from theoretical models and actual data processing results from Block A in the South China Sea demonstrate that this technology significantly reduces data volume and enhances the efficiency of high?precision velocity modeling.It holds promising potential for improving ultra?deepwater oil and gas exploration.

Keywords：ultra?deepwater，streamer，redatuming，reflection waveform inversion，reverse time migration，ve?locity modeling

王璇，王騰飛，程玖兵，等.超深水區(qū)基準(zhǔn)面延拓驅(qū)動(dòng)的反射波形反演成像［J］.石油地球物理勘探，2024，59（4）：790-799.

WANG Xuan，WANG Tengfei，CHENG Jiubing，et al.Reflection waveform inversion imaging driven by reda?tuming in ultra-deepwater area［J］.Oil Geophysical Prospecting，2024，59（4）：790-799.

0引言

海洋油氣勘探開發(fā)主要包括淺海（水深小于500 m）、深水（水深超過500 m）和超深水（水深大于1500 m）三大領(lǐng)域，其中深水、超深水油氣約占海洋油氣資源總量的2/5[1]。為了滿足全球能源市場(chǎng)的需求，在油氣地質(zhì)理論和勘探開發(fā)技術(shù)的推動(dòng)下，深水—超深水區(qū)域已經(jīng)成為油氣勘探開發(fā)的重點(diǎn)領(lǐng)域[2]。中國(guó)海域總面積約3×106 km2，平均水深約為1210 m，最深可達(dá)5567 m[1]。深水沉積盆地主要分布在南海傳統(tǒng)疆域和東海沖繩海槽，油氣勘探開發(fā)集中在南海北部，其他深水海域僅實(shí)施了初步的地質(zhì)調(diào)查和地震勘探。

中國(guó)南海深水—超深水油氣勘探程度低、鉆井?dāng)?shù)量少、勘探風(fēng)險(xiǎn)非常高，高效勘探與經(jīng)濟(jì)開發(fā)須充分發(fā)揮地球物理資料尤其是地震數(shù)據(jù)的作用。受海面、崎嶇海底、海洋動(dòng)力環(huán)境以及地下復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造的綜合影響，許多探區(qū)目的層地震資料品質(zhì)較低，常規(guī)數(shù)據(jù)處理方法對(duì)深部沉積層和基底的成像質(zhì)量較差[3]。近年來，利用寬方位拖纜、富低頻震源和海底多分量等新型采集技術(shù)，實(shí)現(xiàn)大孔徑照明、高次數(shù)覆蓋和寬頻帶信號(hào)的采集，對(duì)壓制鬼波和表面多次波、改善潛山內(nèi)幕與斷層陰影區(qū)成像起到了一定效果[4?5]。數(shù)十年勘探實(shí)踐表明大部分探區(qū)深層介質(zhì)復(fù)雜，發(fā)育多期、多向斷層或微斷裂系統(tǒng)[5]。在超深水條件下的地震成像難以達(dá)到深層復(fù)雜油氣圈閉精準(zhǔn)定位與精細(xì)描述的要求，原因在于地震波在巨厚海水層中的傳播時(shí)間長(zhǎng)、能量衰減快，有限炮檢距觀測(cè)的折射波和回轉(zhuǎn)波等大角度信號(hào)穿透深度小，崎嶇海底及其下伏地層速度的劇烈變化使有效波和干擾波的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)特征復(fù)雜化。巨厚水層不僅大幅增加旅行時(shí)計(jì)算或波場(chǎng)延拓的成本，而且降低了速度分析的精度，不利于全波形反演（FWI）、逆時(shí)偏移（RTM）等建模和成像技術(shù)的應(yīng)用。

超深水區(qū)地震成像亟需新型數(shù)據(jù)處理技術(shù)。對(duì)于拖纜地震數(shù)據(jù)而言，消除巨厚水層影響對(duì)深度域速度建模非常重要。在起伏海底情況下，簡(jiǎn)單時(shí)移靜校正無法準(zhǔn)確消除地震波隨炮檢距變化的異常時(shí)差。Berryhill[6]提出用波動(dòng)方程的Kirchhoff積分解，實(shí)施針對(duì)海水層的基準(zhǔn)面延拓，改善了有效信號(hào)的品質(zhì)；楊鍇等[7]采用有限差分單程波傳播算子實(shí)現(xiàn)起伏面觀測(cè)數(shù)據(jù)的基準(zhǔn)面校正，提高了速度分析和深度偏移精度；金丹等[8]、王祥春等[9]先后將Kirch?hoff基準(zhǔn)面延拓用于提高南海淺水、深水區(qū)的疊加速度精度；Arnulf等[10]將基準(zhǔn)面延拓與射線旅行時(shí)層析相結(jié)合，提升了拖纜地震數(shù)據(jù)的洋殼速度建模能力。

相較于射線旅行時(shí)層析，基于波動(dòng)方程的FWI具有高分辨率建模優(yōu)勢(shì)。然而，常規(guī)拖纜地震數(shù)據(jù)一般缺少有效的低頻（小于3 Hz）信號(hào)，有限的炮檢距也很難采集到穿透深層的回轉(zhuǎn)波、折射波等大角度信號(hào)，致使經(jīng)典FWI的有效建模深度僅有最大炮檢距的1/3左右[11?12]。為此，只能改造FWI方法以強(qiáng)化其反射層析功能[13]，或者發(fā)展反射旅行時(shí)—波形反演（RTI?RWI）方法，以便有效地捕捉速度結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)波長(zhǎng)和中波長(zhǎng)分量[14?18]。在超深水條件下，巨厚水層嚴(yán)重加大了順時(shí)波場(chǎng)和逆時(shí)波場(chǎng)模擬的計(jì)算負(fù)擔(dān)，給基于波動(dòng)方程的FWI、反射旅行時(shí)反演（RTI）、反射波形反演（RWI）以及RTM等先進(jìn)技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用帶來挑戰(zhàn)。為此，本文借鑒前人的研究，提出基準(zhǔn)面延拓驅(qū)動(dòng)的反射波形反演技術(shù)，目的是盡可能降低巨厚水層的影響，減小數(shù)據(jù)規(guī)模和壓縮模型空間，使超深水區(qū)高效、高精度速度建模和成像的計(jì)算成為可能。文中首先簡(jiǎn)要回顧波動(dòng)方程基準(zhǔn)面延拓和反射波形反演的方法原理，然后建立基準(zhǔn)面延拓驅(qū)動(dòng)的反射波形反演、成像的技術(shù)流程，最后通過數(shù)值試驗(yàn)考察其有效性。

1波動(dòng)方程基準(zhǔn)面延拓

針對(duì)超深水區(qū)拖纜地震數(shù)據(jù)，可利用波場(chǎng)延拓克服巨厚水層的影響。當(dāng)海底高程變化不太劇烈時(shí)，基準(zhǔn)面可設(shè)在水層接近海底的某個(gè)深度。根據(jù)相對(duì)恒定的水層波速構(gòu)建高精度的基準(zhǔn)面延拓算子，進(jìn)而消除地震波在上覆水層中的傳播效應(yīng)（圖1）。

基準(zhǔn)面延拓需建立實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)d與基準(zhǔn)面虛擬觀測(cè)數(shù)據(jù)dv之間的轉(zhuǎn)化方程

d=Wdv（1）

式中：W表示基準(zhǔn)面到觀測(cè)面的波場(chǎng)傳播算子。根據(jù)Zhu等[19]的推導(dǎo)，上式可寫成

d（xs，x r；ω）=∫Λ1∫Λ1 G-（x r，r；ω）×dv（r，s；ω）G+（s，xs；ω）d r d s

式中：xs和x r分別為觀測(cè)面Λ0上的實(shí)際震源和檢波器位置；s和r分別為基準(zhǔn)面Λ1上的虛擬震源和檢波器位置；G+（s，xs;ω）為從xs到s的下行格林函數(shù)，其中ω為角頻率；G-（xr，r;ω）為從r到x r的上行格林函數(shù)。

從理論上講，通過對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)施加上覆介質(zhì)傳播算子的逆運(yùn)算才能求取虛擬觀測(cè)數(shù)據(jù)。對(duì)于實(shí)際反射地震數(shù)據(jù)，為了避免對(duì)大型傳播矩陣的求逆計(jì)算，通常采用W的伴隨算子近似逆算子，即

dv（r，s）=∫Λ0∫Λ0[G+（s，xs；ω）I（ω）]*×[G-*（r，x r；ω）d（x r，xs；ω）]dx s dx r（3）

式中：I（ω）代表單位脈沖源的頻譜；上標(biāo)“*”表示復(fù)共軛算子，即伴隨算子。該式表明正向傳播的震源端波場(chǎng)與反向傳播的檢波器端波場(chǎng)在基準(zhǔn)面上通過多維互相關(guān)可消除上覆水層中的傳播效應(yīng)，從而估計(jì)基準(zhǔn)面上“記錄”的來自下伏介質(zhì)的反射或背向散射信號(hào)（即虛擬數(shù)據(jù)）。

在水層中傳播的格林函數(shù)（場(chǎng)）對(duì)應(yīng)單位脈沖源情況下標(biāo)量聲波方程的解。假定海水的密度相對(duì)均勻，且水速為c，則從水中任意一點(diǎn)x到另外一點(diǎn)的格林函數(shù)在頻率域可寫成

G（，x；ω）=（4）

格林函數(shù)伴隨算子與逆算子的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征是一致的，二者在動(dòng)力學(xué)上的偏差源于對(duì)幾何擴(kuò)散的處理方法不同，逆算子需進(jìn)行與傳播距離相關(guān)的振幅補(bǔ)償，而伴隨算子仍然是按幾何擴(kuò)散衰減振幅的。在相對(duì)均勻的水層中，伴隨算子振幅隨炮檢距變化的相對(duì)關(guān)系與逆算子是一致的，反射波形反演只需要振幅相對(duì)關(guān)系正確即可，因此可以用伴隨算子代替逆算子進(jìn)行后續(xù)的反射波走時(shí)與波形反演進(jìn)行速度建模。當(dāng)然，若要修正水層中伴隨格林函數(shù)的振幅，將式（4）的振幅因子4π|-x|2從分母移到分子即可。此外，如果有條件測(cè)量上覆水層波速的空間變化，也可通過數(shù)值求解波動(dòng)方程獲得更精確的格林函數(shù)。一旦依據(jù)式（3）剝離地震波在上覆巨厚水層中的傳播效應(yīng)，dv的有效記錄長(zhǎng)度會(huì)明顯縮短，炮檢距范圍也會(huì)收窄。籍此，應(yīng)用dv可高效地實(shí)施基于波動(dòng)方程的反射波形反演，有利于在深度域的速度建模與偏移成像。

2波動(dòng)方程反射波形反演

就拖纜地震數(shù)據(jù)而言，在其有限的炮檢距范圍內(nèi)觀測(cè)不到穿透較深的回轉(zhuǎn)波與折射波，深層速度建模只能依靠反射波或背向散射波信號(hào)。以地震波長(zhǎng)為參照，地下介質(zhì)非均勻的波速結(jié)構(gòu)可分解到不同尺度，其中長(zhǎng)波長(zhǎng)和中波長(zhǎng)部分構(gòu)成光滑的“宏觀速度模型”，短波長(zhǎng)部分構(gòu)成震蕩的“擾動(dòng)速度模型”或“反射率模型”。深度域?qū)铀俣冉Ｖ饕揽炕诠渤上顸c(diǎn)道集剩余時(shí)差的反射旅行時(shí)層析，而擾動(dòng)速度或反射率模型通常由真振幅偏移或最小平方偏移獲得。為了提升深層速度建模能力，本文選擇波動(dòng)方程RWI方法。經(jīng)典RWI由嵌套在一起的兩個(gè)“子反演”交替求解宏觀速度和擾動(dòng)速度。程玖兵等[20]詳細(xì)給出了這兩個(gè)“子反演”的泛函梯度與海森算子，揭示了基于海森算子的二階優(yōu)化方法在提高模型分辨率與反演收斂性方面的優(yōu)勢(shì)。已有大量文獻(xiàn)討論如何由真振幅偏移[21]或最小平方逆時(shí)偏移（LSRTM）[22?24]構(gòu)建擾動(dòng)速度模型或反射率圖像。本文只介紹宏觀速度的局部?jī)?yōu)化反演方法。

采用頻率域的常密度聲波方程描述標(biāo)量縱波的傳播過程，即

L（x，ω）u（x，ω）=f（xs，ω）（5）

式中：f（xs，ω）為震源函數(shù)；u（x，ω）為聲壓波場(chǎng)；L是依賴于慢度模型m（x）的聲波傳播算子。慢度模型可分解為光滑的宏觀模型m0（x）和擾動(dòng)模型m 1（x），即m（x）=m 0（x）+m 1（x）。相應(yīng)地，根據(jù)Born近似理論，總波場(chǎng)表示為入射場(chǎng)u0和一階散射場(chǎng)u 1之和，即u=u0+u 1，且有

L0（L0）x（x），（，）ω（ω）u1（u0）x（x），（，）ω（ω）M1（x s，））u0（x，ω）（6）

式中：L0（x，ω）=?2+ω2 M0（x）表示在宏觀慢度場(chǎng)中的傳播算子，其中M0由宏觀慢度平方構(gòu)成；M1由擾動(dòng)慢度平方構(gòu)成。式（6）可用于描述在給定宏觀模型m0的情況下，入射場(chǎng)u0遇到模型擾動(dòng)m 1引起波場(chǎng)的散射。當(dāng)阻抗界面上存在連續(xù)性的擾動(dòng)產(chǎn)生散射場(chǎng)相干疊加時(shí)，便形成反射波。

假定m 1（x）已由LSRTM估計(jì)得到，估計(jì)宏觀速度或慢度場(chǎng)的反問題被定義為

=arg min C（m 0）=Su1-d

式中：C（m 0）為二范數(shù)意義下的誤差泛函；S表示觀測(cè)系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的空間采樣算子；u 1表示模擬的反射波場(chǎng)。本文采用局部?jī)?yōu)化算法迭代求解該反問題，即

m i+1）≈m i）+β（i）Δm i）（8）

式中β（i）為第i次迭代的更新步長(zhǎng)。對(duì)于常用的共軛梯度算法，更新方向滿足

Δm 0（i+1）=-εg+Δm 0（i）（9）

式中ε為預(yù)條件因子[25]。由伴隨狀態(tài)法[18]可導(dǎo)出泛函梯度

g=?[ω2（U0?1+U1?0）]（10）

式中：?代表取實(shí)部操作；U0表示由波場(chǎng)u0構(gòu)成其主對(duì)角線元素的對(duì)角矩陣，即U0=diag（u0）；“?”表示頻率域的共軛轉(zhuǎn)置；U1表示由波場(chǎng)u 1構(gòu)成其主對(duì)角線元素的對(duì)角矩陣，即U1=diag（u 1）。0、1分別為u0和u 1的伴隨波場(chǎng)，其控制方程為

L0?（x，ω）0（x，ω）=-S?Δd（x r，ω）（11）

式中Δd=Su1-d代表因宏觀速度模型誤差導(dǎo)致的反射數(shù)據(jù)擬合誤差，起伴隨源的作用。式（10）表示根據(jù)反射波形數(shù)據(jù)對(duì)源端（圖2a）和接收端（圖2b）波路徑上宏觀速度擾動(dòng)的敏感性估計(jì)模型更新方向。

當(dāng)初始速度模型精度不夠時(shí)，波形反演易受“周波跳躍”問題困擾。為了降低對(duì)初始模型的依賴，在模型更新初始階段一般用旅行時(shí)殘差代替波形殘差[16]。針對(duì)任一炮集，采用局部互相關(guān)算法估計(jì)反射旅行時(shí)殘差，然后將其用于修正式（11）中的伴隨源[26]。從上述理論推導(dǎo)可知，RTI?RWI與LSRTM嵌套的反演算法都是基于Born近似，都只能利用小于臨界角的反射或背向散射信號(hào)。因此，輸入的疊前地震數(shù)據(jù)需提前切除直達(dá)波、折射波以及過臨界反射波信號(hào)。

3基準(zhǔn)面延拓驅(qū)動(dòng)的速度建模與偏移成像

波動(dòng)方程反射波形反演迭代過程中最耗時(shí)的是計(jì)算泛函梯度，需利用式（6）描述的Born模擬獲得從震源正向傳播的入射場(chǎng)與散射場(chǎng)，以及由式（11）模擬從觀測(cè)面注入伴隨源后逆時(shí)傳播的伴隨入射場(chǎng)和散射場(chǎng)。為了避免在巨厚水層中的波場(chǎng)延拓消耗大量計(jì)算資源并降低超深水區(qū)速度建模的精度，本文提出了基準(zhǔn)面延拓驅(qū)動(dòng)的RWI建模和RTM成像技術(shù)流程（圖3）。首先，由基準(zhǔn)面延拓將實(shí)際拖纜觀測(cè)數(shù)據(jù)“沉降”到海底附近的基準(zhǔn)面，獲得規(guī)模大幅縮小的虛擬觀測(cè)數(shù)據(jù)；其次，籍此逐級(jí)重構(gòu)速度模型的長(zhǎng)波長(zhǎng)與中波長(zhǎng)分量，有效構(gòu)建宏觀速度模型；最后，由RTM完成地質(zhì)構(gòu)造高精度成像。

為了保證RWI建模過程的穩(wěn)定性，本文采用多尺度策略。首先，基于當(dāng)前已知的宏觀速度模型利用小炮檢距數(shù)據(jù)的LSRTM估計(jì)擾動(dòng)速度模型；然后，由基于共軛梯度優(yōu)化算法的RWI更新宏觀速度模型。以上過程交替進(jìn)行，直到RWI波形殘差下降趨于穩(wěn)定。在模型更新的初始階段采用旅行時(shí)匹配準(zhǔn)則，主要更新速度模型的長(zhǎng)波長(zhǎng)成分。當(dāng)旅行時(shí)殘差下降趨于穩(wěn)定后，切換為波形匹配準(zhǔn)則，進(jìn)一步更新速度模型的中波長(zhǎng)成分。隨著炮檢距增大，反射波數(shù)據(jù)對(duì)宏觀速度模型的誤差更敏感，故隨迭代次數(shù)的增加逐步擴(kuò)展炮檢距范圍。此外，從低頻到高頻的多尺度策略也能提高反演的穩(wěn)定性。

4數(shù)值實(shí)驗(yàn)

通過理論模型合成數(shù)據(jù)與實(shí)際地震資料檢驗(yàn)本文技術(shù)流程的有效性。基準(zhǔn)面設(shè)置在水層緊靠海底的深度，速度更新只發(fā)生在海底之下的模型空間。依次分兩個(gè)頻帶（起始頻率為0，截止頻率分別取10、20 Hz）進(jìn)行多尺度RWI建模，利用合理的數(shù)據(jù)和梯度預(yù)條件克服深層反射波照明不足問題，通過構(gòu)造傾角約束的梯度平滑提高反演的穩(wěn)定性，最后通過逆時(shí)偏移成像與共成像點(diǎn)道集驗(yàn)證模型更新的有效性。

4.1理論模型合成數(shù)據(jù)

圖4為深水區(qū)層狀速度模型，平均水深約為4.5 km。通過聲波方程高階有限差分算法合成350炮拖纜觀測(cè)數(shù)據(jù)，最大炮檢距為5 km，道距為20 m，炮點(diǎn)距為40 m，記錄時(shí)長(zhǎng)為10.4 s，時(shí)間采樣間隔為4 ms。為了簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)處理，在海平面采用吸收邊界避免多次波干擾。實(shí)驗(yàn)中將基準(zhǔn)面設(shè)置在3.8 km深度（圖4中紅色虛線）。虛擬觀測(cè)系統(tǒng)最大炮檢距為4 km，道距為20 m，炮點(diǎn)距為80 m。基準(zhǔn)面延拓獲得了176炮虛擬數(shù)據(jù)。圖5顯示了實(shí)際和虛擬震源橫坐標(biāo)相同的一炮原始數(shù)據(jù)和虛擬數(shù)據(jù)?？梢娀鶞?zhǔn)面延拓縮短了有效記錄時(shí)長(zhǎng)、縮小了炮檢距范圍。將真實(shí)速度模型（圖6a）進(jìn)行半徑為1 km的大尺度高斯平滑，獲得如圖6c所示的初始速度模型。由于與真實(shí)速度模型偏差較大，其相應(yīng)的RTM成像（圖6d）與真實(shí)速度模型RTM成像（圖6b）結(jié)果相差甚遠(yuǎn)（圖6d紅線表示圖6b中的反射界面投影）。

對(duì)比原始數(shù)據(jù)和虛擬數(shù)據(jù)的多尺度RWI建模結(jié)果。首先，基于海面拖纜數(shù)據(jù)進(jìn)行全局RWI建模。如圖7所示，雖然泛函梯度反映的更新方向（負(fù)梯度方向，圖7a）和多次迭代累加的速度更新量（圖7b）總體上是合理的，但中、深層速度更新幅度偏小，導(dǎo)致RTM成像剖面（圖7d）中深部界面的形態(tài)與位置與真實(shí)速度模型RTM成像結(jié)果（圖中紅線）仍有一定差距。然后，基于基準(zhǔn)面虛擬數(shù)據(jù)進(jìn)行RWI建模。得益于基準(zhǔn)面延拓的數(shù)據(jù)預(yù)條件和在基準(zhǔn)面下伏模型空間的梯度預(yù)條件處理，此時(shí)的泛函梯度在淺、中、深層都比較均衡，代表了更合理的更新方向（圖8a），進(jìn)而估計(jì)出更準(zhǔn)確的速度更新量（圖8b）?；鶞?zhǔn)面延拓驅(qū)動(dòng)的RWI建模從運(yùn)動(dòng)學(xué)上保證了能獲得與真實(shí)速度模型基本一致的結(jié)果，既減小了圖8d中第二個(gè)界面凹陷部位的深度誤差，又使圖8d中第三個(gè)界面的成像定位更加準(zhǔn)確。基準(zhǔn)面延拓使虛擬數(shù)據(jù)的規(guī)模減小到原始數(shù)據(jù)的1/5，也使RWI可以在較小的模型空間進(jìn)行波場(chǎng)延拓與泛函梯度計(jì)算，最終使計(jì)算成本降低了75%左右。

4.2南海超深水區(qū)拖纜地震數(shù)據(jù)

應(yīng)用南海A區(qū)塊采集的拖纜地震數(shù)據(jù)檢驗(yàn)本文技術(shù)流程的實(shí)用性。實(shí)驗(yàn)選取的1560炮數(shù)據(jù)水深超過3.5 km，炮點(diǎn)距為50 m，拖纜長(zhǎng)度為6 km，道距為6.25 m，時(shí)間采樣率為2 ms，記錄時(shí)長(zhǎng)為10 s。前期處理已消除涌浪噪聲和海面多次波干擾。從圖9展示的共炮檢距剖面（炮檢距為300 m）可知，由于地震波在巨厚水層中的雙程傳播，有效反射信號(hào)出現(xiàn)在5 s之后。頻譜分析（圖10）表明主頻約為30 Hz，有效頻帶為5～85 Hz。深度域初始層速度模型由疊加速度轉(zhuǎn)換而成（圖11a）。由基于初始層速度模型的RTM成像剖面（圖11b）與共成像點(diǎn)道集（圖11c）可見，速度值整體偏小，主要沉積界面和盆地基底的成像效果都很差。

采用基準(zhǔn)面延拓驅(qū)動(dòng)的RWI建模技術(shù)對(duì)初始速度模型進(jìn)行更新?；鶞?zhǔn)面設(shè)置在水深3.5 km處，虛擬觀測(cè)系統(tǒng)仍包含1560炮，虛擬震源、虛擬檢波器的間隔分別為50和6.25 m，最大炮檢距為4 km，時(shí)間記錄長(zhǎng)度為4 s。圖12顯示震源橫坐標(biāo)一致的實(shí)際與虛擬觀測(cè)炮集，其主要反射同相軸在運(yùn)動(dòng)學(xué)上有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。因海面拖纜觀測(cè)的孔徑限制，虛擬炮集在遠(yuǎn)炮檢距會(huì)引入假信號(hào)，需在RTI?RWI之前加以切除（圖12b紅色虛線）。虛擬數(shù)據(jù)多尺度RWI更新的速度模型如圖13a，從共成像點(diǎn)道集（圖13c）上可以看出，同相軸基本拉平，說明該速度模型更接近真實(shí)地層速度。從RTM成像剖面（圖13b）可以看出同相軸更連續(xù)，同時(shí)由淺及深從新近系到古近系主要沉積地層界面和起伏的洋殼基底也更清晰。此外，圖14是基準(zhǔn)面虛擬觀測(cè)數(shù)據(jù)與Born模擬數(shù)據(jù)擬合分析。當(dāng)合成數(shù)據(jù)與觀測(cè)數(shù)據(jù)同相時(shí)，黑色波形會(huì)蓋住紅色波形。圖14b中顯露出的紅色波形明顯少于圖14a，表明速度更新后其偏移后共成像點(diǎn)道集的波形匹配度更高，黃色箭頭處波形擬合效果明顯得到改善。

5討論

如圖15所示，對(duì)于海底崎嶇且橫向速度變化劇烈的超深水情況，為了克服巨厚水層和海底附近復(fù)雜波場(chǎng)效應(yīng)對(duì)速度建模與地震資料成像的影響，建議對(duì)基準(zhǔn)面延拓驅(qū)動(dòng)的速度建模技術(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)耐卣埂＠缈梢来窝油氐絻蓚€(gè)不同深度的基準(zhǔn)面上，分階段實(shí)施基于虛擬觀測(cè)數(shù)據(jù)的RWI建模：首先，把基準(zhǔn)面設(shè)置在水層臨近海底的深度，借助延拓到該基準(zhǔn)面的虛擬數(shù)據(jù)反演，獲得海底附近可靠的宏觀速度模型；然后，把基準(zhǔn)面設(shè)置在崎嶇海底之下，并基于延拓到該深度的虛擬數(shù)據(jù)反演中、深層的宏觀速度模型。后一階段可采用Zhu等[19]提出的雙參數(shù)最小平方基準(zhǔn)面延拓方法，通過迭代反演消除崎嶇海底附近波場(chǎng)效應(yīng)帶來的串?dāng)_，高精度重構(gòu)中深層的反射或背向散射響應(yīng)。這是今后值得嘗試的研究。

6結(jié)束語

針對(duì)超深水探區(qū)速度建模與深層成像面臨的困難，本文提出了基準(zhǔn)面延拓驅(qū)動(dòng)的波動(dòng)方程反射波形反演成像技術(shù)。該技術(shù)通過有效剝離巨厚水層的影響，極大地壓縮了觀測(cè)數(shù)據(jù)的規(guī)模與波場(chǎng)延拓的模型空間，從而使反射波形反演更有效地構(gòu)建中深層的宏觀速度模型，用以支撐疊前逆時(shí)偏移的高精度成像。合成數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，針對(duì)海底附近虛擬觀測(cè)數(shù)據(jù)的RWI建模，不僅大幅降低計(jì)算成本，而且提升了模型更新與偏移成像的精度；在南海A區(qū)塊的成功應(yīng)用表明該技術(shù)值得在超深水探區(qū)推廣應(yīng)用。

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（本文編輯：楊陽）

作者簡(jiǎn)介

王璇碩士研究生，1999年生；2021年獲中國(guó)海洋大學(xué)地球信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)學(xué)士學(xué)位；現(xiàn)在同濟(jì)大學(xué)海洋與地球科學(xué)學(xué)院攻讀地球物理專業(yè)碩士學(xué)位，主要從事海洋地震數(shù)據(jù)處理新方法的學(xué)習(xí)和研究。