Введение к работе
В работе решается задача оценивания динамических и кинематических параметров интерферирующих сейсмических волн путем использования итерационного и генетического алгоритмов.
Актуальность темы.
Проблема разделения интерферирующих сейсмических волн давно привлекает к себе внимание геофизиков-сейсмиков, поскольку адекватное ее решение позволяет сильно повысить разрешенность сейсмических данных и извлечь из них максимум полезной информации о среде. Интерференция сейсмических волн — довольно часто встречаемое явление на сейсмограммах, усложняющее интерпретацию данных. Интерференция на сейсмограмме может быть вызвана как множеством близко расположенных друг к другу отражающих границ, так и особенностями геометрии одного отражателя, вызывающими каустики, а также сложным распределением скоростей сейсмических волн в среде.
При разделении пакета интерферирующих волн на отдельные вступления с определенными амплитудами можно идентифицировать эти волны в соответствии с их типом и получить информацию о внутреннем строении среды. Задача определения амплитуд и времен вступления интерферирующих сейсмических волн является очень актуальной в настоящее время, поскольку большинство методов, использующихся для обработки сейсмических данных и построения моделей распределения скоростей в земле, требуют знания этих параметров для сейсмических волн. Определение этих параметров не представляет труда для неинтерферируюпгих волн, однако, в области наложения сигналов это гораздо сложнее, и неадекватная оценка амплитуд и времен вступления интерферирующих волн может стоить точности полученной в результате интерпретации сейсмических данных модели.
Сейсмические данные помимо полезной информации содержит компоненту шума, к которому можно отнести влияние микросейсм, крат-
ных отражений, ошибки регистрационного канала, дифракцию от мелких неоднородностей в среде, влияние метеоусловий. Исходя из предположения, что шум в основном имеет случайный характер, можно за естественную основу алгоритмов интерпретации и обработки сейсмических данных взять статистический подход, развиваемый в работах Ф.М. Гольцмана (1971,1982), СВ. Гольдина (1979), В.Н. Трояна (1983,1984,1989), Т.Б. Яновской, Л.Н. Пороховой (1983) и других.
Поставленая в работе задача определения параметров (амплитуд и времен вступления) интерферирующих сейсмических волн может быть обобщена на геофизические (не обязательно сейсмические) данные в целом.
Работа включает в себя исследование двух алгоритмов для разделения интерферирующих сейсмических волн, основанных на методах статистической оптимизации — итеративного и генетического, а также результаты их применения к синтетическим и реальным сейсмическим данным, определение и сравнение эффективности их работы. Алгоритмы позволяют оценить кинематические и динамические параметры интерферирующих сейсмических волн и увеличить отношение сигнал/помеха, что повышает разрешенность сейсмических данных.
Итеративный алгоритм, предложенный В.Н.Трояном (1976), базируется на методе максимального правдоподобия. В модель автоматически включаются погрешности измерений. Критерии, используемые в статистическом подходе, учитывают априорную информацию в вероятностной форме и позволяют получить модель в соответствии с максимумом апостериорной информации об объекте. Поиск наилучшей статистической модели, однако, не приводит к потери общности, так как включает детерминистический подход. Алгоритм имеет несколько модификаций в соответствии с наличием или отсутствием априорной информации и требуемой в задаче точностью оценок параметров (Тро-ян В.Н., Соколов Ю.М., 1989).
Генетический алгоритм, впервые предложенный Дж.Голландом (Holland, 1975) , представляет собой новый класс методов для решения
нелинейных задач глобальной оптимизации. Особенность его в том, что он допускает использование целевых функций любого типа, без требования их гладкости. Генетический алгоритм за относительно короткое время приобрел признание и популярность и получил применение в геофизике, как и в других областях естественных наук, требующих решения оптимизационных задач. В работах многих ученых (Sambridge М., Drijkoningen G.,1992) этот метод был усовершенствован и исследован на различных примерах. Алгоритм построен по аналогии с эволюционными процессами в природе. Подобно тому, как в ходе биологической эволюции выживают сильнейшие организмы, генетический алгоритм, каждая итерация которого состоит из воспроизводства, скрещивания и мутации, производит отбор наилучших моделей.
Оба алгоритма опробованы на синтетических и реальных сейсмических данных. Для создания синтетических сейсмограмм использован новый перспективный метод сейсмического моделирования, использующий демиграцию (Jaramillo Н., Bleistein N., 1997). Моделирование с помощью демиграции (Santos L. Т., Schleicher J., Tygel М, Hubral P., 1997) соединяет в себе достоинства уже известных методов моделирования, а также дополнительные возможности, позволяющие создавать качественные трехмерные сейсмограммы с учетом дифракции, каустик и сложной геометрии отражающих границ (они не обязательно должны быть гладкими) для произвольной модели распределения скоростей сейсмических волн в среде. Демиграцией было названо преобразование, асимптотически обратное миграции, переводящее данные из пространственной области во временную. Математически это выражается интегралом, имеющим сходную структуру с интегралом Кирхгофа для миграции, поэтому существующие компьютерные программы, созданные для миграции, могут быть легко усовершенствованы, чтобы реализовать процесс демиграции. Изучение возможностей и свойств моделирования с помощью демиграции представляет интерес как для исследовательских, так и для производственных сейсмических работ при поисках нефти и газа.
После опробования генетического и итерационного алгоритмов на синтетический сейсмограммах была определена эффективность и разрешающая способность обоих методов в зависимости от степени интерференции и построены соответствующие графики. Генетический алгоритм показал преимущество над итерационным при разделении интерферирующих волн при малых значениях отношения сигнал/помеха, не только в эффективности, но и в быстродействии.
После тестов на синтетических данных оба метода были применены к реальным сейсмотрассам и сейсмограммам.
Для обработки были выбраны данные глубинного сейсмического зондирования бассейна Балтийского моря, записанные на шведской сейсмической станции. Глубинное сейсмическое зондирование Балтийского щита представляет интерес для изучения тектонической эволюции региона (Ostrovsky A. A., Flueh Е. R., Luosto U.,1993). Морские данные ГСЗ, полученные в рамках международных проектов "Basin'96" и "Ost See Fahrt - 96", позволяют судить о толщине и структуре земной коры и геометрических особенностей границы Мохорови-чича в бассейне Балтийского моря. Сейсмический профиль имеет протяженность около 250 км и расположен между юго-восточным побережьем Швеции и севером Германии, пересекая зону контакта между стабильной Докембрийской областью Балтийского щита с северной стороны и более молодой Каледонийской областью с южной - наиболее интересное тектоническое образование Европы (Erlstrom М., Thomas S. А., Deeks N., Sivhed U.,1997).
По результатам обработки данных ГСЗ построен глубинный скоростной разрез вдоль всего профиля. Полученные результаты дают основание утверждать, что исследуемые в работе алгоритмы являются эффективным средством для обработки геофизических данных как в сочетании со стандартными известными методами, так и примененные отдельно от них.
Целью работы явилась разработка, исследование и сравнение итерационного и генетического алгоритмов разделения интерферирующих
сейсмических волн, опробование их на синтетических и реальных сейсмических данных и обработка с их помощью данных глубинного сейсмического зондирования Балтийского щита. Основные задачи работы.
-
Исследование генетического алгоритма и применение его к задаче разделения интерферирующих волн.
-
Сравнение эффективности итерационного и генетического алгоритмов в задаче оценивания параметров интерферирующих сейсмических волн.
-
Построение качественных синтетических сейсмограмм с помощью метода демиграции и применение к ним итерационного и генетического алгоритмов.
-
Опробование алгоритмов на реальных данных глубинного сейсмического зондирования.
-
Построение двумерной модели распределения скоростей продольных волн вдоль профиля ГСЗ до глубины мантии.
Научная новизна работы определяется следующими результатами.
-
Генетический алгоритм впервые применен к задаче разделения интерферирующих сейсмических волн и оценивания их амплитуд и времен вступления. Исследована эффективность этого метода при различных значениях отношения сигнал / помеха.
-
Для создания синтетических сейсмограмм использован принципиально новый и перспективный метод — моделирование с помощью демиграции. Приведено сравнение с традиционными методами сейсмического моделирования.
-
Построенный вдоль профиля ГСЗ скоростной разрез является первым результатом обработки морских данных широкого угла, зарегистрированных на сейсмостанции Швеции. Данные ГСЗ получены в ходе эксперимента, являющегося частью международных проектов "Basin'96" и "Ost See Fahrt - 96".
Практическая ценность. Для решения практических задач по обработке сейсмических данных, наиболее существенными являются следующие результаты:
созданы компьютерные программы (F77, С) в соответствии с генетическим и итерационным алгоритмами, которые могут быть использованы для решения исследовательских и прикладных задач, а также для обработки реальных сейсмических данных в комбинации с промышленными пакетами прикладных программ;
также предлагается программа (MatLab) для быстрого двумерного сейсмического моделирования сейсмограмм отраженных волн (ОГТ и сейсмограмм равного удаления) методом демиграции и лучевым методом для двуслойной среды и произвольной геометрии отражающей границы;
создана также еще одна программа (F90) для моделирования трехмерных сейсмограмм с помощью демиграции для произвольного распределения скоростей в среде и произвольной геометрии отражающих слоев. Метод трехмерного моделирования сейсмограмм с помощью демиграции и соответствующие компьютерные программы вызывают в настоящее время большой интерес в исследовательских отделах ведущих нефтяных компаний России и Европы.
произведена комплексная обработка данных глубинного сейсмического зондирования Балтийского щита. Профиль длиной 250 км пересекает бассейн Балтийского моря от юго-восточного побережья Швеции до северной части Германии и проходит через зону контакта двух разновозрастных блоков Балтийского щита — тектоническое образование, интересное с точки зрения эволюции региона. Построена модель распределения скоростей продольных волн и положения отражающих границ вдоль профиля до глубины верхней мантии, определена толщина коры и особенности геометрии границы Мохоровичича в зоне контакта двух блоков щита.
Защищаемые положения:
-
Доказано преимущество генетического алгоритма в эффективности и быстродействии над итерационным алгоритмом в задаче разделения интерферирующих сейсмоволн по результатам численного моделирования и применения к реальным данным.
-
Показаны преимущества сейсмического моделирования с помощью демиграции для создания качественных сейсмограмм по сравнению с лучевым методом и моделированием по интегралу Кирхгофа.
-
Предложено оптимальное использование алгоритмов разделения интерференции сейсмических волн в сочетании со стандартными пакетами программ обработки сейсмических данных, дающее существенное улучшение разрешенности сейсмограммы, что положительно сказывается на качестве результирующей скоростной модели.
-
Обнаружена ступень в границе Мохоровичича высотой в 6 км в зоне контакта двух разновозрастных блоков Балтийского щита.
Аппробация работы.
Результаты исследования, представленного в работе, докладывались на международных конференциях 'Problems of Geocosmos' (Санкт-Петербург, 1996,1998), на семинаре кафедры Геофизики Уппсальского университета (Швеция) в 1997 г., на совместном Workshop консорции WIT и GOCAD (г. Нанси, Франция) в 1997 г., на научных семинарах Геофизического Института университета г. Карлсруэ (Германия) в 1997-1998 гг., на семинаре исследовательской группы геофизической компании CGG (Лондон, 1998).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Работа содержит 102 страницы машинописного текста, 32 рисунка, 4 графика, библиографию из 66 наименований.