基于泊松泰森多边形参数化的面波数据自适应反演方法

本发明涉及面波数据处理，具体涉及一种基于泊松泰森多边形参数化的面波数据自适应反演方法。

背景技术：

1、通过测量面波(包括背景噪声面波以及天然地震面波)频散数据反演地下三维剪切波速度结构，是研究区域构造演化、断层精细结构、资源勘探等常用的方法之一。

2、地震面波由于沿着地表传播，其在地震层析成像中相对于体波数据通常具有更高的横向分辨率。背景噪声面波成像方法的出现，使得利用短周期(5-40秒)面波对地壳以及上地幔更精细的成像成为可能。

3、传统的面波反演通常分为两步，即首先通过对不同周期的相速度或者群速度数据进行二维成像以获得水平方向上每个网格点的相速度或者群速度，之后通过对每个网格点的频散数据进行一维反演获得一维剪切波速度结构，最后将所有网格点下的一维结构整合成三维剪切波速度结构。

4、面波直接反演方法可绕过构建相速度或者群速度面的中间步骤直接获得三维剪切波速度结构。最重要的是，面波直接反演方法没有引入面波沿着大圆路径传播的假设，这种假设通常对于短周期面波并不成立，所以面波直接反演方法可以对浅层结构有更好的成像效果(li et al.,2016)。

5、另外，基于射线追踪的面波数据直接反演方法可以省去构建相速度面或群速度面的步骤，直接获得地下三维剪切波波速结构。更重要的是，直接反演方法考虑短周期面波传播非大圆路径传播的影响，对浅层结构成像有相比于传统方法更好的成像效果。然而，面波直接反演方法目前采用的反演网格为规则网格，而且反演过程中采用的平滑以及阻尼规则项没有区分数据覆盖密集或者稀疏区域，故不能很好地实现由数据自适应成像。

6、近年来，由于计算机计算能力的提升，非线性反演方法也被逐渐应用到面波成像中(zhang et al.,2018)。由于需要对模型空间进行采样，该种方法目前只适用于模型参数较少(通常小于500)以及数据量较小的情况。

7、本发明将基于泰森多边形的参数化方法应用到了面波直接反演方法中，根据实际面波数据覆盖自适应生成泰森多边形，进而实现面波数据自适应直接成像。此外，该方法不需要采用传统的基于平滑和阻尼规则项，所以减小了反演过程中的人为干预以及反演结果的主观性。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提供一种基于泊松泰森多边形参数化的面波数据自适应反演方法，进而实现人工干预小、由数据覆盖决定分辨率的自适应面波层析成像。

2、为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

3、一种基于泊松泰森多边形参数化的面波数据自适应反演方法，通过自适应泰森多边形参数化下的模型对面波频散数据进行反演并投影至规则网格，得到三维层状剪切波速度结构；具体包括：

4、步骤一：将不同周期的面波频散数据对三维层状剪切波速度结构的灵敏度整合到由射线追踪获得的水平方向敏感核中，进而建立起由三维层状剪切波速度结构到面波频散走时数据的关系：

5、gδm＝δd；

6、其中g代表整合后规则网格下的灵敏度矩阵，δm表示三维层状剪切波速度结构的变化量，δd为面波频散走时数据残差；

7、步骤二：将规则网格下的灵敏度矩阵g投影到基于泰森多边形参数化下的灵敏度矩阵

8、

9、其中p为投影矩阵，投影矩阵p的行数m对应着规则网格下模型的维度，即由所设置的规则网格控制，在反演过程中不需要修改；投影矩阵p的列数n对应着泰森多边形数量；

10、步骤三：通过反演获得自适应泰森多边形参数化下模型的变化量

11、

12、步骤四：再通过投影矩阵将自适应泰森多边形参数化下的模型变化量反投到规则网格下，得到三维层状剪切波速度结构的变化量δm：

13、

14、步骤五：采用不同的泰森多边形参数化，得到不同的投影矩阵，多次重复执行步骤二至步骤四，将多次得到的三维层状剪切波速度结构的变化量δm的平均值，作为自适应反演模型的最终输出。

15、进一步地，所述面波包括背景噪声面波以及天然地震面波。

16、进一步地，n默认值为100，在具体过程中可进行适当调节。

17、与现有技术相比，本发明的有益技术效果是：

18、本发明提出的基于泰森多边形参数化的面波数据自适应反演方法能够实现多尺度成像，即在数据分布密集区域可获得较高分辨率的结果，在数据分布稀疏区域也可获得大尺度的特征。此外，本发明通过多次反演，每次反演采用分布不同的泰森多边形，最后通过求取平均来获得最后的模型输出，无需选择传统反演方法中的阻尼及平滑参数，反演过程中只需要确定多边形数量，降低了反演结果的主观性。合成数据试验显示本发明较传统方法在异常幅度及形态上均匀明显改善。

技术特征：

1.一种基于泊松泰森多边形参数化的面波数据自适应反演方法，通过自适应泰森多边形参数化下的模型对面波频散数据进行反演并投影至规则网格，得到三维层状剪切波速度结构；具体包括：

2.根据权利要求1所述的基于泊松泰森多边形参数化的面波数据自适应反演方法，其特征在于：所述面波包括背景噪声面波以及天然地震面波。

3.根据权利要求1所述的基于泊松泰森多边形参数化的面波数据自适应反演方法，其特征在于：n默认设置为100。

技术总结
本发明涉及面波数据处理技术领域，公开了一种基于泊松泰森多边形参数化的面波数据自适应反演方法，建立起由三维层状剪切波速度结构到面波频散数据的关系；将规则网格下的灵敏度矩阵投影到基于泰森多边形参数化下的灵敏度矩阵；计算自适应泰森多边形参数化下反演模型的变化量；再通过投影矩阵将泰森多边形参数化下的模型变化量反投到规则网格下，得到三维层状剪切波速度结构的变化量，根据参考速度结构计算出当前反演下的三维层状剪切波速度结构；采用不同的泰森多边形参数化，得到不同的投影矩阵。本发明无需选择传统反演方法中的阻尼及平滑参数，反演过程中只需要确定多边形数量，降低了反演结果的主观性。

技术研发人员：姚华建,方洪健,刘影
受保护的技术使用者：中国科学技术大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16