[论文解读] Multi-scale seismic envelope inversion using a direct envelope Frechet derivative for strong-nonlinear full waveform inversion

Ru‐Shan Wu, Guoxin Chen|arXiv (Cornell University)|Aug 15, 2018

Seismic Imaging and Inversion Techniques参考文献 28被引用 12

一句话总结

本文提出了一种多尺度直接包络弗雷chet导数（MS-DEI）方法，用于全波形反演（FWI），通过直接从能量散射物理原理推导灵敏度核，避免使用Born近似，从而克服了传统方法在弱散射条件下的局限性。该方法利用多尺度窗平均包络，实现了对强对比度盐层结构的稳健反演，在一维和二维合成模型中成功恢复了大尺度速度结构。

ABSTRACT

Traditional seismic envelope inversion takes use of a nonlinear misfit functional which relates the envelope of seismogram to the observed wavefield records, and then derive the sensitivity kernel of envelope to velocity through the use of waveform Frechet derivative by linearizing the nonlinear functional. We know that the waveform Frechet derivative is based on the Born approximation of wave scattering and can only work for the case of weak scattering. Therefore, the traditional envelope inversion using waveform Frechet derivative has severe limitation in the case of strong-scattering for large-scale, strong-contrast inclusions. In this paper, we derive a new direct envelope Frechet derivative (sensitivity operator) based on energy scattering physics without using the chain rule of differentiation. This new envelope Frechet derivative does not have the weak scattering assumption for the wavefield and can be applied to the case of strong-nonlinear inversion involving salt structures. We also extend the envelope data into multi-scale window-averaged envelope (WAE), which contains much rich low-frequency components corresponding to the long-wavelength velocity structure of the media. Then we develop a joint inversion which combines the new multi-scale direct envelope inversion (MS-DEI) with standard FWI to recover large-scale strong-contrast velocity structure of complex models. Finally, we show some numerical examples of its successful application to the inversion of a 1-D thick salt-layer model and the 2D SEG/EAGE salt model.

研究动机与目标

• 克服基于Born近似的传统地震包络反演方法在弱散射条件下的局限性。
• 开发一种基于能量散射物理原理的直接包络弗雷chet导数，适用于强散射情况。
• 将包络反演扩展至多尺度窗平均包络（WAE），以增强长波长结构恢复的低频成分。
• 将MS-DEI与标准FWI结合，实现对复杂高对比度速度模型的联合反演。
• 在1-D厚盐层模型和2-D SEG/EAGE盐模型上验证该方法的有效性。

提出的方法

• 基于能量散射物理原理推导直接包络弗雷chet导数，不依赖链式法则或线性化方法。
• 避免使用Born近似，使其适用于强散射及高对比度包体（如盐体）的反演。
• 引入多尺度窗平均包络（WAE），从地震数据中有效提取丰富的低频成分。
• 构建联合反演框架，结合MS-DEI与标准FWI，以恢复大尺度速度结构。
• 将该方法应用于具有强对比度盐层的一维和二维合成模型，以验证其性能。
• 通过数值算例验证该方法在复杂速度结构下的收敛性与鲁棒性。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在不依赖Born近似的弱散射假设下，推导出直接包络弗雷chet导数？
• RQ2 多尺度窗平均包络是否能提升强非线性反演中长波长速度结构的恢复能力？
• RQ3 将MS-DEI与标准FWI结合是否能增强对复杂高对比度盐结构的反演能力？
• RQ4 该方法在具有强速度对比度的合成1-D和2-D模型上的表现如何？
• RQ5 在强散射和复杂地质特征存在的情况下，该方法能否实现稳定收敛？

主要发现

• 直接包络弗雷chet导数适用于强散射情况，且不依赖Born近似，可在高对比度介质中实现稳健反演。
• 多尺度窗平均包络（WAE）能有效提取低频成分，从而约束长波长速度结构。
• MS-DEI与标准FWI的联合反演在1-D厚盐层模型中成功恢复了大尺度速度结构。
• 该方法在2-D SEG/EAGE盐模型上实现了稳定且精确的反演结果，展现出在复杂地质环境下的鲁棒性。
• 数值结果表明，与传统包络反演相比，该方法在强散射环境中表现更优。
• 即使在标准FWI因周期跳跃和非线性问题而失效的情况下，该方法仍能实现盐体的可靠成像。