應用保辛Stereo?modeling 方法的振幅補償逆時偏移成像

摘要： 地震波數值模擬的精度很大程度上決定了逆時偏移結果的分辨率，文中采用保辛近似解析離散化方法，在Birkhoffian 系統下求解黏滯聲波方程，并進行振幅補償的逆時偏移（RTM）。首先，將黏滯聲波方程構造成一個Birkhoffian 系統，對于該系統采用二階保辛Runge‐Kutta 法進行時間推進，分別采用Stereo‐modeling 法（STEM） 和傳統有限差分法進行空間算子離散，相應得到SSM（Symplectic Stereo‐modeling Method）和CSM（Conventional Symplectic Method）兩種方法。之后，對SSM 和CSM 進行一系列數值性質分析，包括數值頻散分析、與解析解比較、效率對比、穩定性測試等。結果顯示，SSM 的最大數值頻散誤差約為9%，而CSM 約為26%； SSM 的計算效率高且長時計算穩定，計算效率約為CSM 的兩倍。最后，應用三個模型進行了正演數值模擬和逆時偏移試驗。對于衰減數據，與聲波RTM 相比，黏滯聲波RTM 成像振幅更高，能獲得與無衰減數據聲波RTM 相近的成像振幅。對于油氣藏模型，SSM 比CSM 的成像精度更高、數值頻散更小。

關鍵詞： 黏滯聲波方程，振幅補償，保辛方法，逆時偏移，數值頻散

中圖分類號：P631 文獻標識碼：A DOI：10. 13810/j. cnki. issn. 1000‐7210. 2024. 05. 011

0 引言

社會經濟的高速發展，帶動了各行業的快速進步，對于相關資源的需求也在不斷增加。石油、天然氣的開發和應用對于中國經濟的發展有著重要影響。在油氣勘探領域，地震勘探技術處于核心地位，發展新型的勘探方法和偏移技術，對了解地震波傳播規律和提高地震成像分辨率具有重要意義。

逆時偏移（RTM）可為巖性儲層估計提供保真的、分辨率高的成像剖面，是地震成像技術的研究熱點[1‐2]。地震波在傳播過程中會出現頻散和衰減效應。使用品質因子（Q）描述的黏滯聲波方程將有助于補償能量損失，進而獲得高分辨率的成像結果[3]。

RTM 的核心步驟是波動方程數值求解。常用的數值模擬方法包括有限差分法、偽譜法和有限元法等。有限元法能靈活地進行網格剖分、精度高、適用于復雜邊界區域的成像，但計算量大，很難高效實現并行計算[4]。偽譜法在指定精度下，所需網格數量少于有限元法和有限差分法，但其局部性能差、不易并行、邊界處理困難，并且可能出現吉布斯現象。有限差分法具有編程簡單、計算速度快、存儲需求少、易并行等優點，在地球物理領域的數值模擬中被廣泛應用[5]，能求解多種波動方程，包括聲波、彈性波和黏彈性波方程[5]。然而，傳統的有限差分法，例如Lax‐wendroff Correction（LWC）方法，在粗網格下或介質存在較大速度反差時會產生嚴重的數值頻散[6]。高階格式或加細網格可以壓制數值頻散，但會令計算量和存儲量大幅增加，從而難以滿足大規模波場數值模擬的需求。Yang 等[7‐9] 提出應用Stereo‐modeling 法（STEM） 求解聲波和彈性波方程。不同于傳統的有限差分法，STEM 應用位移及其空間梯度共同逼近空間高階偏導數，能夠有效壓制數值頻散并達到較高的數值精度。Li 等[10‐11]將STEM 應用于逆時偏移，結果表明，相比于傳統有限差分法，STEM 的偏移結果分辨率更高。

以上有限差分法是在牛頓力學體系中構造的，在格式構造過程中較少考慮能量守恒、保持結構不變等物理性質，會因為數值離散和求解過程等引發系統能量損失。解決的方法之一就是使用保辛方法[12]。保辛方法是一種在哈密頓系統下構造的數值格式，可以保持哈密頓系統隨時間演化中的一系列量不變，具有長時計算穩定性。Feng 等[13]根據函數生成理論，針對常微分方程構建了保辛方法的理論框架，發展了許多不同類型的保辛方法。Qin 等[14]提出了波動方程的哈密頓形式，并構造了多個時間上的多級保辛方法。Li 等[15]提出了時間上的三階保辛可分Runge‐Kutta （SPRK）法。馬嘯等[16]基于聲波方程和彈性波方程的哈密頓系統表述，結合STEM和SPRK 法，提出了近似解析的SPRK（NSPRK）法。Birkhoffian 系統比哈密爾頓系統能夠描述的情況更廣泛，王美霞[17]將STEM 應用到達朗貝爾介質中的縱波和P‐SV 波方程，構建了廣義Birkhoffian系統，并提出了求解該系統的保辛方法SSM（SymplecticStereo‐modeling Method）。Yang等[18] 將SSM推廣至求解雙相介質中的彈性波方程。

本文將SSM 推廣至求解黏滯聲波方程，并進行振幅補償的逆時偏移成像。具體為：首先，將黏滯聲波方程構造為一個廣義Birkhoffian 系統； 然后，采用二階保辛Runge‐Kutta 法進行時間推進，并采用低數值頻散的STEM 進行空間離散，從而獲得求解黏滯聲波方程的SSM； 再通過數值頻散、計算效率和長時計算穩定性對比等分析方法的優勢； 最后，應用多個模型，進行基于黏滯聲波方程的正演數值模擬和衰減補償的逆時偏移。結果表明，所提方法具有低數值頻散、成像分辨率更高的優勢。

1 求解黏滯聲波方程的保辛格式

1. 1 方法理論

本文應用的黏滯聲波方程為[19]