南海OBS-拖缆数据序贯全波形反演：一种海洋速度模型构建工作流

《Journal of Marine Science and Engineering》：A Sequential OBS–Streamer Full-Waveform Inversion Workflow for Marine Velocity-Model Building: Synthetic and South China Sea Case Studies

　　

海洋速度模型构建中的全波形反演（full-waveform inversion, FWI）受采集几何影响显著，因为不同观测系统采样的波场部分不同。本研究探讨了一种序贯OBS（ocean-bottom seismometer，海底地震仪）–拖缆FWI工作流，将OBS FWI获得的的速度模型作为后续拖缆FWI的初始模型。首先开展合成实验，利用源–接收对和单炮灵敏度核（sensitivity kernel）比较OBS与拖缆几何的空间灵敏度，随后比较仅OBS、仅拖缆和序贯反演的结果。结果表明，长偏移距OBS数据在更广的深度范围内提供速度约束，而密集拖缆采集主要改善浅部和中等深度结构。在序贯反演过程中，OBS FWI引入的大尺度速度变化基本得以保留，而拖缆数据在浅部灵敏度较强的区域提供了额外细化。在合成测试中，序贯OBS–拖缆FWI将浅部区域的相对L2速度误差从5.782%降至1.600%，中等至深部区域从12.301%降至10.660%（相对于初始模型）。该工作流进一步应用于南海同一测线上的OBS和拖缆数据，利用序贯模型进行逆时偏移（reverse-time migration, RTM）可获得改善的反射层连续性和事件聚焦性。这些结果表明，序贯工作流通过纳入OBS和拖缆数据的互补约束，在合成测试中提高了速度模型精度，并在实际数据应用中改善了成像质量。

论文解读：序贯OBS–拖缆全波形反演在海洋速度模型构建中的应用

一、研究背景与问题

海洋地震勘探通过记录人工震源（通常为气枪）产生的波场来探测地下结构。这些波经水体及下伏地层传播后，其反射波和折射波由拖曳式水听器拖缆或海底仪器（如海底地震仪OBS和海底节点OBN）记录。不同采集系统在检波器分布、炮检距和记录波场分量上存在差异，为地下提供了互补信息。可靠的速度模型是将地震走时与地下位置关联的基础，也是海洋环境下地震成像和地下解释的关键。

全波形反演（FWI）通过最小化观测与模拟地震波形之间的差异来估计地下模型参数。与传统基于走时的方法相比，FWI利用更完整的波场信息，能以更高空间分辨率恢复速度结构。然而，其性能对初始模型、可用频率范围和采集几何高度敏感。低频信息不足或地下照明不充分可能导致周跳（cycle skipping）问题，降低反演模型的可靠性。为此，多尺度频率延续策略被广泛采用，即逐步引入更高频率，先建立长波长速度结构再恢复细尺度变化。

采集几何是控制FWI性能的另一重要因素。海洋拖缆采集提供密集且相对规则的检波器采样，广泛用于高分辨率速度建模，但其偏移距受拖缆长度限制，常规拖缆数据以短、中偏移距传播路径为主，对更深和更长波长速度结构的灵敏度有限。相比之下，OBS/OBN采集因检波器固定于海底而震源横向移动范围更广，通常能提供更长的炮检距和更宽的传播角度范围，长偏移距折射波、潜波和广角反射可携带更深部速度信息，但其检波器分布相对稀疏，可能导致横向覆盖不均和采样不足。

因此，拖缆与海底采集提供不同形式的模型约束：拖缆在有限孔径内提供密集空间采样，而OBS/OBN将采样波场扩展至更长偏移距和更大深度。这种互补性促使研究者探索二者的联合使用。已有研究尝试将拖缆与有限数量OBS数据结合、利用OBS长偏移距数据建立背景模型后进行拖缆反射数据成像，或在统一目标函数中联合反演两类数据。然而，多数研究聚焦于最终速度模型或偏移图像，较少关注OBS与拖缆采集的不同灵敏度如何影响各自反演阶段。本研究正是针对这一空白，利用灵敏度核解释两种采集几何的互补作用，并检验其对连续反演阶段的贡献。

二、研究内容与结论

本研究系统开展了合成实验和南海实际数据应用，评估序贯OBS–拖缆FWI工作流的有效性。合成实验首先比较OBS与拖缆几何的空间灵敏度，随后进行仅OBS、仅拖缆和序贯反演三种方案，由于真实模型已知，可分别评估各阶段贡献。实际数据应用采用南海同一测线上的OBS和拖缆数据，在仅5个OBS台站的稀疏覆盖条件下评估工作流性能，并通过RTM检验成像响应。研究得出以下主要结论：OBS长偏移距数据在更广深度范围提供速度约束，而密集拖缆采集主要改善浅部和中等深度结构；序贯反演中OBS阶段的大尺度速度变化基本保留，拖缆数据在浅部灵敏度较强区域提供额外细化；合成测试中序贯反演在浅部和中等至深部区域均获得最低相对L₂速度误差；实际数据应用中，序贯模型生成的RTM图像在选定区域表现出改善的反射层连续性和事件聚焦性。研究意义在于：通过灵敏度核分析将反演结果与各采集方式提供的约束建立直接联系，论证了序贯模型传递在OBS数据能提供有效背景速度约束区域的价值，同时揭示了其效益对空间覆盖和可用频率内容的依赖性。

三、关键技术方法

本研究采用的主要技术方法包括：（1）全波形反演（FWI），基于L₂范数波形失配函数，利用伴随状态法计算速度梯度，采用L-BFGS算法确定搜索方向，并实施多尺度频率延续策略；（2）谱元法（spectral-element method, SEM）正演模拟，基于开源SPECFEM2D软件包（版本8.1.0），网格可贴合不规则海底地形并保持高阶数值精度；（3）灵敏度核分析，分别计算代表性源–接收对和单炮累积灵敏度核，比较OBS与拖缆几何的空间灵敏度分布；（4）序贯反演策略，将OBS FWI结果作为拖缆FWI的初始模型；（5）逆时偏移（RTM）成像验证。合成实验采用含水体、横向和纵向变化沉积结构及深部速度界面的海洋模型，OBS采集含72炮、13个海底检波器（间距200 m），拖缆配置含120个检波器（间距6.25 m），分别使用峰值频率15 Hz和30 Hz的Ricker子波。实际数据方面，南海OBS数据含601炮、5个海底检波器（间距400 m，水深约1100–1295 m），最大偏移距约10.566 km；拖缆数据含200炮、每炮360个检波器（间距6.25 m），最大偏移距约2.386 km。OBS反演使用2–8 Hz频带，拖缆反演依次通过8–13、8–18、8–23、8–28和8–33 Hz频带。

四、研究结果

4.1 合成模型与采集几何

合成模型代表海洋环境，包含水体、横向和纵向变化的沉积结构及深部多个速度界面。OBS与拖缆采集使用相同震源配置（72炮，深度5 m，间距50 m），但检波器密度和孔径差异显著。OBS接收器位于海底（深度200 m），间距200 m；拖缆含120个检波器，深度5 m，间距6.25 m。OBS和拖缆模拟分别使用峰值频率15 Hz和30 Hz的Ricker子波，以近似实际数据的频率差异。

4.2 OBS与拖缆采集的互补灵敏度

灵敏度核测试比较了两种采集几何采样的模型区域。选取第1、33和72炮分别代表测线左、中、右位置。对于拖缆几何，相对较短的炮检距使灵敏度集中于震源和检波器附近及浅层传播路径，灵敏区域随震源位置横向移动但垂向范围变化不大，因此拖缆几何对模型浅部采样强于深部。OBS核呈不同分布：因检波器位于海底且可用偏移距更长，灵敏区域横向和垂向延伸更广，尤其对第1和72炮，核沿长偏移距传播路径到达模型更深部位。单炮累积核进一步显示：拖缆密集检波器采样在测线下方产生较连续的灵敏度模式，但最强响应仍集中于浅部；OBS几何因长偏移距路径同时横向和向下延伸而覆盖模型更广区域。两种核集在深度覆盖上差异明显：拖缆提供密集浅部灵敏度，OBS将采样区域扩展至更大深度。

4.3 OBS、拖缆及序贯OBS–拖缆FWI结果比较

三种反演方案的速度模型比较显示：初始模型为真实模型平滑所得；仅OBS结果在模型中等和更深部位出现清晰更新，尤其在剖面中心附近，深部横向速度变化更明显，但浅部因OBS采样稀疏而保持相对平滑。仅拖缆结果更新模式不同，浅部和中等深度区域出现更细致且横向连续的速速变化，更深部变化不显著，与较小采集孔径一致。序贯反演中，OBS阶段获得的深部速度变化在最终模型中保留，拖缆数据在更浅深度引入额外细节，最终结果包含比任一单独反演更宽深度范围的结构信息。

在x = 3.0 km处垂直速度剖面中，仅OBS反演剖面在大部分中等和更深区间向真实模型靠近，但若干局部速度变化未完全恢复；仅拖缆剖面在浅部和中等深度变化较强，深部仍存在较大偏差；序贯结果在更宽深度区间内跟随真实模型的主要速度变化，在浅至中等和中等至深过渡带均有改善。在x = 1.5 km处（有效OBS孔径较低），OBS阶段更新有限，序贯结果接近仅拖缆结果，表明序贯FWI的改进横向变化，主要收益出现在OBS数据能提供有效背景速度约束的区域。

相对L₂速度误差比较显示：浅部区域，三种反演均降低误差，仅拖缆FWI误差（2.647%）略低于仅OBS FWI（2.790%）；中等至深部区域，仅OBS FWI将误差从12.301%降至11.746%；序贯OBS–拖缆FWI在两个区域均获得最低误差，分别为1.600%和10.660%，表明将OBS反演结果作为拖缆数据反演初始模型不仅进一步改善浅部模型，还降低了中等至深部区域误差。

五、讨论与结论

讨论部分指出，OBS和拖缆采集在速度和频率内容上均提供互补约束：OBS长偏移距提供更广深度范围的灵敏度，拖缆密集采样在浅部和中等深度提供更连续约束；OBS记录含较强低频能量，拖缆数据延伸至更高可用频率。合成实验中序贯反演在评估深度区间内比任一单独反演更接近真实模型，OBS阶段引入的大尺度速度变化在后续拖缆反演中基本保留，额外更新主要出现在浅部和中等深度，与灵敏度核分析一致。但改进并非均匀分布：在OBS孔径受限位置，OBS阶段更新有限，序贯优势不明显。南海实际数据应用呈现类似更新模式，OBS FWI引入中等和更深部速度变化，后续拖缆反演主要修改浅部和中等深度区域，深部变化在模型传递后基本保留。与仅拖缆FWI速度模型的RTM图像相比，序贯模型的图像在选定区域反射层连续性和事件聚焦性有所改善。局限性包括：实际数据仅含5个OBS台站导致横向覆盖稀疏、约束不均；模拟采用常密度声学近似并忽略衰减；无独立井数据验证速度精度，RTM评估为定性。未来工作将考虑弹性和粘弹性波传播、多分量观测及更紧密耦合的OBS与拖缆数据联合方法。

结论部分总结：本研究通过灵敏度核分析、合成反演测试和南海实际数据应用评估了序贯OBS–拖缆FWI。合成测试中，序贯模型在评估深度区间内比仅OBS和仅拖缆模型获得更低的相对L₂速度误差，表明OBS FWI恢复的大尺度速度结构可在后续拖缆FWI中基本保留，而拖缆数据主要在浅部和中等深度提供进一步细化。实际数据应用中，使用序贯模型的RTM相比仅拖缆模型在选定区域改善了反射层连续性和事件聚焦性。然而，合成剖面也显示在OBS更新较弱的区域序贯优势有限。这些发现支持在OBS数据能提供有效背景速度约束的情况下采用序贯模型传递，同时强调其效益对空间覆盖和可用频率内容的依赖性。