基于弹性波敏感性的自适应地震勘探设计方法，用于经济高效地监测地质碳储存情况

《International Journal of Greenhouse Gas Control》：Elastic-wave sensitivity-guided adaptive seismic survey design for cost-effective monitoring of geological carbon storage

　　袁天 | 姜先金 | 黄连杰 | 高凯 | 贾斯里·艾耶尔 | 维罗尼卡·瓦西尔基夫斯卡 | 埃里卡·加斯佩里科娃
劳伦斯利弗莫尔国家实验室，加利福尼亚州利弗莫尔，美国

**摘要**
有效的地震监测对于验证二氧化碳（CO?）的封存情况、检测潜在泄漏以及优化地质碳储存（GCS）的运营决策至关重要。本研究提出了一种基于时间适应性和弹性波敏感性的框架，用于设计经济高效的地震监测布局，以追踪CO?羽流的迁移。该方法基于弹性波敏感性分析，该分析量化了地下属性变化对地震波场的影响。研究开发了两种互补的设计策略：一种是根据固定数量的地震源进行选择（方法A）；另一种是根据对累积弹性波敏感性能量贡献固定比例的源-接收器对进行选择（方法B）。通过使用加利福尼亚州金伯利纳地区的假设GCS场景，并结合多个注入后时间步的弹性波敏感性数据模拟，展示了识别具有最高检测潜力的源-接收器配置的优化工作流程。结果表明，这两种策略都能适应不断变化的羽流几何形态和波场敏感性，其中方法B具有更广泛的空间覆盖范围，而方法A则确保了更简单的部署。这一框架能够实现针对特定地点的、经济高效且基于风险信息的地震调查设计，从而增强在不断变化的地质环境中监测CO?迁移的能力。

**引言**
将大量捕获的碳注入深层地下结构（即地质碳储存GCS）是一种受到工业和能源领域广泛关注的策略（例如Baker等人，2020年；Metz等人，2005年；Zahasky和Krevor，2020年）。确保注入的CO?在长时间内安全储存是该技术有效应用的关键（Jenkins，2020年；Jenkins等人，2015年）。因此，能够检测羽流迁移并识别潜在泄漏的监测技术是GCS运营不可或缺的组成部分（Benson和Cole，2008年；Flohr等人，2021年；Gasperikova等人，2022年；Hannis，2013年）。此外，为了有效检测不断变化的地下条件和CO?羽流分布，监测策略必须在GCS项目的注入和注入后阶段都具有时间适应性和成本效益（Furre等人，2017年）。一个基于模拟弹性波敏感性数据的开源框架可以显著提升操作者在不断变化的地下条件和运营限制下定制地震调查的能力，从而在监测效果和成本之间实现优化平衡。

在现有的监测方法中（Huang，2022年），时间延迟地震监测在追踪地下CO?迁移方面表现出高效性。时间延迟主动地震调查涉及随时间重复进行地震调查，以检测和表征由CO?注入和迁移引起的地下变化（Feng等人，2022年）。这种方法具有高空间分辨率和较大的穿透深度，这对于监测注入的CO?是否仍保持在预定的储存层中或在早期阶段迁移到非预期区域至关重要（Davis，2023年）。传统的时间延迟地震调查设计依赖于基于射线或波动方程的波场照明分析（Alves等人，2009年；Curtis，2004年；Muerdter和Ratcliff，2001年）。然而，在地质复杂的区域，这些方法可能由于处理多路径和波场散射的局限性而无法准确反映真实的地下情况（Amundsen等人，2013年；Gray和Marfurt，1995年；Jones，2010年）。最近，诸如聚焦地震监测（Al Khatib等人，2022年；Brun和Chen，2023年）、环境适应性几何结构（如EcoSeis?（Naghizadeh等人，2023年）以及通过菲涅尔区划分实现的高效稀疏采集（Goodway等人，2024年；2025年）等创新技术出现了，这些技术提高了成本效益和环境可持续性。然而，这些方法在适应性方面往往有限，并且缺乏对目标监测区域地下弹性波敏感性的定量整合。

为了克服这些挑战，我们探索了一种基于弹性波敏感性的地震监测设计方法。该方法通过计算弹性波敏感性核来计算观测到的地震波场对地下参数（如P波和S波速度）变化的响应，这些敏感性核会在介质中传播（Denli和Huang，2010年）。弹性波敏感性信息为评估哪些源-接收器对最有效地检测羽流引起的速度变化提供了定量指标。先前的研究已经证明了这种方法在CO?泄漏监测（Shang和Huang，2012年；Wang等人，2018年）以及改进时间延迟监测设计（Gao和Huang，2020年）方面的潜力。

地震采集本身成本较高，且固定的采集布局可能无法随着羽流的变化而保持最优；因此，人们对能够根据羽流形状、位置和地震可检测性的变化重新定位源和接收器的时间适应性和基于弹性波敏感性的监测策略越来越感兴趣（Halliday等人，2024年；Shabelansky、Malcolm和Fehler，2013年）。使用弹性波敏感性作为设计指标支持了这种适应性，但敏感性矩阵的复杂性仍然在提取平衡覆盖范围和成本效益的最佳源-接收器配置方面带来了挑战。

弹性波敏感性衡量了观测到的波场W对每个源位置xs和接收器位置xr处的物理参数ξ扰动的响应（Denli和Huang，2010年；Gao和Huang，2020年）。先前的研究使用敏感性图来识别高检测区域或优先考虑监测区域（Shang和Huang，2012年）。然而，很少有研究直接探讨如何以时间适应性和定量受限的方式从完整的敏感性矩阵中提取操作上可行的源-接收器几何结构。

在这项研究中，我们开发了一个工作流程来优化源-接收器布局，并使用多个注入后时间步的模拟2D时间延迟弹性波敏感性数据进行了验证。我们的工作流程利用从模拟地震数据中得到的弹性波敏感性矩阵，通过两种设计策略计算出最佳的调查布局：方法A选择固定数量的高弹性波敏感性地震源；方法B则识别对累积弹性波敏感性能量贡献固定比例的源-接收器对。我们从适应性、检测覆盖范围和运营效率等方面评估了这些方法。结果表明，基于弹性波敏感性指导的时间适应性调查设计比传统的固定布局策略具有更好的性能，并支持CO?羽流监测的风险决策。

**方法**
为了设计监测计划，我们首先建立一个CO?羽流模型，并计算不同弹性波成分和CO?羽流介质参数的弹性波场敏感性。对于P波场uP和S波场uS，弹性波敏感性能量（EWSE）定义为（Denli和Huang，2010年；Gao和Huang，2020年）：
EξP(xi,xj) = ∫?^T ρ[vpuξP(xi,xj,t)]2 dt,
EξS(xi,xj) = ∫?^T ρ[vsuξS(xi,xj,t)]2 dt，
其中uξP表示对P波的敏感性，uξS表示对S波的敏感性。

**结果**
我们展示了如何利用弹性波敏感性数据为不同时间步、波场成分、羽流特性和监测目标设计出适应性强且经济高效的地震调查计划。

**讨论**
有效监测CO?储存地点需要早期检测泄漏并适应性地规划调查，以考虑动态的地下变化。本研究提出的两种地震调查设计策略在平衡EWSE覆盖范围和运营约束方面取得了成功，每种策略对现场部署都有不同的影响。选择哪种方法取决于用户优先级和监测目标。方法A通过选择固定数量的高敏感性源来优先考虑运营简便性；方法B则通过针对总弹性波敏感性能量的固定比例来提供更广泛的空间覆盖范围。

**结论**
我们提出了一种基于弹性波敏感性的地质碳储存适应性地震监测框架。通过使用弹性波敏感性能量作为定量指标，我们开发了两种互补的调查设计策略：方法A通过选择固定数量的高敏感性源来优先考虑运营简便性；方法B则通过针对总弹性波敏感性能量的固定比例来提供更广泛的空间覆盖范围。

**致谢**
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**作者贡献声明**
袁天：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、可视化、验证、软件、概念化。
姜先金：撰写——审阅与编辑、可视化、监督、方法论、概念化。
黄连杰：撰写——审阅与编辑、软件、方法论、数据管理。
高凯：软件、方法论。
贾斯里·艾耶尔：撰写——审阅与编辑、监督、概念化。
维罗尼卡·瓦西尔基夫斯卡：撰写——审阅与编辑、软件。
埃里卡……