《Journal of Applied Geophysics》：Application of 3D physical modeling to assess the potential of full waveform inversion in fractured zones and thin layers: Insights from laboratory experiments
编辑推荐：
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全波形反演（FWI）的3D物理建模验证。
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低频FWI能够检测到λ/8厚的薄层。
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全波形反演（FWI）的3D物理建模验证。
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低频FWI能够检测到λ/8厚的薄层。
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低频FWI会高估薄层的厚度。
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开放数据：结果可复制。
引言
断层和裂隙是地壳中地质构造最为复杂且经济意义最为重要的特征之一，它们影响着碳氢化合物的聚集、应力分布以及地震灾害。准确描述这些结构的性质对于水库勘探、地质灾害评估和地下基础设施开发至关重要。然而，由于断层和裂隙系统的几何结构复杂、材料性质各异以及存在多尺度裂隙网络，它们给地震成像带来了重大挑战。尽管机器学习方法在断层和裂隙识别方面表现出色（Xiong等人，2018；Hu等人，2022；Ismail等人，2023；Di等人，2019），但传统的地震速度反演和成像工作流程仍需确保能够在最终的速度模型和地震图像中检测并正确显示这些结构。
近年来，全波形反演（FWI）和最小二乘逆时迁移（LSRTM）已成为提高复杂介质中速度模型精度和地震成像效果的强大工具（Sedova等人，2019； Brandsberg-Dahl等人，2017；Yang等人，2019；Ovcharenko等人，2018；Peng等人，2018；Huang等人，2021；Wang等人，2016）。最新的研究（Cai和Zhang，2016）展示了物理建模在FWI验证中的有效性，表明实验室实验可以弥合数值研究和实际应用之间的差距。FWI通过迭代最小化观测波形与合成波形之间的误差，可以恢复对断层和裂隙划分至关重要的细尺度速度变化。同时，RTM和LSRTM通过解决振幅失真和改善反射体定位问题来增强结构成像。然而，这些方法的验证主要依赖于数值建模，尽管这种方法效率较高，但往往简化了波传播物理过程——尤其是在各向异性、散射和多次反射占主导的裂隙或断层介质中。
物理建模提供了一种有吸引力的替代方案，它能够在受控的实验室条件下复制实地规模的地震调查。与数值模拟不同，实验能够捕捉到诸如仪器噪声、源不确定性以及断层和裂隙区域固有的波场失真等现实世界的复杂性。通过设计具有已知性质的缩比模型，研究人员可以严格测试反演和迁移算法，从而为理论研究与实际应用之间的联系提供见解。
本研究利用3D物理建模来评估FWI、RTM和LSRTM在裂隙检测和薄层表征方面的潜力。我们构建了一个定制的实验装置，模拟了裂隙介质，并使用缩比地震采集方法生成了真实的波场。然后通过FWI反演这些数据以重建速度模型，接着通过RTM和LSRTM进行高分辨率成像。主要关注领域包括：
- 1.
在FWI中，反射波与折射/折射波的作用——尽管在海洋调查中后者占主导地位（因为长偏移数据可以限制深层速度），但在陆地或浅层裂隙系统或薄层中，反射波对于分辨清晰的对比度至关重要。
- 2.
低频FWI检测薄层和裂隙的能力，以及准确恢复其厚度的频率要求。
我们的研究表明，反射波FWI能够有效分辨与裂隙相关的速度差异，但需要注意的是要减轻成像伪影，如“足迹”效应和薄层速度低估问题。通过将物理建模与先进的反演和迁移技术相结合，这项工作为评估复杂地质条件下的地震方法提供了一个可复制的框架，对裂隙区域表征和水库勘探具有实际意义。
章节片段
材料与方法
本研究的前向问题求解基于波场的物理建模。该方法包括设计一个专门的实验装置和一个具有已知性质的物理模型，然后在受控的实验室条件下模拟实地规模的地震调查。所采集的数据并非理想化的：它们自然包含了诸如与地表相关的多次波和源/接收器镜像反射等真实波场复杂性。
结果
利用我们定制设计的物理建模装置，我们在预定义的介质上进行了实验室实验，获取了标准SEG-Y格式的地震记录数据集。这些记录包含了介质内波场传播的特征（地震图）。随后对这些地震图进行了全波形反演（FWI），成功重建了模型的速度属性。
结论
这项研究最初是在偶然情况下自发开始的，但最终发展成为一个引人入胜且富有成效的研究，展示了协作研究的强大作用。由于实验是自发的，我们没有在实验室进行专门的远场源信号测量。因此，必须直接从记录的地震图中估算源信号小波，这不可避免地引入了一定程度的不确定性。
Kerim Khemraev：撰写——初稿、验证、方法论、研究、概念化。 Dmitrii Popov：撰写——初稿、验证、数据整理、概念化。 Viacheslav Polovkov：撰写——审稿与编辑、监督、项目管理、概念化。 Emil Rakhimov：撰写——初稿、验证、研究、概念化。
致谢
我们衷心感谢美国乔治亚理工学院的SLIM团队在推广和推进全波形反演（FWI）方法论方面的开创性贡献。特别感谢Felix Herrmann和Mathias Louboutin在Devito和JUDI库开发及持续支持方面的工作。他们在迁移和反演算法方面的基础性工作对地震成像技术的进步起到了重要作用。
