Seismic wave velocity of underground rock plays important role in detecting internal structure of the Earth. Rock physics models have long been the focus of predicting wave velocity. However, construction of a theoretical model requires careful physical considerations and mathematical derivations, which means a long research process. In addition, various complicated situations often occur in practice, which brings great difficulties to the application of theoretical models. On the other hand, there are many empirical formulas based on real data. These empirical models are often simple and easy to use, but may be not based on physical principles and lack a proper formulation of physics. This work proposed a rational function neural networks (RafNN) for data-driven rock physics modeling. Based on the observation data set, this method can deduce a velocity model which not only satisfies the actual data distribution, but also has a proper mathematical form reflecting the inherent rock physics. The Gassmann's equation, which is the most commonly used theoretical model relating bulk modulus of porous rock to mineral composition, porosity and fluid, is perfectly reconstructed by using data-driven RafNN. The advantage of this method is that only observational data sets are required to extract model equations, and no complex mathematical and physical processes are involved. This work opens up for the first time a new avenue on constructing analytical expression of velocity models using neural networks and field data, which is of great interest for exploring the heterogeneous structure of the Earth.


翻译:地下岩石的地震波速度在探测地球内部结构方面起着重要作用。岩石物理模型长期以来一直是预测波速的焦点。然而,理论模型的构建需要谨慎的物理考虑和数学推算,这意味着一个长期的研究过程。此外,各种复杂的情况经常发生,给应用理论模型带来极大的困难。另一方面,有许多基于真实数据的实验公式。这些经验模型往往简单易用,但可能不以物理原理为基础,而且缺乏正确的物理构思。这项工作为数据驱动的岩石物理学模型提出了一个合理的功能神经网络(RafNN)。根据观察数据集,这种方法可以推导出一种速度模型,不仅满足实际数据分布,而且具有反映固有岩石物理模型的适当数学形式。Gasmann的方程式是最常用的理论模型,它与低度岩石的构成、渗漏和流有关,但可能不以物理原理为基础,而且缺乏适当的物理构图。这一方法的优点是,在观察数据数据集的模型中,只有使用复杂的数学模型,才需要用新的数学模型来进行数学模型的剖析。

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