层状横向各向同性介质反问题初探

用偏微分方程组特征理论研究层状并以垂直轴为对称轴的横向各向同性（TIV）介质的参数反演问题，首先从弹性波运动方程与TIV介质的应力－应变关系导出了平面波耦合方程组的特征型．根据奇性分析与特征积分法给出了连续情形下的特征线边界条件，连续清形下的波场延拓方程即平面波耦合方程组的特征型与特征线边界条件组成了层状TIV平滑介质、弱间断介质参数反演问题的基本方程组．并导出了间断情形下的波场延拓方程与特征线边界条件，这些方程组可用于层状介质（间断情况）的参数反演．基于这些基本方程组，探讨了利用地面多分量地震资料反演层状TIV介质多个弹性参数的问题．     

用地质雷达数据资料反演二维地下介质的方法

从二维麦克斯韦方程组出发推导出反演介电常数和电导率等二维介质物性参数的反演公式.反演的步骤是: 建立初始猜测模型，利用电磁波时间域有限差分法模拟正演数据，用正演数据与观测数据之间的数据残差建立目标函数，通过引入一个由麦克斯韦方程计算的伴随场，将目标函数对介质参数的导数表示成显式形式，应用最优化理论得出对初始猜测模型的修改，用共轭梯度法迭代，最终得到反演结果.用合成数据反演具有粗糙地表的非导电介质的介电常数，用实验数据同时反演介电常数和电导率，并比较了麦克斯韦方程反演结果与声波方程反演结果、波动方程偏移剖面的差异.     

介质密度反演偏导矩阵的精确计算方法

实现反演偏导矩阵的计算是基于导数最优化反演方法的关键,然而目前的地震反演几乎都是基于Zoeppritz方程近似实现的,使计算精度和适应范围受到限制.本文利用Zoeppritz方程建立了反射系数对地层介质密度比偏导方程,导出了Zoeppritz方程矩阵元对介质密度比的导数.通过求解偏导方程获得了反射系数对介质密度比偏导数的精确计算(考虑了速度中含介质密度的问题).利用数值算例分析了反射系数对介质密度比偏导数的变化特点.本文采用直接解法求解偏导矩阵方程组,获得了快的计算速度和高的计算精度,为实现地层介质密度反演(包括大角度反演)提供了偏导矩阵的计算方法.     

基于Born敏感核函数的VTI介质多参数全波形反演

本文基于VTI介质拟声波方程,利用散射积分原理,在Born近似下导出了速度与各向异性参数的敏感核函数,同时结合作者前期研究提出的矩阵分解算法实现了一种新的VTI介质多参数全波形反演方法.矩阵分解算法通过对核函数-向量乘进行具有明确物理含义的向量-标量乘分解累加运算实现目标函数一阶方向或二阶方向的直接求取,从而避免了庞大核函数矩阵与Hessian矩阵的存储,该方法同时可以大大降低常规全波形反演在计算二阶方向时的庞大计算量.为了克服不同参数对波场影响程度的不同,本文利用作者前期在VTI介质射线走时层析成像研究中提出的分步反演策略实现了多参数联合全波形反演.理论模型实验表明,本文提出的基于Born敏感核函数的各向异性矩阵分解全波形反演方法可以获得较好的多参数反演结果.     

频率域激电有限元数值模拟

在三维地电条件下,应用有限元方法模拟了不同频率谐变电流激发下的地表激电响应,首先根据麦克斯韦方程推导出谐变电磁场复电位的波动方程,利用广义变分原理得到复电位波动方程及其边界条件下边值问题等价的变分问题.尔后将区域剖分离散化,在单元中进行插值,得到一组线性方程组,通过合理存储刚度矩阵、解方程组,得到各个结点上的复电位值,最后得到表征频率域激电响应的幅频率等参数.模拟结果表明该方法合理正确.     

各向异性介质弹性波多参数全波形反演

各向异性介质弹性波方程全波形反演过程中多参数之间的相互耦合,使得弱参数在反演过程中难得到理想的结果.本文以VTI介质为例,在各参数辐射模式分析的基础上,基于改进的散射积分算法实现目标函数梯度的直接求取,进一步构建高斯牛顿方向,实现Hessian矩阵的有效利用,以考虑Hessian矩阵非主对角线元素包含的各参数间的耦合效应,在不使用任何反演策略的情况下实现高精度的VTI介质弹性波方程多参数同步反演.同时,该方法在计算过程中无需存储庞大的核函数矩阵,且无需传统截断牛顿法中额外的正演计算,因此内存占用小,计算效率高.本文数值试验验证了该方法的有效性,为各向异性多参数全波形反演提供了一种新的解决方案.     

非均匀介质孔隙流体参数地震散射波反演

弹性波逆散射是非均匀介质参数反演的有效途径．本文从弹性波逆散射理论出发,利用微扰理论和稳相法,将非均匀介质参数视为背景介质与扰动介质参数的叠加,建立了纵波散射系数和非均匀介质中背景介质与扰动介质孔隙流体参数,剪切模量与密度间的直接关系．进而发展了一种非均匀介质孔隙流体参数叠前地震贝叶斯反演方法．该方法假设模型参数（扰动介质与背景介质孔隙流体参数,剪切模量与密度的比值）服从柯西分布,反演目标似然函数服从高斯分布,并采用平滑初始模型约束提高反演稳定性．模型和实际资料处理表明,该反演方法能够稳定合理的直接从叠前地震资料中获取孔隙流体参数,提供了一种高可靠性的非均匀介质流体描述方法．     

弹性介质中密度ρ与拉梅常数λ、μ的衍射层析成像方法研究

利用接收到的纵波信息，通过解纵波方程得到介质的密度和拉梅常数分布函数．首先，在频率波数域建立了描述入射纵波信号、接收纵波信号和介质三参数扰动量之间关系的积分方程．然后，建立了关于接收信号的各频率成份的方程组．经过正反傅氏变换求解此方程组即可得到介质三参数的分布函数．最后，就跨孔观测系统进行了数值模拟成像试验。结果表明方法有效．     

弹性介质中密度ρ与拉梅常数λ、μ的衍射层析成像方法研究

利用接收到的纵波信息，通过解纵波方程得到介质的密度和拉梅常数分布函数．首先，在频率波数域建立了描述入射纵波信号、接收纵波信号和介质三参数扰动量之间关系的积分方程．然后，建立了关于接收信号的各频率成份的方程组．经过正反傅氏变换求解此方程组即可得到介质三参数的分布函数．最后，就跨孔观测系统进行了数值模拟成像试验。结果表明方法有效．     

声波方程逆散射反演的近似方法

我们在文献[1]里研究了介质参考波速沿某个方向线性变化时的三维声散射理论,导出了声波方程逆散射反演问题解的解析表达式.考虑到应用时的实际条件,本文根据上述反演方法导出2.5维模型的声波方程逆散射反演的波速扰动计算公式,给出该方法在“高频”近似条件下的波速扰动反演计算公式,从而使我们提出的“参考波速线性变化时的声波方程逆散射反演”理论更接近实际应用条件.本文给出的这些反演公式仍然具有原方法的优点,即不但可以使Born近似的假定在大多数情况下能得以满足,而且可以利用快速Fourier变换来快速实现介质波速扰动的反演成象.     

The discrete wave number formulation of boundary integral equations and boundary element methods: A review with applications to the simulation of seismic wave propagation in complex geological structures

We review the application of the discrete wave number method to problems of scattering of seismic waves formulated in terms of boundary integral equation and boundary element methods. The approach is based on the representation of the diffracting surfaces and interfaces of the medium by surface distributions of sources or by boundary source elements, the radiation from which is equivalent to the scattered wave field produced by the diffracting boundaries. The Green's functions are evaluated by the discrete wave number method, and the boundary conditions yield a linear system of equations. The inversion of this system allows the calculation of the full wave field in the medium. We investigate the accuracy of the method and we present applications to the simulation of surface seismic surveys, to the diffraction of elastic waves by fractures, to regional crustal wave propagation and to topographic scattering.     

频率域2维电磁测深资料的RRI反演

本文将大地电磁反演中的RRI方法应用于线源频率测深模型资料的反演中.当背景电导率变化很小时,可用变化前的电场来近似代替变化后的电场,从而在反演方程的推导过程中将有源电磁场中的源项消掉,得到和大地电磁场相同的反演方程,使有源电磁波的反演也可以应用RRI方法.反演过程中所需要的模型资料通过有限元方法得到,该资料不需做近场校正,直接用适合于有源电磁场的RRI方法反演,避免了近场校正带来的误差.数值模型结果证明该方法是可行的.最后,用RRI方法讨论了当源和目标区间存在低阻异常体时只对目标区反演的可行性,对实际工作的解释有一定的指导意义.     

三维井间电磁场的正反演计算

提出了一种计算体积分方程的方法－改进型局域非线性迭代（MLNI），并用其对三维井间电磁场进行反演计算，该方法将井间大尺度散射体分为近场和远场区域两部分，它们的位置和尺寸均随场点位置的变化而改变，采用局域非线性近似计算近场区域的影响，将远场区域的影响作为外部激励源，采用迭代方法计算，该方法具有计算速度快，所需内存量少，收敛性好的优点，在反演中采用基于MLNI的非线性反演方法，利用这种方法可以将成像区域集中于一定范围内而不是整个三维空间，该反演方法由于考虑到了雅可比矩阵元素的非线性项，因而与传统的Born迭代反演方法相比更为精确和稳定，考虑到信息量和计算机内存的限制，第1次成像采用双重体元分割法进行较粗略的成像，然后缩小成像范围进行第2次较精确的成像，数值计算结果表明，MLNI是一种有效的计算井间大尺度异常体散射场的方法，将该方法用于反演过程能够得到较高分辨率的三维井间电导率图像。     

3D modelling of VLF radio wave propagation in terrestrial waveguide allowing for localized large-scale ionosphere perturbation

The problem of radio wave propagation allowing for 3D localized lower ionosphere irregularity appears in accordance with the necessity of the theoretical interpretation of VLF remote sensing data. The various processes in the Earth's crust and in space (earthquakes, magnetic storms, sporadic E-layers, lightning induced electron precipitations, rocket launches, artificial ionosphere heating, nuclear explosions, etc.) may cause different power and size ionospheric disturbances. This paper presents a further development of the numerical–analytical method for 3D problem solving. We consider a vector problem of VLF vertical electric dipole field in a plane Earth-ionosphere waveguide with a localized anisotropic ionosphere irregularity. The possibility of lowering (elevating) of the local region of the upper waveguide wall is taken into account. The field components on the boundary surfaces obey the Leontovich impedance conditions. The problem is reduced to a system of 2D integral equations taking into account the depolarization of the field scattered by the irregularity. Using asymptotic (kr⪢1) integration along the direction perpendicular to the propagation path, we transform this system to a system of 1D integral equations. The system is solved in the diagonal approximation, combining direct inversion of the Volterra integral operator and the subsequent iterations. The proposed method is useful for study of both small-scale and large-scale irregularities. We obtained estimates of the TE field components that originate entirely from field scattering by a 3D irregularity.     

水平层状介质中基于DTA的三维电磁波逆散射快速模拟算法

为提高水平层状介质中三维电磁波散射和逆散射数值模拟的效率,在对角张量近似(DTA)的基础上根据不同回代方式得到了求解积分方程的DTA1和DTA2两种近似. 这两种近似可以作为计算积分方程稳定型双共轭梯度快速Fourier变换(BCGS-FFT)算法的初始猜测值和预条件因子，从而形成效率更高的混合DTA-BCGS算法. 散射实例说明了DTA2的高精度和混合DTA-BCGS算法尤其是混合DTA2-BCGS算法的高效率. 由于DTA2近似程度更高，将DTA2与变型Born迭代反演方法(DBIM)相结合形成了一种对三维异常体进行重构的快速电磁波逆散射技术. 文中的逆散射实例说明所开发的逆散射技术对重构水平层状介质中的任意三维异常体是非常有效的.     

基于印模法的地面磁电阻率数据三维非线性共轭梯度反演

本文提出了能提高异常体分辨能力,同时得到绝对电导率的地面磁电阻率数据三维反演方法.磁电阻率响应用准直流的低频磁场代替;数值模拟由频率域电场满足的Helmholtz方程出发,采用三维交错网格有限差分法;长直导线源作为发射源,其中源的计算包含在背景场中;结合地面磁电阻率数据各分量的特点,选择y分量进行反演研究;反演采用三维非线性共轭梯度反演技术,为了提高异常体的深度分辨能力,进行迭代重构反演;用印模法对初始模型进行重构,采用的是辅模型在浅部,元模型在深部的组合方式.从合成数据和实际数据的反演结果可以得到以下的认识:(1)由频率域麦克斯韦方程组出发,低频磁场数据反演可以直接得到电导率,而不是相对电导率之比;(2)采用印模法组合初始模型,进行迭代重构反演,可以提高地面磁电阻率数据反演对异常体的分辨能力,确定埋深位置,同时不会丧失对于浅部异常体的分辨能力;(3)在结合印模法的地面磁电阻率数据三维反演中,深部异常体的分辨能力受地表不均匀导电体影响较小;(4)确定印模深度可以采用上一次重构反演结束时的模型变化量,通过相邻两次重构反演结束时的模型变化量之差来确定迭代重构是否终止.因为静磁场与重力场在数学上的相似性,本文的反演方法可以被运用到重力场等位场的地面数据的反演中.     

可控源音频大地电磁数据的反演方法

从反演方程、构造目标函数和求解三方面对用于可控源音频大地电磁法(CSAMT)的实用反演方法中的四种进行了描述．水平层状地层CSAMT法资料的直接反演法首次尝试了一维空间的全资料CSAMT反演，效果较好，但该方法尚难应用于2D、3D复杂介质中；奥克姆反演方法既考虑了横向的光滑函数，又考虑了纵向的光滑函数，得到比较光滑的横向、纵向变化的背景电性结果，但有可能把一些小构造光滑掉．快速松驰反演算法和共轭梯度算法由于计算速度快，占内存少而被用于三维反演中，二者相比，快速松驰算法在求解雅可比矩阵时只做一次正演计算，在更新模型时解小型方程组，所以在速度上更胜一筹．在后三种算法中，由于复杂电性结构无解析解，正演计算都采用数值计算．数值计算的可靠性、速度影响着反演算法的有效性，这方面的研究也将是2D、3D复杂电性结构反演的研究方向之一.     

鄂尔多斯南缘地区重力变化场源特征

以鄂尔多斯南缘地区布格重力异常数据及2014—2017年相对重力观测数据为基础,采用欧拉反褶积方法,对引起重力变化的场源深度进行反演,并对空间分布规律予以解释。通过构建理论模型,反演得到最优模型参数,并对实际数据进行计算和分析。为了减弱和消除欧拉解的发散性,利用水平梯度滤波法优化反演结果。结果表明:①构造指数为1时,适合对相对重力数据进行反演,当滑动窗口选择4—8倍测点间距时,可以获得较为可靠的场源参数;②在主要断裂附近,不同时间尺度的场源呈较好的一致性特征;③引起重力变化的场源深度集中在10—30 km,与鄂尔多斯南缘地区的震源深度基本一致;④不同时间尺度的场源位置相对分散,表明引起重力变化的物质流动具有随机性和波动性。     

Forward plane-wave electromagnetic model in three dimensions using hybrid finite volume–integral equation scheme

We present a concept of the hybrid finite volume–integral equation technique for solving Maxwell's equation in a quasi-static form. The divergence correction was incorporated to improve the convergence and stability of the governing linear system equations which pose a challenge on the discretization of the curl–curl Helmholtz equation. A staggered finite volume approach is applied for discretizing the system of equations on a structured mesh and solved in a secondary field technique. The bi-conjugate gradient stabilizer was utilized with block incomplete lower-upper factorization preconditioner to solve the system of equation. To obtain the electric and magnetic fields at the receivers, we use the integral Green tensor scheme. We verify the strength of our hybrid technique with benchmark models relative to other numerical algorithms. Importantly, from the tested models, our scheme was in close agreement with the semi-analytical solution. It also revealed that the use of a quasi-analytical boundary condition helps to minimize the runtime for the linear system equation. Furthermore, the integral Green tensor approach to compute at the receivers demonstrates better accuracy compared with the conventional interpolation method. This adopted technique can be applied efficiently to the inversion procedure.