大地电磁测深二维反演对“准二维”地质构造的适应性研究

受计算机硬件水平限制,大地电磁(MT)三维反演难以在实际中推广应用,MT数据解释仍以二维反演为主.地质构造具有一定的二维性特征,但不同的地质构造走向往往不同、MT测线无法与每个构造的走向垂直,这使得实际MT数据并不满足严格的二维反演条件.因此,有必要开展大地电磁测深二维反演对"准二维"地质构造的适应性研究.本文设计三个理论地电模型,通过三维正演计算获得各测点大地电磁响应,以此模拟实际观测数据.对MT数据进行相位张量分析,结果表明设计的地电模型主要表现为二维性特征.利用非线性共轭梯度(NLCG)反演算法对理论MT数据进行二维反演研究,重点讨论了测线方向、电性主轴旋转策略及反演模式选择,对反演结果的影响.对比分析反演结果,得到如下认识:1.测线方向对反演结果影响较小;2.电性主轴旋转角度对反演结果影响较大;3.TE+TM联合模式及单独TM模式的反演效果较好.研究结果表明:当一条测线下方在横向与纵向上存在走向不同的多个异常体时,对整条剖面分测点、分频段进行电性主轴旋转,反演所得结果最可靠.     

大地电磁二维反演方法分析对比

基于地球物理正则化反演理论,详细给出了目前常用的三种大地电磁(MT)二维反演方法——奥可姆法(OCCAM)、简化基奥可姆法(REBOCC)和非线性共轭梯度法(NLCG)的理论基础.设计了两个理论地电模型,一个是高、低阻体组合模型,另一个是断裂模型,使用这三种MT二维反演方法分别对TE极化模式、TM极化模式以及TETM极化模式响应数据进行了反演,对反演结果进行对比分析,考察了不同的反演方法以及不同的极化模式对反演结果的影响.研究结果表明:三种反演方法有各自的特点,使用不同的极化模式数据反演将会得到不同的反演效果.     

Delaunay三角剖分插值算法在MT成图中的应用

研究并实现了一种基于Delaunay三角剖分的二维快速插值算法,并将其应用于大地电磁(MT)二维反演实时成像网格化处理中。实际资料试算结果表明,该算法具有稳定、插值效果好以及易于模拟地形数据等优点,能满足MT反演结果实时成图的要求。     

基于拟大地电磁二维反演技术的磁源瞬变电磁实测资料处理

介绍了磁源瞬变电磁法(TEM)拟大地电磁法(MT)二维反演技术,总结出一套基于拟MT二维反演技术的磁源TEM实测资料处理流程,并对其关键流程进行了较为详细的介绍.对陕西某矿区磁源TEM实测资料进行拟MT二维反演,结果表明:反演结果对异常刻画的更加细致,反映出了近地表的低阻异常,深部的低阻异常范围也更加集中,优于视电阻率拟断面图结果;根据15、17和19线TE和TM联合反演的结果,推断了两条断裂F和F_1~2,F_1~2断裂与已知地层岩性分界面处的断裂相吻合,据此划分了勘探区的地层分布;结合矿区岩矿石电性特征、成矿构造特征和化探异常范围,推断反演结果中的低阻异常可能与成矿相关,为下一步地质下钻提供了物探依据.文章利用拟MT二维反演方法实现了磁源TEM实测数据二维反演解释,并取得了较好的地质效果,得出磁源TEM拟MT二维反演技术可在实际资料处理中予以推广使用的结论.     

光滑模型与尖锐边界结合的MT二维反演方法

如何得到快速稳定的反演结果和更清晰的地质体分界面等问题仍然是当前MT反演研究的一个重点.为了解决反演结果不能得到清晰的电性分界面的问题,本文在前人研究的基础上,基于OCCAM反演以及突出尖锐边界反演的思想,结合最小支撑梯度泛函,构建了新的反演目标函数,并利用共轭梯度法优化目标函数,实现了一种光滑模型与尖锐边界结合的MT二维反演方法.模型实验证明了该方法的准确性,通过与已发表的相关反演方法的结果进行比较,证明了该方法在光滑稳定的基础上可突出对尖锐电性边界的刻画.对广东徐闻地区的实测MT资料进行了处理,表明了该方法的适用性和效果.     

控制转换算法和最优分割法在构建—维MT反演初始模型中的应用

为了构建合理可靠的初始模型,使反演稳定快速收敛且达到更高的精度.本文提出用控制转换算法构建初始模型参数,然后使用最优分割法优化初始模型.一维MT最小二乘反演计算结果表明:该方法构建的初始模型使反演稳定快速收敛;使用相同的反演方法,该方法构建的初始模型的反演迭代次数比Bostick法构建的初始模型的反演迭代次数少20%以上,比均匀半空间作为初始模型的反演迭代次数少100%以上,并且反演精度也有了提高.该方法不但对提高MT一维反演效果有意义,而且对构建其他勘探方法的反演初始模型也具有一定的参考价值.     

基于CUDA并行计算的大地电磁二维有限元数值模拟研究

大地电磁测深二维反演是现有MT数据处理解释的主流,而反演的速度依赖于正演的计算精度和速度.本文在简要介绍CUDA并行计算模型的基础上,对MT二维有限单元数值模拟进行了分析,采用基于CUDA并行技术和有限元数值模拟技术,实现了基于CUDA并行计算的大地电磁二维有限元数值模拟方法.通过一个三层模型的CDUA并行算法计算结果与解析解对比,及3个复杂模型的CDUA并行算法与CPU串行算法计算结果对比分析,结果表明,这种新的数值模拟方法在保证计算精度的同时能显著提高计算速度,加速比可达20多倍.     

考虑电流型畸变的大地电磁三维反演

大地电磁测深(MT)的观测数据易受到由近地表小尺度非均匀体或地形起伏引起的电流型畸变干扰,消除或压制这种干扰对获取可靠的深部电性结构至关重要.当区域结构为二维时,电流型畸变可采用张量分解等方法予以消除或压制.当区域结构为三维时,畸变问题更加复杂和严重,传统张量分解方法往往效果不佳或无效,严重地制约了MT三维反演技术的实用性.对此,本文提出一种考虑电流型畸变的MT三维反演算法,将完整的电流型畸变参数引入到目标函数,并采用非线性共轭梯度法与电阻率参数同时反演,从而达到压制畸变的目的.该算法有两个关键点:一是通过分析实测数据所遭受畸变的分布特征,在目标函数中对其进行有效约束;二是在迭代过程中,通过自适应地调整双正则化因子保障算法的稳定和效率.理论模型测试结果显示,常规三维反演算法不能合理解释数据中的畸变成分,而只能通过引入虚假异常体强制地拟合受畸变数据,从而造成电阻率模型严重失真.与之相比,本文算法能够在反演中自动求解各测点所受到的畸变,获得更接近真实的电阻率模型.     

MT-重力模拟退火联合反演研究

为了合理互补不同地球物理场的优势和特点,本文研究了MT与重力模拟退火联合反演的技术.在分析MT与重力联合反演的必要性和可行性后,讨论并研究了主要技术难点及解决方法.重点解决了模型扰动、MT与重力界面不一致的处理、目标函数的加权联合问题,提出MT-重力模拟退火反演(MT-GSA)算法.在此基础上进行了理论模型试验和实际资料处理,取得了较好的效果.     

大地电磁全张量响应的一维各向异性反演

目前大地电磁(MT)测深资料反演主要基于各向同性介质,但随着MT实际应用的需要,各向异性研究已逐渐引起关注.我们采用广泛应用的广义逆法对一维MT水平层状各向异性介质模型反演进行了探索性研究,并实现了MT全张量响应(即所有的阻抗张量的视电阻率和相位)的一维各向异性反演.理论模型试验表明,无论理论观测值中是否含有噪声,这种方法都能够较好地恢复真实模型,验证了其正确性和有效性.将此方法用于MT实测资料时,能够同时拟合4对视电阻率和阻抗相位曲线,说明本方法可以用于实测资料的处理解释,具有一定的实用价值.     

基于二次场方法的并行三维大地电磁正反演研究

快速且高精度的三维大地电磁法正反演是目前研究的热点.由于大地电磁法场源的平面波特性,以往的正演方法大多采用直接求解总场的方法,在边界强加二维边界条件.本文提出了一种基于二次场方法的三维大地电磁法正演算法,将平面波在层状背景模型中的响应作为场源项,得到二次场满足的偏微分方程,并利用交错网格有限差分法求取二次场.与其他学者的基于总场方法的结果的对比证明了本文采用方法的正确性.在基于二次场的正演算法基础上,实现了基于L-BFGS的三维反演方法,并对公开的数据集进行了反演.另外,针对大地电磁法的多频率观测特性,采用了基于MPI的分频并行策略对程序进行并行化,可达到接近线性的加速比.     

长白山天池火山区大地电磁测深初步观测

在长白山火山区沿着两条剖面进行了１５个测点的大地电磁测深观测，对地磁感应矢量和地下电性分布维数特征进行了分析，并使用阻抗张量分解和二维自动反演等新技术对资料进行了解释。结果表明，火山区及其周围地区的地下电性结构具有二维特征，但在火山口及其附近地下存在局部三维异常体，异常体埋深约１２ｋｍ，初步推测可能是火山岩浆囊     

关于大地电磁测深资料反演问题

大地电磁测深资料二维反演问题,由于迭代过程中用数值方法求解修改模型参数后的地表响应函数,因而需要正演的时间相当长。本文引用快速正演的方法,缩短了迭代过程中正演计算的时间。从理论上将一般的二维（双）三次样条公式做了简化,应用到快速正演方法中,提高了效率。并以模拟的数据,实现了两个参数的反演。文中还就确定初始模型参数进行了探讨。     

基于交叉梯度结构约束的大地电磁主轴各向异性并行三维反演

各向异性介质对大地电磁观测数据的影响往往不可忽略,因此需要提高大地电磁各向异性三维反演的可靠性和有效性.为了满足大地电磁各向异性三维反演的需求,本文研究了一种基于交叉梯度结构约束的大地电磁主轴各向异性并行三维反演算法.根据大地电磁平面波理论假设,正演方程采用背景场与二次场分离的计算方式,二次场利用交错网格有限差分法求解.由于各向异性反演的多解性,本文将各向异性介质简化为主轴各向异性,并在此基础上进一步采用有限内存拟牛顿LBFGS法实现三维各向异性反演.为了提高各向异性反演的分辨率,反演目标函数中引入交叉梯度项,利用先验的结构信息,对三个方向的电阻率参数进行结构约束,最终的反演进一步利用MPI(Message Passing Interface,消息传递接口)技术实现分频并行计算,测试结果显示并行接近线性加速比.     

大地电磁与地震资料仿真退火约束联合反演

在对仿真退火算法研究的基础上,将非常快速仿真退火的连续模型空间改为可变的离散化形式,理论模型试算表明,使用本文方法可提高工作效率5-10倍. 为适应联合反演的需要, 对非常快速仿真退火的误差"单判断"检验准则改为误差"双判断"检验准则,避免Metrop olis接受准则的判断失误. 在此基础上,实现了一维及二维起伏地形条件下大地电磁与地震资料多参量信息的联合反演. 理论模型的试算及实例说明了约束联合反演的有效性.     

Two-dimensional inversion of magnetotelluric data with consecutive use of conjugate gradient and least-squares solution with singular value decomposition algorithms

I investigated the two‐dimensional magnetotelluric data inversion algorithms in studying two significant aspects within a linearized inversion approach. The first one is the method of minimization and second one is the type of stabilizing functional used in parametric functionals. The results of two well‐known inversion algorithms, namely conjugate gradient and the least‐squares solution with singular value decomposition, were compared in terms of accuracy and CPU time. In addition, magnetotelluric data inversion with various stabilizers, such as L2‐norm, smoothing, minimum support, minimum gradient support and first‐order minimum entropy, were examined. A new inversion algorithm named least‐squares solution with singular value decomposition and conjugate gradient is suggested in seeing the outcomes of the comparisons carried out on least‐squares solutions with singular value decomposition and conjugate gradient algorithms subject to a variety of stabilizers. Inversion results of synthetic data showed that the newly suggested algorithm yields better results than those of the individual implementations of conjugate gradient and least‐squares solution with singular value decomposition algorithms. The suggested algorithm and the above‐mentioned algorithms inversion results for the field data collected along a line crossing the North Anatolian Fault zone were also compared each other and results are discussed.     

一种新的三维大地电磁积分方程正演方法

采用规则六面体单元和并矢Green函数奇异积分等效积分技术,已有的大地电磁积分正演方法具有不能有效模拟地下复杂地质体和计算精度偏低的缺点.本文提出了一种新的三维大地电磁积分方程正演技术,即采用四面体单元、解析的并矢Green函数奇异积分表达式,达到既能模拟地下复杂异常体,又能有效提高已有积分方程法计算精度的目的.首先,采用四面体网格技术离散地下复杂异常体,获得四面体单元上的大地电磁积分方程.然后,利用针对四面体单元开发的新的奇异值积分的解析表达式,准确计算线性方程中的并矢Green函数的奇异积分,从而获得精确的线性方程.借助于PARDISO高性能并行直接求解器,实现了三维大地电磁问题的高精度求解.最后,基于国际标准3D-1模型和六棱柱模型,通过与其他方法结果的对比分析,验证了本文方法的正确性、处理高电导率对比度的能力(1000:1)和处理复杂模型的能力.     

Petroleum Electromagnetic Prospecting Advances and Case Studies in China

Remarkable progress has been made in electromagnetic (EM) techniques as applied to the petroleum industry in instruments, data acquisition, and processing and interpretation in China. Included here is equipment, such as high-power Controlled Source EM (CSEM) acquisition systems, acquisition methods, such as the three dimensional small-bin Continuous Electromagnetic Array acquisition method, Time and Frequency Domain Controlled Source Electromagnetic, Borehole-to-surface Electromagnetic technique and marine magnetotelluric method. Data processing methods, such as fast three dimensional inversion using nonlinear conjugate gradients, and data interpretation methods, like Induced Polarization and Resistivity anomalies for hydrocarbon detection, are also included. These new techniques have been applied in petroleum survey and many cases are in complicated areas. They have successfully served the investigation of deep igneous rock reservoirs, and prediction of potential hydrocarbon targets. The cases indicate that electromagnetic techniques can help seismic survey to effectively detect hydrocarbon reservoir and remarkably improve drilling successes.     

实数编码遗传算法在大地电磁测深二维反演中的应用

作为全局非线性优化的新方法之一的遗传算法,近年来已从生物工程流行到大地电磁测深资料解释中.然而,大地电磁反演问题具有不适定性,解的非唯一性.通过结合求解不适定问题的Tikhonov正则化方法,本文采用实数编码遗传算法求解大地电磁二维反演问题.此算法在构建目标函数时引入正则化的思想,利用遗传算法求解最优化问题.常规的基于局部线性化的最优化反演方法易使解陷入局部极小值,而且严重的依赖初始模型的选择.与传统线性化的迭代反演方法相比,实数编码遗传算法能够克服传统方法的不足且能获得更好的反演结果.通过对大地电磁测深理论模型进行计算,结果表明:该算法具有收敛速度快、解的精度高和避免出现早熟等优点,可用于大地电磁资料解释.     

3D joint inversion of magnetotelluric and airborne tipper data: a case study from the Morrison porphyry Cu–Au–Mo deposit,British Columbia,Canada

Z‐axis tipper electromagnetic and broadband magnetotelluric data were used to determine three‐dimensional electrical resistivity models of the Morrison porphyry Cu–Au–Mo deposit in British Columbia. Z‐axis tipper electromagnetic data are collected with a helicopter, thus allowing rapid surveys with uniform spatial sampling. Ground‐based magnetotelluric surveys can achieve a greater exploration depth than Z‐axis tipper electromagnetic surveys, but data collection is slower and can be limited by difficult terrain. The airborne Z‐axis tipper electromagnetic tipper data and the ground magnetotelluric tipper data show good agreement at the Morrison deposit despite differences in the data collection method, spatial sampling, and collection date. Resistivity models derived from individual inversions of the Z‐axis tipper electromagnetic tipper data and magnetotelluric impedance data contain some similar features, but the Z‐axis tipper electromagnetic model appears to lack resolution below a depth of 1 km, and the magnetotelluric model suffers from non‐uniform and relatively sparse spatial sampling. The joint Z‐axis tipper electromagnetic inversion solves these issues by combining the dense spatial sampling of the airborne Z‐axis tipper electromagnetic technique and the deeper penetration of the lower frequency magnetotelluric data. The resulting joint resistivity model correlates well with the known geology and distribution of alteration at the Morrison deposit. Higher resistivity is associated with the potassic alteration zone and volcanic country rocks, whereas areas of lower resistivity agree with known faults and sedimentary units. The pyrite halo and ≥0.3% Cu zone have the moderate resistivity that is expected of disseminated sulphides. The joint Z‐axis tipper electromagnetic inversion provides an improved resistivity model by enhancing the lateral and depth resolution of resistivity features compared with the individual Z‐axis tipper electromagnetic and magnetotelluric inversions. This case study shows that a joint Z‐axis tipper electromagnetic–magnetotelluric approach effectively images the interpreted mineralised zone at the Morrison deposit and could be beneficial in exploration for disseminated sulphides at other porphyry deposits.