重磁数据三维物性反演方法进展

综述了重磁数据三维物性反演方法中的几个关键问题.主要包括正演快速算法、反演框架、约束因子讨论、反演算法实现等方面.正演快速算法主要讨论了等效存储几何格架技术、基于GPU加速的并行计算技术以及小波压缩技术.三维物性反演则是在最小二乘意义下使目标函数达到极小的线性或非线性反演.指出,对于特定地质问题需要谨慎选择不同且合适的约束方法乃至反演算法,才能达到好的效果.最后讨论了重磁数据三维物性反演较好的应用前景及发展方向.     

重磁遗传算法三维反演中高速计算及有效存储方法技术

将地下场源区域规则划分成很多小长方体单元，并且通过反演确定这些单元的物性变 化，勾画出场源的分布图像，这种方式逐步成为重磁反演，特别是三维反演的重要方向；遗 传算法等非线性技术进行该类反演将逐步成为发展趋势. 本文指出，在应用遗传算法进行该 类反演过程中，隐含着数据量较大时超常规的计算量，它已成为制约该类反演充分发挥作用 的瓶颈问题；同时，本文提出了针对性的分离并存储几何格架的计算策略、以及独特的几何 格架等效压缩存储技术，可以从根本上提高非线性反演计算速度，为该类反演的有效应用奠 定了坚实的基础.     

重力梯度全张量数据三维共轭梯度聚焦反演

随着全张量重力梯度测量技术的日趋成熟和应用领域的不断扩大,重力梯度全张量数据的三维反演技术越来越受重视.本文利用剖分单元之间几何架构等效性,实现了重力梯度全张量场三维正演快速计算和导数矩阵优化存储.并将积分灵敏度、粗糙度和最小支撑泛函约束以及参考模型和模型参数界限约束引入到目标函数中,采用共轭梯度法进行反演迭代,实现了重力梯度全张量数据三维快速正反演计算.多种模型的反演试算表明:本文提出的反演算法的可靠性和稳定性较好,并且算法速度快、占用内存低且易于并行化.     

瞬变电磁法正反演问题研究进展

对瞬变电磁法的方法发展概况和仪器研制状况做出了综述性评价.对瞬变电磁法正反演问题的研究成果进行了系统总结.目前的数值模拟正演方法主要有一维滤波系数法,三维积分方程法,二维,三维有限差分法,2.5维有限元法等,主要的反演方法有:一维浮动薄板解释法,人机对话自动反演法,烟圈理论解释法,神经网络反演法,成像类反演等,论述了瞬变电磁法各种计算方法的特点.瞬变电磁法的正反演发展趋势主要是研究三维正反演的计算方法和目标体成像系统.     

基于GPU并行的重力、重力梯度三维正演快速计算及反演策略

利用NVIDIA CUDA编程平台,实现了基于GPU并行的重力、重力梯度三维快速正演计算方法.采用当前在重力数据约束反演或联合反演中流行的物性模型(密度大小不同、规则排列的长方体单元)作为地下剖分单元,对任意三维复杂模型体均可用很多物性模型进行组合近似,利用解析方法计算出所有物性模型在计算点的异常值并累加求和,得到整个模型体在某一计算点引起的重力(或重力梯度)值.针对精细的复杂模型体产生的问题,采用GPU并行计算技术,主要包括线程有效索引与优化的并行归约技术进行高效计算.在显卡型号为NVIDIA Quadro 2000相对于单线程CPU程序,重力和重力梯度U_xx、U_xy正演计算可以分别达到60与50倍的加速.本文还讨论了GPU并行计算在两种反演方法中的策略,为快速三维反演技术提供了借鉴.     

频率域航空电磁法2.5维正反演研究（英文）

频率域航空电磁法具有经济、高效和适应能力强等特点,广泛应用于矿产普查、地质填图、地下水资源调查等领域。目前,实测数据处理技术以电阻率深度转换成像技术以及一维反演方法为主。然而,对二、三维复杂地电模型,一维反演往往难以达到满意的结果。虽然三维正反演能较好的解决该问题,但其计算效率难以满足海量实测数据的计算要求。因此,本文在前人研究的基础上开展了三维源二维地电模型(2.5维)的频率域航空电磁法正反演算法研究。将总场分解为一次场和二次场来消除源的奇异性,一次场在均匀全空间或层状介质中求得,二次场用等参有限元方法计算得到,利用大规模系数矩阵并行直接求解器计算线性方程组,有效提高了计算效率。在正演的基础上,实现了基于奇异值分解(SVD)的阻尼最小二乘反演算法,通过"拟正演"和互换定理来计算雅克比矩阵。通过理论模型计算和实测数据很好的验证了本文方法在频率域航空电磁数据正反演应用中的准确性和有效性。     

基于MPI的时间域激发极化法2.5维正则化并行反演

时间域激电法2.5维正反演算法相对较成熟,但当实测数据量较大,正反演网格剖分较精细,以及傅氏反变换波数选取较多时,常规的反演算法计算效率低,影响了算法的实用性.本文讨论如何提高时间域激电法2.5维正反演计算效率问题.以"等效电阻率"为基础,利用有限单元法实现了激电法2.5维正演;采用正则化反演方法实现了2.5维激电数据反演;讨论了正反演算法的并行性,实现基于MPI的正反演并行计算;对正则化反演中拉格朗日乘子搜索方案进行了优化.经理论地电模型算例测试表明,所实现的正反演算法运行稳定,结果可靠,计算效率高.     

三维密度界面的正反演研究和应用

重力位场的界面反演是位场处理解释中的重要问题.本文将基于快速傅里叶变换的频率域界面反演方法Parker-Oldenburg公式推广到物性可随深度变化的三维情况,得出了密度可以横向、纵向任意变化的重力界面正反演公式.该方法在计算时可以合理地选取地面下某一深度作为基准面以减小界面起伏,使迭代易于收敛.理论模型试验表明该方法反演精度高,收敛速度快,在密度界面反演中具有广泛的实用价值.最后利用该方法反演华北地区莫霍面的深度,反演结果得到了地震测深数据的验证.     

三维密度界面的正反演研究和应用

重力位场的界面反演是位场处理解释中的重要问题.本文将基于快速傅里叶变换的频率域界面反演方法Parker-Oldenburg公式推广到物性可随深度变化的三维情况,得出了密度可以横向、纵向任意变化的重力界面正反演公式.该方法在计算时可以合理地选取地面下某一深度作为基准面以减小界面起伏,使迭代易于收敛.理论模型试验表明该方法反演精度高,收敛速度快,在密度界面反演中具有广泛的实用价值.最后利用该方法反演华北地区莫霍面的深度,反演结果得到了地震测深数据的验证.     

基于Schwarz重叠型区域分解的大地电磁二维正演研究

区域分解算法将大规模问题转化成若干小问题进行求解,极大缩小计算规模和节省内存空间,已成为解决大规模复杂数值问题的有力手段.本文以大地电磁法(MT)二维正演为例,将二维求解区域划分为若干重叠子域,子域采用有限差分法进行离散并采用LU直接分解法进行独立求解,然后运用Schwarz交替法实现重叠区域解的传递和更新,从而实现大地电磁法二维正演数值模拟.对典型低阻地电模型进行数值模拟实验并与传统全域正演算法相比,表明本文算法的准确性和可行性;同时能够极大节省计算机内存及减小CPU计算时间.另外对重叠区域算法的影响规律研究表明,本文算法所需内存随剖分重叠子域数目增多而降低,CPU计算时间随剖分重叠子域数目增多而先减小后增加;重叠子域组合方式和重叠规模大小对计算效率有一定影响,需进行合理优化.因此本文提出的算法为电磁法三维大规模问题的正反演计算提供了一种新的思路.     

基于FFT-MA谱模拟的快速随机反演方法研究

虽然基于地质统计学的随机反演方法能够有效融合测井资料中的高频信息,但计算效率低,占用内存大,限制了它在实际资料中的应用.本文在保留传统随机反演方法优点的基础上,创造性地引入傅里叶滑动平均(Fast Fourier Transform-Moving Average,FFT-MA)谱模拟进行频率域的地质统计模拟,并利用逐步变形算法(Gradual Deformation Method,GDM)确保模拟结果与实际地震数据的匹配,构建了基于FFT-MA谱模拟的新的快速随机反演方法.与常规随机反演相比,新方法不仅分辨率高,而且能够使反演解得到快速收敛,有效提高计算效率,减少内存占用.模型试算获得了与理论模型吻合度较好的高分辨率反演结果.实际资料分析也表明新方法所得到的高分辨率反演结果能够对薄互储层进行良好的展示,为薄储层的识别提供高效可靠的技术支持.     

利用共轭梯度法的电阻率三维反演研究

利用共轭梯度（ＣＧ）迭代技术,实现了直流电阻率测量数据的三维最小构造反演。 首先,运用共轭梯度迭代算法解反问题的线性方程组,只需求Ｊａｃｏｂｉａｎ矩阵Ｇ与任一向量ｘ的 乘积Ｇｘ及Ｇ^Ｔ与任何一向量ｙ的乘积Ｇ^Ｔｙ,再引入Ｇ的Ｒｏｄｉ算法,则Ｇｘ及Ｇ^Ｔｙ均可在每次反 演迭代中的一次正演计算后一并求得．因此,每次反演迭代仅需一次正演计算,大大加快了 计算速度;而且避免了直接求 Ｇ以及 Ｇ^ＴＧ的逆矩阵,也避免了存储 Ｇ和 Ｇ^ＴＧ所需庞大的存储 量。另外,由于反演参数太多,求模型光滑约束的最小构造反演能够有效地消除多余构造信 息,得到可靠的反演结果。将这３种方法和技术融合于三维反演中,取得了好的反演效果．为 改进传统最小构造反演收敛慢的问题,还提出了一种新的反演迭代技术,仅需１０次左右甚至 更少迭代即可收敛。     

重力异常的BP神经网络三维物性反演

三维物性反演参数多,计算量巨大,传统的方法难以实现.本文使用BP神经网络实现重力三维物性反演,介绍了BP神经网络的基本原理及特性,并构造一个适用于重力位场反演的BP神经网络.并用其对模型进行反演计算,结果表明:BP网络具有较好的泛化能力和容错能力,反演速度快、准确,并且较好的反应了场源的分布情况.     

一种高效的基于交叉梯度结构约束的三维地震走时与直流电阻率联合反演策略

基于交叉梯度结构约束的不同数据的联合反演可以提高地球物理成像的可靠度,但是由于不同观测数据对地下介质的灵敏度不同以及不同反演系统灵敏度矩阵元素的数值可能存在较大的差异,导致构建和求解联合反演系统存在很大的挑战.针对以上问题,本文提出一种新的基于单独反演模型更新量与交叉梯度结构约束相结合的联合反演策略.该策略利用单独反演系统分别确定出各个模型的更新量,然后利用它们约束交叉梯度系统的反演,得出新的模型更新量.通过这样的方式,有效实现了数据拟合与结构约束的平衡,实现了基于交叉梯度联合反演的目标.新的联合反演策略不需要对原来单独反演程序修改即可实现联合反演,减小了联合反演实现的难度,极大地提高了联合反演的易实现性,而且避免了联合反演矩阵存储及结构过于复杂难以求解的问题.基于新的策略,本文首次实现了基于交叉梯度结构约束的三维地震走时与直流电阻率联合反演.合成模型测试表明,与单一成像相比,联合成像减少了地震走时反演中出现的干扰异常并提高了电阻率反演的分辨率.     

基于拟态有限体积法的频率域可控源三维正演计算

大规模地球物理电磁数据的定量解释需要发展高效、稳定的三维正反演算法.本文通过求解离散化的三维电场矢量Helmholtz方程,实现了基于有限体积法的频率域可控源电磁(CSEM)三维正演算法.为模拟具有强电性差异的三维电性介质,该算法采用拟态有限体积法(MFV)对Maxwell方程组进行离散化;另外,为获得稳定、高精度的正演数值结果,采用直接矩阵分解技术来求解离散所得到的大型稀疏线性方程组.对于具有多个发射源的CSEM测量来说,一次矩阵分解结果能够用于同频率下所有场源的正演计算.为降低场源奇异性及边界条件对数值精度的影响,采用虚拟场源校正技术,避免了散射场公式中在构建场源项时所需的大量时间.对于具有多个频率的CSEM的模拟计算,采用分频并行策略来加快三维正演计算.最后,通过与一维层状模型及三维模型的数值结果的对比验证了本文所开发的正演算法对频率域CSEM模拟计算的准确性及有效性,表明该正演算法能够有效应用于三维介质的数值计算.另外,对于多频率CSEM的并行测试结果表明基于分频并行策略的并行计算能够显著地降低正演计算时间.     

Comparison of methods for a 3-D density inversion from airborne gravity gradiometry

In this study, we apply Tikhonov’s regularization algorithm for a 3-D density inversion from the gravity-gradiometry data. To reduce the non-uniqueness of the inverse solution (carried out without additional information from geological evidence), we implement the depth-weighting empirical function. However, the application of an empirical function in the inversion equation brings the bias problem of the regularization factor when a traditional Tikhonov’s algorithm is applied. To solve the bias problem of regularization factor selection, we present a standardized solution that comprises two parts for solving a 3-D constrained inversion equation, specifically the linear matrix transformation and Tikhonov’s regularization algorithm. Since traditional regularization techniques become numerically inefficient when dealing with large number of data, we further apply methods which include the Simultaneous Iterative Reconstruction Technique (SIRT) and the wavelet compression combined with Least Squares QR-decomposition (LSQR). In our simulation study, we demonstrate that SIRT as well as the wavelet compression plus LSQR algorithm improve the computation efficiency, while provide results which closely agree with that obtained from applying Tikhonov’s regularization. In particular, the algorithm of wavelet compression plus LSQR shows the best computing efficiency, because it combines the advantages of coefficients compression of big matrix and fast solution of sparse matrix. Similar findings are confirmed from the vertical gravity gradient data inversion for detecting potential deposits at the Kauring (near Perth, Western Australia) testing site.     

多震相走时联合三参数同时反演成像

采用新近研制的分区多步不规则最短路径多震相地震射线追踪正演技术,结合流行的子空间反演算法,提出了一种联合多震相走时资料进行地震三参数 （速度、反射界面和震源位置） 同时反演的方法技术.数值模拟反演实例、以及与双参数 （速度和反射界面或速度和震源位置） 同时反演的对比分析表明：三参数同时反演成像结果大体接近双参数同时反演成像的结果.另外,噪声敏感性试验表明：所提算法对到时数据中可容许的随机误差并不敏感,结果说明多震相走时的联合三参数同时反演成像方法技术不失为一种提高走时成像空间分辨率、进而降低重建模型参数失真度、行之有效的方法技术.     

Three-Dimensional Magnetotelluric Inversion: An Introductory Guide for Developers and Users

In the last few decades, the demand for three-dimensional (3-D) inversions for magnetotelluric data has significantly driven the progress of 3-D codes. There are currently a lot of new 3-D inversion and forward modeling codes. Some, such as the WSINV3DMT code of the author, are available to the academic community. The goal of this paper is to summarize all the important issues involving 3-D inversions. It aims to show how inversion works and how to use it properly. In this paper, I start by describing several good reasons for doing 3-D inversion instead of 2-D inversion. The main algorithms for 3-D inversion are reviewed along with some comparisons of their advantages and disadvantages. These algorithms are the classical Occam’s inversion, the data space Occam’s inversion, the Gauss–Newton method, the Gauss–Newton with the conjugate gradient method, the non-linear conjugate gradient method, and the quasi-Newton method. Other variants are based on these main algorithms. Forward modeling, sensitivity calculations, model covariance and its parallel implementation are all necessary components of inversions and are reviewed here. Rules of thumb for performing 3-D inversion are proposed for the benefit of the 3-D inversion novice. Problems regarding 3-D inversions are discussed along with suggested topics for future research for the developers of the next decades.     

球坐标系下谱元法三维地震波场模拟

谱元法已成为区域性乃至大陆性尺度地震波场模拟的重要工具.对于区域或大陆尺度层析成像而言,地球曲率不可忽略,此时模拟地震波传播采用球坐标系更为合适.本文从球坐标系下弹性波动方程弱形式出发,基于球坐标系变分原理给出了球坐标系下求解三维地震波方程的谱元法.另一方面,计算Fréchet敏感核是进行全波形反演的关键,本文借助伴随原理,推导了全波走时层析成像三维Fréchet敏感核表达式.为了验证球坐标系下谱元法的精度,我们将数值模拟结果与normal mode方法得到的解析解在1-D PREM模型下进行了对比.同时,我们将此方法应用到华北克拉通区域,以期获得地球内部结构精确成像.基于3-D全球径向各向异性地幔模型S362ANI和3-D地壳模型Crust1.0,我们建立了华北克拉通初始3-D背景模型,并将数值模拟结果与实际观测台站记录波形资料进行对比分析,利用互相关方法提取走时残差,最后给出了Fréchet敏感核在3-D空间中的分布,这些工作为下一步开展球坐标系下三维大尺度全波形反演奠定了基础.