接收函数反演地壳S波速度结构的有效约束方法

本文通过对径向接收函数和垂直向接收函数进行低通滤波,获取了S波视速度随低通滤波参数的变化曲线,然后利用经验关系将它转换成了台站下方的S波速度结构,并以此作为接收函数反演的初始模型.理论数值实验表明:由于初始模型的S波速度值提供了有效的约束,即使Moho面深度并不准确,但反演迭代过程还是快速地向真解逼近.另外,通过给观测波形加入10%的噪声,在保持S波速度不变的情况下,分别对波速比进行5%的正负扰动(即泊松比分别扰动为0.23和0.27),反演结果仍然快速向真解收敛.对保山台记录的远震接收函数反演结果表明:用本文方法反演所得结果与测深结果较为一致.这充分说明只要S波速度值(而非泊松比)能够提供有效的约束,接收函数的反演过程对P波速度的选取并不敏感.     

地震波形多尺度反演的一点讨论

基于在反演过程中对初始模型依赖性强、易陷入局部极值等问题,本文引入小波分析,提出多尺度地震波形反演方法,从而将参数反演问题转化到小波域中重要系数优化问题。利用多尺度之间的内在联系及小波域中重要系数的稀疏性,有将改进了局部极值、计算量等问题。并对几种多尺度反演策略进行了比较讨论。基于波动方程正演及褶积模型的两种反演方法的数值实便结果显示了本方法良好的效果。     

频率多尺度全波形速度反演

以二维声波方程为模型,在时间域深入研究了全波形速度反演.全波形反演要解一个非线性的最小二乘问题,是一个极小化模拟数据与已知数据之间残量的过程.针对全波形反演易陷入局部极值的困难,本文提出了基于不同尺度的频率数据的"逐级反演"策略,即先基于低频尺度的波场信息进行反演,得出一个合理的初始模型,然后再利用其他不同尺度频率的波场进行反演,并且用前一尺度的迭代反演结果作为下一尺度反演的初始模型,这样逐级进行反演.文中详细阐述和推导了理论方法及公式,包括有限差分正演模拟、速度模型修正、梯度计算和算法描述,并以Marmousi复杂构造模型为例,进行了MPI并行全波形反演数值计算,得到了较好的反演结果,验证了方法的有效性和稳健性.     

基于接收函数和邻域算法的地壳各向异性结构反演

本文通过数值模拟,逐个分析了各向异性与倾斜等参数对径向和切向接收函数的影响,总结了各参数对接收函数的影响规律.结合邻域算法(Neighborhood Algorithm)对接收函数反演地壳各向异性结构的方法进行了不同模型的测试,确定了该方法对不同参数反演的稳定性和准确性.并依据反演数值试验的结果,确定了反演中参数选取的原则.最后,将该方法应用于青藏高原东北缘的三个台站,反演了各台站下方地壳的各向异性结构特征.     

2D多尺度非线性地震速度成像

将遗传算法和单纯形算法相结合,得到了一种高效、健全的2D混合地震走时反演方法.把速度场划分为不同的空间尺度,定义网格节点上的速度作为待反演参数,采用双三次样条函数模型参数化,正问题采用有限差分走时计算方法,反问题采用多尺度混合反演方法.首先在较大的空间尺度内反演,然后减小空间尺度,将大尺度的反演结果作为次一级尺度反问题的初始模型,再进行混合反演,如此类推逐次逼近全局最优解.一个低速度异常体的数值模拟试验和抗走时扰动试验表明该方法是有效和健全的.我们将该方法应用到青藏高原东北缘阿尼玛卿缝合带东段上部地壳速度结构研究中,并与前人的成果进行了对比.     

基于混合自适应遗传算法的稳健全波形反演

地震全波形反演理论与技术虽已得到了广泛研究,但周波跳跃等问题的存在严重制约了常规全波形反演方法的实用化进程.基于遗传算法的全波形反演方法能够在一定程度上较好地缓解常规全波形反演面临的初始模型依赖性问题,但是当前方法仍存在收敛性和巨大的计算量问题.本文提出一种混合自适应遗传算法(HAGA),并提出基于HAGA的稳健全波形反演方法,该方法将基于HAGA的反演与基于共轭梯度法的常规全波形反演交替迭代进行,其可兼顾反演计算效率与精度.数值测试结果表明,局部与全局优化交替迭代的全波形反演方法集合了局部优化反演的高效与全局优化反演的稳定的优点,大大降低了全波形反演对初始模型的依赖性,能够有效的缓解常规全波形反演的周波跳跃问题.     

大地电磁的多尺度反演

对于迭代方式的参数化反演方法,如何使反演结果稳定地收敛到整体极小仍是目前大地电磁（MT）反演中急需解决的问题．本文利用小波变换理论中的多尺度分析方法将大地电磁反问题分解为依赖于尺度变量的反问题序列,然后按尺度从大到小的次序依次求解,求解过程中前一个尺度反问题的解作为下一个尺度反问题的初始模型,直到来出对应于尺度为0的原反问题的解为止．该方法称为多尺度反演方法．数值试验和实际资料的反演结果表明,该方法可有效改善传统广义逆反演方法易陷入局部极小的弊端．     

基于模型空间压缩的大地电磁三维反演研究

本文提出了一种基于模型空间压缩技术的大地电磁三维反演方法.该方法在传统大地电磁三维反演理论的基础上,通过小波变换将待反演的空间域模型参数映射到小波域进行反演,获得小波域更新模型后再通过小波逆变换得到空间域反演模型.由于小波变换具有压缩特性和多尺度分辨能力,本文反演方法可在一定程度上提高反演分辨率.为了提高反演效率,我们针对基于L_1范数的模型约束求解不易收敛的反演问题,提出了一种基于模型粗糙度的简单有效的预条件处理技术.为验证本文算法的有效性,本文首先对经典的"棋盘"模型进行三维反演测试.反演结果表明本文算法的反演效率与传统方法相当,但对于深部异常体具有更好的分辨能力.最后,我们通过对实测数据反演进一步验证本文算法的有效性.     

关于全球地震层析成像反演方法的探讨

以全球地震面波相速度变化问题为例，使用约３００００道高质量的面波记录数据集，在数据空间和模型空间的误差服从零平均Ｇａｕｓｓ随机分布的假设下，研究反演中的阻尼和参量化问题．发现最佳分块尺度随频率增高而减小；分块参量化方法比球谐展开方法引入的人为因素少，但难以分辨甚低阶横向非均匀性，除非施加极端的空间平滑；球谐函数展开则具备恢复长波结构的优点．为此提出一种混合参量反演方法：首先用球谐函数作为全球基函数，恢复相速度的低阶球谐分量，然后用此作为进一步反演的初始模型，用分块模型迭代反演，得到最终结果．     

利用SV分量接收函数反演地壳横波速度结构

详细讨论了远震体波SV分量接收函数的特点及其在反演地壳S波速度结构中的优势．与径向接收函数类似，SV分量接收函数可通过对远震体波的SV分量直接反褶积P分量获得．研究分析表明:与径向接收函数相比，SV分量接收函数的振幅随震中距的变化更加稳定，波形简单且突出了对结构最敏感的PS转换波信息．理论数值实验显示:在反演地壳S波速度结构时，SV分量接收函数比径向接收函数具有更好的收敛性．作为实例，利用SV分量接收函数反演方法反演了海拉尔台下的S波速度结构．      

Inversion of receiver function by wavelet transformation

Introduction Receiver function has been extensively applied in studying S wave velocity of crust and up-per mantle for about 20 years (Owens, et al, 1987; LIU, et al, 1996), which is a time series ob-tained by the deconvolution of vertical component from horizontal component for teleseismic P waveform. Receiver function represents the teleseismic P plane wave response of crust and upper mantle beneath seismic station, from which the source and propagation effects are removed. Receiver funct…     

基于贝叶斯理论的接收函数与环境噪声联合反演

基于Bayes反演理论(Tarantola,1987,2005),在接收函数非线性复谱比反演方法基础上(刘启元等,1996),本文讨论了接收函数与地震环境噪声Rayleigh波相速度频散的联合反演.本文采用修正后的快速广义反射/透射系数方法(Pei et al., 2008,2009) 计算Rayleigh波相速度频散, 并引入地壳泊松比的全局性搜索.数值检验表明:(1)接收函数与环境噪声的联合反演能够有效地解决反演结果对初始模型依赖的问题,即使对地壳速度结构仅有非常粗略的初始估计(例如,垂向均匀模型),本文方法仍能给出模型参数的可靠估计;(2)由于环境噪声与接收函数在频带上的适配性明显优于地震面波,接收函数与环境噪声的非线性联合反演能更好地约束台站下方近地表的速度结构;对于周期范围为2~40s的环境噪声相速度频散,利用本文方法能够可靠推测台站下方0~80 km深度范围的S波速度结构, 其浅表速度结构的分辨率可达到1 km; (3)本文方法能够可靠地估计地壳泊松比,泊松比的全局性搜索有助于合理解释接收函数和环境噪声的面波频散数据.利用本文方法对川西台阵KWC05台站观测的接收函数与环境噪声的联合反演表明,该台站下方地壳厚度为44 km,上地壳具有明显的高速结构,24~42 km范围的中下地壳具有低速结构.该台站下方地壳的平均泊松比为0.262,壳内低速带的泊松比为0.27.     

利用多种地震数据联合反演剪切波速度结构的可靠性检测

本文模拟使用青藏高原东南缘区域台网及国家台网的170个宽频台站基于背景噪声、天然地震面波、P波接收函数反演时的实际数据,对青藏高原东南缘假定的初始模型进行恢复,通过计算初始模型台站下方纯路径频散、提取各台站对间的瑞雷波频散曲线、计算理论接收函数以及反演剪切波速度结构来测试使用不同单项数据与联合使用多种数据反演对初始模型的恢复程度。结果表明,同时使用接收函数、基于噪声经验格林函数的群速度、相速度频散以及基于天然地震面波的相速度频散联合反演的剪切波速度结构,充分利用了几种数据的分辨率优势,清晰地分辨出中下地壳及上地幔顶部的低速层。此外,本文也分析了实际数据处理中出现的计算误差、随机噪声干扰对计算结果稳定性的影响。结果显示:对于面波频散,加入1%的误差后,联合反演的结果仍可很好地反映低速层的形态,但是当误差提升至5%后,对最终结果则产生了一定程度的影响;而在接收函数中加入4%的随机噪声时,虽然地幔低速层的上界面和下界面会略微受到随机噪声的影响,但是低速层的深度范围和速度值均得到了较好的恢复。     

基于归一化能量谱目标函数的全波形反演方法

基于L2范数的常规全波形反演目标函数是一个强非线性泛函,在反演过程中容易陷入局部极小值.本文提出归一化能量谱目标函数来缓解全波形反演过程中的强非线性问题,同时能够有效地缓解噪声和震源子波不准等因素的影响.能量谱目标函数是通过匹配观测数据与模拟数据随频率分布的能量信息来实现最小二乘反演的,其忽略了地震数据波形与相位变化的细节特征,这在反演的过程中能够有效缓解波形匹配错位等问题.数值测试结果表明,基于归一化能量谱目标函数在构建初始速度模型、抗噪性和缓解震源子波依赖等方面都优于归一化全波形反演目标函数.金属矿模型测试结果表明,即使地震数据缺失低频分量,基于归一化能量谱目标函数的全波形反演方法在像金属矿这样的强散射介质反演问题上同样具有一定的优势.     

不依赖子波、基于包络的FWI初始模型建立方法研究

地震全波形反演(FWI)从理论走向实际面临着诸多难题,其中之一就是需要一个较高精度的初始模型,另一个难题就是需要一个较为精确的震源子波,初始模型和震源子波的准确程度严重影响着全波形反演的最终结果.为此,本文提出了不依赖子波、基于包络的FWI初始模型建立的方法,建立了相应的目标函数,推导出了反演的梯度,给出了伴随震源的表达式,理论上分析了不依赖子波FWI的可行性.在数值试验中,讨论了参考道的选取方式,通过分析归一化目标函数收敛速率,认为近偏移距参考道优于远偏移距参考道,在地震数据含干扰噪音时,平均道作为参考道要优于最小偏移距参考道.通过包络、包络对数、包络平方三种目标函数反演结果的比较,发现包络对数目标函数对深层的反演效果最好.通过不同子波的试验进一步验证了本方法的正确性.     

基于不等式约束的三维电阻率探测混合反演方法

三维电阻率探测的线性反演和非线性反演中均存在着多解性的固有难题.电阻率线性反演方法的效率较高,但反演结果对初始模型的依赖性较强,易陷入局部极小;而非线性反演方法不依赖初始模型,但搜索效率极低,尚未见到关于三维电阻率非线性反演的文献.针对上述问题,融合线性与非线性反演方法的互补优势,提出了最小二乘法(线性方法)与改进遗传算法(非线性方法)相结合的混合反演方法的概念和思想.首先,提出了将介质电阻率变化范围作为不等式约束引入反演方程的思路,以实现压制多解性、提高可靠性的目标.提出了宽松不等式约束和基于钻孔推断的局部严格不等式约束的获取及定义方法.在此基础上,分别提出了基于不等式约束的最小二乘线性反演方法和遗传算法非线性反演方法.其次,对于遗传算法在变异搜索方向控制、初始群体产生等方面进行了改进,优化了其搜索方向和初始群体多样性.然后,提出了混合反演方法及其实现方案,利用改进遗传算法进行第一阶段反演,发挥其对初始模型的依赖程度低的优势,搜索到最优解附近的空间,输出当前最优个体;利用最小二乘法进行第二阶段反演,将遗传算法得到的当前最优个体作为初始模型,在最优解附近空间执行高效率的局部线性搜索,最终实现地电结构的三维成像.最后,开展了合成数据与实际工程算例验证,与传统最小二乘方法进行了对比,发现混合反演方法在压制多解性、摆脱初始模型依赖和提高反演效果方面有较好效果.     

基于多震相联合反演江苏地区一维速度模型研究

利用地震走时数据,采用联合反演方法获取了江苏地区的一维P波速度模型。与仅采用初至波走时的传统天然地震走时获取方法相比,该方法充分利用了大量存在的续至波参与反演,能有效改进中下地壳的反演能力。针对地震震相目录中常存在震相标识错误的问题,采用的自动判别筛选震相方法能最大限度提高数据走时的精度,可以对不同震相进行有效区分。与其他常用一维速度模型相比,本文反演的模型对Pg、Pn震相走时拟合效果最佳,残差最小。当所用走时数据拥有较高定位精度时,该反演方法能为研究区三维速度结构成像和地震定位提供较可靠的一维速度模型。     

利用接收函数研究延边地震台下方地壳结构

收集整理2007年以来延边地震台记录的113个远震数字波形资料,采用远震接收函数反演延边地震台下方地壳结构,运用H-Kappa叠加方法,计算得到台站下方地壳厚度和泊松比.采用全球平均地壳模型作为初始模型,反演台站下方0-100 km的S波速结构.反演结果表明,延边地震台下方地壳厚度为30.8 km,波速比为1.84,泊松比较高,为0.29.在台站下方15-20 km及25-30 km处存在低速层.