裂陷盆地基底双界面模式二维重力反演

裂陷盆地基底的起伏表现为非光滑的几何形态,传统的重力反演结果并不能很好地反映这种特点.此外,大多数情况下,重力观测面并不位于盆地上界面,应为单独的起伏观测面,盆地应为上界面和基底组成的双界面模式.基于此,本文研究了起伏观测面上裂陷盆地基底双界面模式二维重力反演方法.研究中假设沉积盆地的沉积层与基底的密度差随深度按双曲线规律变化.将沉积盆地的沉积层剖分成相邻的垂直柱体,其水平尺寸是已知的,顶面与沉积层上界面重合,底面深度代表基底的深度,即为要反演的参数.反演中引入全变差函数作为盆地模型的约束,使得反演结果呈现非光滑形态,符合裂陷盆地基底特征.为减小反演多解性,引入已知深度点作为约束.建立由重力数据拟合、已知深度约束及全变差函数组成的目标函数,采用非线性共轭梯度算法使目标函数最小化.模型试算结果表明该方法可反演裂陷盆地基底起伏,并通过调整正则化参数的值可反演坳陷盆地基底起伏.将该反演方法用于珠江口盆地惠州凹陷和运城-临汾裂陷盆地实际资料处理,其结果较好地反映了裂陷盆地基底起伏特征,为研究盆地构造、油气勘探等提供重要参考.     

南祁连盆地重力异常特征及其地质意义

南祁连盆地具有丰富的油气资源,盆地内部坳陷边界、基底深度及内部构造控制着油气资源的分布.为落实南祁连盆地内部坳陷及构造分布,笔者充分利用多年来在研究区及周缘完成的各类勘探资料,以南祁连盆地的重力数据为主,结合相关资料,开展重力数据处理和综合反演解释,分析提取反映深大断裂的重力异常信息,并基于重力异常完成主要坳陷的密度界面深度反演和剖面2.5维反演,推断南祁连主要沉积盆地和坳陷的基底深度及起伏变化,进而综合讨论研究区主要坳陷的油气远景,为南祁连盆地油气资源战略调查和进一步勘探选区提供了依据.     

基于Lp范数正则化的V字型密度界面重力反演

V字型密度界面是一类常见的密度界面,如海沟、半地堑以及俯冲带之下的莫霍面,利用重力数据刻画此类密度界面形态对于区域构造研究、油气勘探以及物理海洋学等都具有重要意义.本文首先建立了L_p-范数形式的模型约束函数,并利用正则化原理将其与重力数据误差函数和已知深度约束函数结合形成V字型密度界面反演的目标函数,推导了目标函数的梯度表达式,并以非线性共轭梯度法为核心给出了反演流程.二维简单模型试算结果表明p=5时该方法能准确地刻画V字型密度界面起伏特征,且亦能准确地应用于二维复杂密度界面和三维界面的反演.最后将反演方法应用于挑战者深渊及邻区的实际资料处理之中,利用研究区海底地形数据和沉积层厚度数据对自由空间重力异常逐层剥离而得到莫霍面引起的重力异常,用本文方法对此重力异常进行反演,结果呈现了板块俯冲作用引起的V字型莫霍面起伏特征.     

南海重力异常的沉积层密度改正及其对区域构造特征分析的意义

南海位于太平洋板块、印澳板块和欧亚板块交汇处,自晚中生代以来历经张裂作用、海底扩张以及印藏碰撞、菲律宾海板块西向运动等构造事件的叠加改造,不仅形成了复杂多样的构造格局,而且堆积了厚薄不均的沉积层.为了考察沉积层密度改正对利用重力资料分析南海不同尺度构造特征的影响,本文利用南海各区域不同深度沉积层的地震波速度及钻孔密度等数据,建立了沉积层与沉积基底密度差随深度变化的二次函数关系式,并基于该关系式,计算了南海沉积层相对基底密度低而产生的重力异常值.结果显示,南海沉积层的重力异常值在海盆区介于-40~-60 mGal,而在堆积巨厚沉积物的莺歌海盆地可达到-135 mGal;相对于空间重力异常、布格重力异常,经沉积层重力异常改正后的地壳布格重力异常更能突出深部不同尺度的密度结构和莫霍面的起伏特征,其总水平导数模更突显了南海西北部红河断裂带的海上延伸;利用谱分析技术估算岩石圈强度时,经沉积层重力异常改正的地壳布格重力异常数据获得的岩石圈有效弹性厚度值更为符合地质实际,特别是在长条形的巨厚沉积区如莺歌海盆地和马来盆地.分析表明,重力异常的沉积层密度改正对揭示南海构造特征具有重要的意义.     

考虑沉积层重力改正的中国西部Moho面深度反演

首先研究了大型沉积盆地对地表重力异常的影响,然后基于Parker-Oldenburg迭代算法,利用经过沉积层改正的布格重力异常数据反演了中国西部的Moho面深度。结果表明,地壳浅层密度异常对地表重力异常和Moho面深度结果的影响较大,利用简化的三层沉积层模型,计算出的中国西部沉积盆地的重力异常改正最大可达25 m Gal,由此引起的Moho面深度可达2.2 km,Moho面深度最终计算结果与区域最新研究成果相符合,因此,利用重力异常反演Moho面深度时,应考虑沉积层的影响以提高反演精度。     

上部密度差随深度呈指数变化的界面的重力反演方法

正象在沉积盆地的基底面所经常出现的情况一样,当绘制一种其上密度差随深度发生指数变化的界面时,可以通过一个理论上精确的重力方法而有效地完成,此重力方法既可以用在剖面数据上又可以用在二维数据中。界面上部的质量差可以由一阵列垂直矩形棱柱体来模拟,棱柱体的密度差随深度按指数形式变化。由棱柱体引起的重力异常是在波数域中计算的,然后变换到空间域。在这个过程中,根据离散傅里叶偏移方程,并通过一种平移断层取样技术处理之后,反演数值傅里叶变换的精度明显地提高了。根据观测到的重力异常数据,反复调整棱柱体的垂直延伸,可以确定界面的深度。用这种方法计算出的加利福尼亚州洛杉矶盆地的基底面与钻孔资料和地震资料得到的形状非常一致。     

稳定正则化参数估计方法及其在盆地基底重力异常反演中的应用

正则化方法通过带有正则化参数的约束项,将不适定问题转换为一个适定问题.如何选取最优正则化参数一直以来都是正则化研究的难点和热点.本文通过定义解的不稳定性度量来直接估算正则化参数μ的最优值,并将这种正则化参数估计方法应用到二维沉积盆地基底重力反演中.测试该方法在通过对一次野外测量的数据加不同噪声得到的多组数据与多次野外测量中得到的多组数据这两种情况中的反演效果.最后将该方法应用到非洲西海岸的北加蓬次盆进行盆地基底反演,测试该方法的实用性.模型测试的结果显示,在这两种情况下获得的反演解非常接近且能够反演得到较为准确的模型基底深度,故该方法适用于一般情况下只进行一次野外测量的实际重力勘探情况且能得到稳定的最优反演解;实际资料的最优反演结果稳定且符合当地的地质构造背景.在模型测试与实际资料测试中,都能够确定最优正则化参数并得到最优反演结果,证明了该方法在重力反演中的正确性和实用性.     

中国南海地区重力剥离对莫霍面反演的影响分析

确定更为精细的中国南海地区莫霍面对认识该地区内部结构、形成机制及相关动力学问题具有重要意义.重力剥离的精度直接影响莫霍面反演结果的质量.本文将由XGM2019e解算的自由空气重力扰动进行地形水深、沉积层、固体地壳密度异常和岩石圈热膨胀重力剥离,提取出莫霍面重力扰动,结合线性回归法和地震资料估计反演参数,并采用直接迭代法反演南海莫霍面模型,最后利用地震资料对反演结果进行精度评定.研究结果表明：仅顾及地形水深重力剥离的莫霍面反演结果整体精度较高,为1.94 km;在沉积物较厚的陆坡盆地,忽略沉积层的影响可使莫霍面最大加深6.30 km,但在沉积物较薄的南海海盆,考虑沉积层重力剥离会降低反演精度;利用CRUST1.0进行固体地壳重力剥离会使反演结果的精度降低0.22 km,表明CRUST1.0在南海地区并不准确;热膨胀重力剥离对反演精度的影响不大,但若忽略该效应,可能会高估洋壳区的莫霍面深度．针对南海重力莫霍面研究,笔者建议:若无精细地壳资料,忽略固体地壳重力剥离;若主要关注南海海盆可忽略沉积层的影响,但应考虑热膨胀重力剥离;若研究区覆盖沉积盆地,则应考虑沉积层重力剥离,并仔细选取密度-深度...     

中国陆域磁性基底深度及其特征

前寒武纪变质基底的起伏变化特征和沉积盖层的厚度变化对研究地质构造、能源和资源勘探具有重要意义.而前寒武纪变质基底与沉积盖层之间通常存在一定的磁性差异,这就为利用航磁资料研究磁性基底深度提供了地球物理条件.本文集合了中国国土资源航空物探遥感中心30多年来编制的中国陆域30多个盆地和地区的磁性基底深度图以及补算的部分地区磁性基底深度,经过统一坐标系、统一比例尺之后编制了1/100万比例尺的中国陆域磁性基底深度图(成图比例尺为1/250万).研究结果表明,以E105°线为界,我国西部地区沉积坳陷区盖层厚度大,集中分布在塔里木盆地、准噶尔盆地、柴达木盆地和西藏地区;东部地区沉积坳陷区盖层厚度整体上相对较薄,主要分布在松辽盆地、二连盆地、鄂尔多斯盆地、华北南部盆地、四川盆地、南黄海—苏北盆地等,但最厚处在四川盆地的西南部和鄂尔多斯盆地西缘.这些研究成果展现了我国前寒武纪变质基底和具有一定规模的岩浆岩侵入岩体的深度变化特征,同时反映了沉积盖层的厚度和赋存现状,可直观了解各种类型的沉积盆地和沉积坳陷区的深度和范围,为寻找基底之上油气藏提供了直接依据.     

基于广义模型约束的时间域航空电磁反演研究

由于航空电磁具有海量数据,因此快速有效的成像和反演手段至关重要.本文针对层状介质模型推导与实现了广义模型约束条件下时间域航空电磁一维反演.从正则化反演的目标函数出发,通过改变模型约束项构造Lp范数反演和聚焦反演,进而通过改变模型求解域构造出基于小波变换的稀疏约束反演.针对不同反演方法目标函数的构建方式,本文进一步从数学原理上分析不同反演方法的预期效果,并通过理论模型和实测数据进行验证.结果表明L0.8范数反演、聚焦反演和基于小波变换的稀疏约束反演可以得到更符合地下层状介质陡变界面的反演结果.     

基于重磁震资料的南海新生代盆地分布综合研究

作为西太平洋最大的边缘海,南海分布有30多个新生代沉积盆地,其蕴含着丰富的油气资源.但由于资料的限制,南海存在不同区域盆地研究程度不同,不同区域盆地面积差别较大,部分盆地只是坳陷而没有达到盆地的级别以及盆地外围可能存在凹陷等问题.南海新生代盆地分布问题制约了其油气分布规律、储量等基础地质问题的研究.本文以地震剖面数据为约束,以重力资料为主、辅以磁力资料,研究了南海新生代盆地分布及构造区划.通过提取新生代盆地及其构造单元引起的重力异常,结合地震剖面等资料反演了新生界底界面深度及新生界厚度.在充分调研已有盆地和构造单元划分方案的基础上,根据南海的地质及地球物理特征,确定了盆地及构造单元划分标准.以新生界厚度为基础并结合重、磁、震、地质等资料,进行地质-重磁震联合解释,将南海原有的36个盆地重新划分为24个盆地,盆地总面积扩大了约15万km².研究表明,南海新生代盆地沉积层厚度在1.5~16 km之间,有6个北东东/北东向沉积坳陷带、2个近南北向沉积坳陷带以及1个三角沉积坳陷区;盆地展布方向主要为北东和北东东向,其次为北西和近南北向,呈现"南三北三"的分布特征.     

复杂盆地地球物理-地质结构模型的构建——重磁电震综合解释在楚雄盆地勘探中的应用

楚雄盆地由于其复杂的地质构造,基底深度及内部构造隆拗深度一直不明了.本文以楚雄盆地区域重力及航磁数据为基础,依据横贯东西的两条重磁电震剖面定量反演解释结果,并以云参1及楚参1钻井作为约束,分西区、中区及东区三个区块反演得到了楚雄盆地三叠系顶底界面深度,进而得到三叠系厚度分布特征.本次取得的成果为研究楚雄地区深部地质构造和主要沉积盆地厚度以及盆地基底深度提供了较为可靠的资料,可作为楚雄盆地油气评价的重要依据;同时也为复杂盆地地球物理-地质结构模型的构建提供了一条可行的思路.     

基于物性参数梯度累加约束的电阻率法和重力勘探数据二维联合反演

对不同地球物理方法的数据进行联合反演,通过模型参数的相互约束可以减小反演的多解性.本文对电阻率法和重力勘探数据开展了基于电阻率和剩余密度梯度累加约束的二维联合反演研究.电阻率法采用数据空间Occam反演,重力勘探采用基于对数障碍法的正则化反演.通过在电阻率法和重力勘探反演的目标函数中引入电阻率和剩余密度梯度累加约束项,利用交替迭代方式实现了电阻率法和重力勘探数据的二维联合反演.对理论模型合成数据进行了单方法反演和联合反演,对比了反演效果.结果表明：联合反演结果优于单方法反演结果,联合反演结果对异常体的物性值恢复和形态刻画效果更好.     

塔里木盆地多尺度重力场反演与密度结构

本文根据塔里木盆地布格重力异常的功率谱特征,决定重力异常分解成3个层次,即反映沉积盆地基底的异常、反映沉积盆地深层的异常和反映沉积盆地浅层的异常.然后,探讨将小波变换多尺度分析和密度反演方法应用于塔里木盆地布格重力异常的分解和盆地三维结构密度研究,并根据钻探了解每个层次对应着的地质含义.通过塔里木盆地的重力异常的多尺度...     

使用指数密度-深度函数对沉积盆地的重力资料进行三维解释

在用重力模型绘制深部沉积盆地基地的地形中,结合密度随深度按指数函数增加的关系可以改善其精度。为了计算具有这种指数密度-深度关系的三维构造的重力效应,提出了一种以级数展开为基础的频率域正演算法,其数值计算可以用快速傅里叶变换完成。在递归程序中可以应用此算法,以便依据基底起伏来给出反演解。在澳地利东部的潘诺宁(Pannonian)盆地西缘得到的重力资料的二维合成例子和三维野外例子令人满意地检验了这种反演程序,盆地内厚达2.2km的三迭纪沉积物上覆在火成岩或变质岩基底上。几个井内的基地相交证实了这些结果。     

利用重力异常研究内蒙古八大关—伊敏苏木剖面的地壳构造

在波数域中处理八大关—伊敏苏木剖面重力资料,使用离散余弦变换反演法计算出重力基底起伏界面深度,利用Hilbert变换计算重力归一化总梯度及其相位.根据布格异常特征及归一化总梯度相位曲线,划分了15条断裂,反演了该剖面重力基底起伏界面,并对重力基底构造特征进行了分析,将研究区划分出3个凹陷区,确定伊敏凹陷、鄂温克凹陷和东明凹陷为油气远景区.     

松辽盆地沉积层结构的短周期地震背景噪声成像研究

使用位于松辽盆地内部的NECESSArray台阵连续两年背景噪声数据,通过波形互相关和多重滤波方法提取到2~14 s较短周期的Rayleigh波群速度和相速度频散曲线,基于快速行进（FMM）面波成像方法得到群速度和相速度成像结果,并采用最小二乘迭代线性方法反演获得了松辽盆地深至12 km的三维S波速度结构.本文成像结果显示：松辽盆地内部S波速度分布的横向不均匀性与该区域的构造单元呈现出良好的空间对应关系.从地表至下方的6 km深度,盆地北部比南部表现出更加强烈的低速异常,这一特征可能与盆地南北的沉积构造差异有关.中央坳陷区低速异常的边界与嫩江断裂走向相互平行,表明盆地基底断裂对盆地形成演化具有一定的控制作用.在垂直速度结构剖面中,2.9 km·s^-1的S波速度等值线与地震反射剖面显示的盆地基底深度大致对应.基于S波速度模型和盆地基底速度（2.9 km·s^-1）,我们获得精细的松辽盆地沉积层厚度模型,结果表明松辽盆地的沉积层厚度分布呈现出中间厚、四周薄的特征,中央坳陷区的沉积层厚度范围大约在3~6 km.     

黄骅坳陷前新生代残留盆地结构与基底性质研究

利用综合地球物理方法研究前新生代残留盆地结构是当前深层油气勘探亟待解决的问题之一.本文基于高精度重力、航磁、地震等综合地球物理资料,通过位场正演剥离和正则化滤波技术对黄骅坳陷前新生代残留盆地结构展开研究,构建黄骅坳陷宏观的盆地立体格架,分析前新生代残留地层的展布及残留厚度特征,探讨盆地基底的三分性问题.研究表明,黄骅坳陷宏观上呈现垂向分层、东西分带、南北分区的盆地结构特征;前新生代残留盆地总体为NNE-NE向展布,但沉积中心与残留地层厚度明显不同于新生代沉积特点,在歧口新生界巨厚区残留厚度较小;盆地基底表现出三分性特征,区内"T"型交叉的两组隐伏深断裂可能为燕辽基底、鲁西基底和太行基底的拼接线;前新生代盆地结构、残留厚度与基底三分性特征均表现出受深部断裂构造的影响和控制.     

中国大陆中上地壳剪切波速结构

为使已获得的中国大陆中上地壳结构更为可靠,本文搜集了很多对浅部结构分辨率较好的短周期面波资料. 与传统面波层析成像反演方法不同,本文在第二步由面波频散得到剪切波速的过程中不再对每个结点进行一维波速模型分别反演,而是直接将所有结点上的区域化频散转换成三维波速结构的线性化约束,实现了直接的三维反演. 检测板测试结果显示该方法可以得到理想的反演结果. 本文得到的波速模型显示,中国大陆中上地壳的速度分布存在明显的横向变化和分区特征. 较低的波速异常很好地勾勒出我国主要的沉积盆地,波速异常在不同深度上的变化在一定程度上反映了各盆地结晶基底的深度. 以东经95deg;为界,特提斯构造域西部具有明显的低速异常,而东部基本没有低速异常. 基于油气资源多存在于沉积层中,而沉积层表现低速异常,我们推测特提斯构造域西部油气前景比东部好. 另外, 由于特提斯构造域西部低速非常明显,这可能也说明了其地壳温度较高. 兴安造山带的低速异常可能也说明了其地壳温度较高. 20 km深度上鄂尔多斯盆地西侧的弱低速带, 很好地勾勒出中国大陆近似沿105deg;经线的强震带的走势.      

基于Lp范数稀疏优化算法的重力三维反演

三维密度反演已经成为重力数据定量解释的常规方法,但由于重力数据本身并没有深度分辨率,为了减少由此引起的重力反演的非唯一性,常用的手段是引入额外的先验信息.本文提出了一种重力三维稀疏反演（以下简称稀疏反演）方法,该方法通过求解物性上下界约束时的L_p范数（0 ≤ p ≤ 1）稀疏优化问题,来获得具有尖锐边界的解.与传统的L₂范数反演方法相比,稀疏反演方法可以更加有效地利用已知的物性信息,获得深度分辨率更高的反演结果.此外,我们也分析了稀疏反演方法与二值、三值反演算法的等价性以及在实际应用中需要注意的问题.最后,通过模型试验以及矿区实测数据反演验证了稀疏反演方法的有效性.