结合欧拉矢量的反演算法构建青藏高原东北缘地壳运动速度场模型

探讨地壳运动速度场模型的构建方法,提出结合欧拉矢量的维多样性动态权重粒子群算法构建地壳运动速度场模型。通过模拟算例验证该算法的稳定性和有效性,建立的速度场模型与线性权重粒子群算法和非线性权重粒子群算法的计算结果相比具有较高的精度,且收敛速度较快。利用青藏高原东北缘1999—2013年中国地壳运动观测网络观测到的GPS水平速率结果,在块体划分和模型辨识的基础上,建立青藏高原东北缘地壳运动速度场模型,并将其与最小二乘配置法的计算结果进行比较,结果表明改进的粒子群算法建立的地壳运动速度场模型具有较高的精度。     

渭河盆地断裂活动速率的粒子群算法反演

渭河盆地是我国典型的断陷盆地,是中国大陆地裂缝活动、地面沉降活动最剧烈的地区之一.本文利用2004-2007年间的GPS数据,采用粒子群算法与位错理论模型相结合,对渭河盆地主要断裂的三维滑动速率进行了反演计算分析.结果表明:(1)断裂活动性质与地质测量方法获得的结果基本一致:除韩城—华县断裂以张裂为主外,渭河盆地主要断裂均以正倾滑为主,并具有走滑特征,呈张裂的运动趋势;(2)从滑动速率来看,秦岭北侧大断裂速率最大,可达4.5 mm/a.固关—宝鸡断裂活动最小,活动速率仅为1 mm/a左右;(3)在趋势上与现有的地质资料基本一致,以EW向断裂活动最强,NE方向较强,而NW方向较弱,并且分布上呈现南强北弱的特征.     

基于粒子群优化算法的叠前角道集子波反演

本文探讨了粒子群优化(PSO)算法在叠前地震角道集子波反演中的应用.在基本最优PSO算法的基础上,提出了对粒子更新速度进行平滑滤波的改进最优粒子群算法.由于代表子波的粒子的维数较大,如果粒子的各维元素相互独立,将导致粒子速度更新紊乱,影响搜索速度.通过对粒子速度进行三点均值滤波,加强了单个粒子各维元素的相互联系,并防止了粒子速度逃逸,使粒子更快地向有利于最优解的位置收敛.该方法应用于叠前角道集子波的反演中,取得了较好的子波反演效果,证明了本文方法的有效性.     

基于GPS观测资料反演庄浪河断裂带、马衔山北缘断裂带的滑动速率

根据地质资料,首先建立庄浪河断裂带、马衔山北缘断裂带空间展布的三维几何模型和分段模型,并把地质方法大致推测或估计的各段滑动速率和滑动方式作为先验初值,通过三维深断裂位错模型对GPS观测站点速度场的最佳拟合,反演获得各断裂段的现今滑动速率。结果表明,马衔山北缘断裂有1.4～3.0mm/a的逆倾滑,且中部断层段有约3mm/a的左旋走滑;庄浪河断裂有0.6～1.2mm/a的逆倾滑,走滑分量不明显。这些滑动速率值均在地质方法的推测范围内,且模型预测的GPS站点速度与实际观测值在整体上取得了较好的吻合。本研究表明,对于庄浪河断裂带、马衔山北缘断裂带这样一些滑动速率相对较低且传统地质调查方法较难实施的断裂,基于GPS观测结果的滑动速率反演是一种有效的补充手段     

大地电磁阻尼粒子群优化反演法研究

粒子群优化算法（PSO）是模仿鸟群寻找食物的社会行为的一种全局最优化算法,在多维空间函数寻优、动态目标寻优等方面有着收敛速度快、解质量高且需要设置的参数较少等优点.本文在研究常规粒子群优化算法的基础上,对常规的粒子群算法进行了改进,提出了一种新的惯性权重ω参数振荡递减策略,加快了PSO算法的收敛速度,构造的新算法称为阻尼粒子群优化算法.在MATLAB 6.5 编程环境中对阻尼PSO算法进行了数值实验,并对大地电磁测深的理论模型和实测数据进行了反演试算,结果表明,阻尼PSO算法不依赖于初始模型、能够搜索到全局极值,不易陷入局部极值,是一种快速有效的地球物理反演方法.     

综合利用多种地壳形变观测资料计算鲜水河断裂带现今滑动速率

本文首先沿走向将鲜水河断裂带划分为炉霍、道孚、乾宁、康定和磨西五个断裂段,利用沿断裂带布设的跨断层短基线、短水准场地测量资料计算了近场的断层活动参数,利用覆盖断裂带相对较大区域的重力、GPS观测资料计算了重力场动态变化、GPS速度场.基于重力场动态变化和GPS速度场采用蚁群算法和粒子群算法(具有全局优化的优势)分别反演计算了五个断裂段断层活动参数,将结果中的走滑分量作为五个断裂段的现今走滑速率.通过对以上三类现今走滑速率及五个断裂段的地质平均滑动速率进行融合与对比分析,将重力资料反演计算结果作为断裂带整体走滑速率,与跨断层短基线、短水准测量计算的断层滑动速率结果进行对比分析,初步判定了各跨断层短基线、短水准场地所跨断裂的性质,最终给出了五个断裂段的现今整体左旋走滑速率和部分分支断裂左旋走滑速率,结果为:(1)炉霍段为9.13mm·a~(-1),虾拉沱区域西支断裂为2.46mm·a~(-1),东支断裂为5.84mm·a~(-1).(2)道孚段为8.57mm·a~(-1),东南段沟普区域西支断裂为1.78mm·a~(-1),东支断裂为6.79mm·a~(-1).(3)乾宁段为7.67mm·a~(-1).(4)康定段为6.14mm·a~(-1).(5)磨西段为4.41mm·a~(-1).本文还定性讨论了断裂带两侧重力、GPS测点覆盖范围内活动地块的三维弹塑性变形和古地震、历史地震造成的永久位错.     

改进混合蛙跳算法的CSAMT信号激电信息提取研究

从CSAMT信号中提取激电信息有利于提高频率域电磁法反演与解释的精度.目前的研究多以线性反演方法为主,存在依赖初始模型、易陷入局部极值的问题.针对CSAMT信号IP提取问题的非线性和非凸特征,本文提出了一种基于柯西分布和惯性权重的二阶段最小构造混合蛙跳反演方法来提取IP信息.该方法首先利用柯西算子取代随机算子来提高算法的全局搜索能力,并通过引入混沌震荡惯性权重来均衡进化过程中的个体经验和群体经验,保证算法后期的稳定收敛;然后通过引入第二阶段反演过程来强化极化率对观测数据的影响,同时将正则化参数引入混合蛙跳算法的适应度函数来改善反演的多解性问题;最后利用CPU并行计算加速了算法的模因组搜索过程.反演结果表明,上述方法能够较好地重构地电结构和提取激电信息,在加噪环境下具有较强的鲁棒性.相比其他非线性算法(标准混合蛙跳算法SFLA,差分进化算法DE和粒子群优化算法PSO)的反演结果,本文算法具有更强的全局搜索能力和更高的计算效率,适合对微弱的激电信息进行提取.     

免疫粒子群优化在波阻抗反演中的应用

针对标准粒子群优化（PSO）算法易出现早熟而陷入局部最优以及进化后期收敛速度慢等缺陷,引入免疫系统的免疫记忆和抗体浓度选择机制,构造了基于免疫机制的粒子群优化（IPSO）算法,并将其应用到波阻抗反演问题中。免疫记忆能够保留高适应度个体,抗体浓度选择机制进一步保证了粒子的多样性,从而能较好地避免早熟收敛,提高算法的全局搜索能力。对理论模型试算表明,IPSO算法在进行波阻抗反演时不仅收敛速度快,而且具有较高的精确度和抗噪性能。     

大地电磁测深二维反演方法求解复杂电性结构问题的适应性研究

为探讨二维反演方法在三维电性结构中的适应性问题,本研究中设计了一系列的二维/三维正演模型进行实验计算,分析了三维高阻/低阻异常体对模型响应的畸变作用,并从反演模式选择和数据旋转方向两个方面进行模型二维反演的对比分析,与三维反演的结果进行了比较,最后采用了实测数据进一步进行了二维和三维反演的比较实验.实验和研究结果表明,在剖面选择方面,在剖面方向与垂直主构造方向相差不大的情况下,截取剖面方向,将电性主轴旋转到垂直剖面方向的二维反演结果与垂直主构造方向的反演结果都可以较好地还原正演模型,在大的构造的反映上并无太大差异.在地下为二维或近三维条件时,正演模型的主要结构都可以较好地被二维和三维反演解析出来.二维的反演结果可能甚至会比三维的反演结果的边界更清晰,更精确.然而,对于具有较强的三维结构的模型而言,其二维反演结果与原始模型可能仍然存在较大差异,其中TM+TP或TM模式的二维反演结果相对更接近原始模型,而TE模式的结果往往会有较大误差,需要在解释时特别注意以免得出错误结论.     

圆锥型场源瞬变电磁数据AWPSO算法优化反演

瞬变电磁圆锥型场源装置有效的减小了线圈间的电感,提高了小装置探测地下浅层的分辨率,但常规反演方法需给定初始模型且反演精度不高.针对瞬变电磁法反演计算问题,通过对粒子群优化算法(PSO)和神经网络算法(BP)分析研究,改进了一种基于神经网络算法Sigmoid函数的自适应加权粒子群优化(AWPSO)算法.采用标准测试函数对算法进行试算,建立多个理论层状地质模型对该算法进行理论验证,最后在地质资料已知地区开展现场实验.计算结果表明,新提出的算法具有更高的全局搜索寻优能力和收敛速度快、计算精度高,且不需要给定初始模型;实验结果显示实测数据反演结果与高密度电法探测结果吻合,证明该算法能够对瞬变电磁探测数据进行反演计算且精度较高,可以在同类型的浅层探测任务中提供参考.     

青藏高原东缘中南部主要活动断裂滑动速率及其地震矩亏损

作为青藏高原南东向“挤出逃逸”的重要通道,青藏高原东缘中南部具有大型走滑断裂广泛发育和地震活动强烈而频繁的特征.本文使用线性球面块体模型理论,在前人活动地块研究的基础上吸收新近研究成果,建立研究区三维块体几何模型,使用1999—2007年的GPS数据反演得到青藏高原东缘中南部主要活动断裂滑动速率.使用反演得到的滑动速率和最优断层闭锁深度估算了川滇菱形块体主要边界和其内部断裂的地震矩积累,并利用历史强震目录估算了地震矩释放,在比较两者差异的基础上得到了研究区地震矩亏损（未释放的地震矩）较大的断层和断层段,该结果可以作为研究区强震中长期危险性研究的参考.     

基于局部优化粒子群算法的背景噪声反演

从背景噪声中提取瑞雷波频散曲线并通过反演获得地下横波速度结构已被广泛应用于大尺度的地下结构探测和小尺度的工程勘探中.基于频散函数的反演目标函数可以有效解决多阶模频散曲线联合反演的模式误判问题,然而其广泛分布的局部极值导致更为严重的多解性,在大范围的参数搜索空间下很难获得最优解,需要搭配全局搜索性能强的优化算法.本文提出局部优化粒子群算法(PSOG),通过粒子迭代过程中引入局部优化方法提高种群多样性,避免陷入局部极值并加快收敛速度.为验证新算法的有效性,结合基于久期函数的目标函数对理论合成数据进行反演,结果表明,局部优化粒子群算法比传统算法的稳定性与准确性都有显著提高.处理了上海苏州河地区的背景噪声数据,成功地对古河道切割造成的软弱层进行成像.PSOG算法与新型反演目标函数的结合在背景噪声勘探的工程应用上具有巨大潜力.     

汶川地震前龙门山断裂带闭锁程度和滑动亏损分布研究

利用1999—2007期GPS水平速度场数据,采用Defnode负位错反演程序估算了龙门山断裂在汶川地震前的闭锁程度和滑动亏损分布,结合龙门山断裂带附近地表水平应变率场结果,综合分析了震前地壳变形特征.反演结果表明,震前龙门山断裂中北段处于完全闭锁状态,闭锁深度达到21 km(闭锁比例0.99)左右,垂直断层方向的挤压滑动亏损速率约为2.2 mm/a,平行断层方向的右旋滑动亏损速率约为4.6 mm/a.龙门山断裂南段只有地表以下12 km闭锁程度较高(闭锁比例0.99),垂直断层方向滑动亏损速率约为1.4 mm/a,平行断层方向滑动亏损速率约为4.6 mm/a;在12~16 km处闭锁比例约为0.83,垂直断层方向滑动亏损速率约为1.2 mm/a,平行断层方向滑动亏损速率约为3.8 mm/a;在16~21 km处闭锁比例约为0.75,垂直断层方向滑动亏损速率约为1.1 mm/a,平行断层方向滑动亏损速率约为3.5 mm/a.在21~24 km处整条断裂均逐步转变为蠕滑.上述反演结果与区域应变计算获得的龙门山断裂带中北段整体应变积累速率较低、南段应变积累速率较高相一致,均表明中北段闭锁程度高、南段闭锁程度稍低,该特征可以较好地解释汶川地震时从震中向北东向单向破裂现象.     

SOTEM数据一维OCCAM反演及其应用于三维模型的效果

本文基于垂直磁场分量研究了SOTEM数据的一维OCCAM反演方法,并将其应用于理论三维数据及野外实测数据的反演.对于大部分一维模型,OCCAM反演可取得较好的反演效果,且反演结果不依赖于偏移距;噪声对SOTEM数据的OCCAM反演具有较大影响,但当信号含噪水平不超过5%时,反演结果仍具有较好的准确性;若浅层存在较厚的低阻层,OCCAM反演结果对下部地层的分辨能力下降,仅能获得具有平均效应的电阻率.将一维算法应用于SOTEM三维数据的反演,会产生较大的误差,尤其是在异常体边缘地带影响最为严重.该影响程度与异常体和背景电阻率之间的差异有关,对于大多数电性近似呈连续变化的真实大地而言,一维OCCAM反演算法仍可获得较好的效果.最后通过陕西某煤田深部富水性调查的实测SOTEM数据反演验证了本文的研究成果.     

基于混沌-粒子群优化的磁法数据非线性反演方法

磁法反演属于非线性最优化问题,具有多变量、目标函数多极值、反演多解性等特点,因此,需要稳定的和高效的优化反演算法.粒子群优化已开始被用于地球物理反演计算,但是对于高维数、多峰值函数,粒子群的收敛精度不高,容易陷入局部极值.如果将混沌局部搜索和粒子群优化的优势相结合,通过将种群搜索过程对应为混沌轨道的遍历过程,可使标准粒子群优化的搜索过程具有避免陷入局部极小的能力.本文利用混沌-粒子群优化用于磁法反演计算.数据试验结果表明,该方法可以用于磁法数据的地球物理非线性反演,并且在一定程度上优于标准粒子群优化方法.     

一种并行的大地电磁场非线性共轭梯度三维反演方法

本文改进并验证了大地电磁测深数据的三维反演算法和并行计算程序,程序对计算机物理内存和CPU速度及数量要求较低,使普通家用机进行三维反演计算成为可能.本文在Newman和Alumbaugh(2000)提出的三维非线性共轭梯度算法和Rodi和Mackie(2001)给出的大地电磁场二维NLCG反演预处理方法的基础上实现了大地电磁场NLCG三维反演算法,改进了的预处理方法,将反演计算对初始模型的依赖性降到最低,并且通过理论模型验证了程序的正确性,并根据日本KAYABE地区实测数据的反演结果验证了算法的实用性.     

基于粒子群算法的页岩孔隙结构反演及横波速度预测

提出了基于粒子群算法的页岩孔隙纵横比反演以及横波速度预测的方法.基于岩石物理模型,建立岩石纵、横波速度与密度、孔隙度和矿物组分等参数之间的定量关系,利用传统遍历搜索方法和粒子群算法两种方法计算最佳孔隙纵横比,使理论纵波速度与实际纵波速度的误差最小,并以孔隙纵横比作为约束进行横波速度预测,将预测结果与实测横波速度对比,验证了粒子群算法的有效性和精确性.反演结果表明页岩部分的孔隙结构比围岩部分的孔隙结构更加的稳定,利用粒子群算法的预测结果比利用传统算法的预测结果更加准确.     

基于改进粒子群算法的地震标量波方程反演

针对标准粒子群优化(PSO)算法存在易出现早熟而陷入局部最优以及进化后期收敛速度慢等缺陷,通过考虑粒子所处位置间相互作用,提出了一种改进的并行粒子群优化算法.由于引入粒子位置间的相互影响,减少了粒子搜索过程盲目性,因此能有效提高算法的收敛速度.数值试验表明,这种改进的粒子群算法适用于二维标量波方程的速度反演,且算法具有...     

基于粒子群算法的瑞雷波频散曲线反演研究

瑞雷波频散曲线反演的本质是对目标函数求极值的过程.传统的线性局部反演算法容易陷入局部极小值,增加了反演结果的不确定性.粒子群算法作为一种全局非线性优化手段,能够保证各搜索空间内局部寻优的同时,逼近全局最优,保证迭代反演的收敛性.建立含软夹层型地层模型,正演计算得到理论频散曲线,采用粒子群算法反演得到的横波速度与模型高度吻合.同时,在理论频散曲线中加入10%的高斯白噪声,粒子群算法的反演结果仍然具有很好的可靠程度.通过对实测频散曲线的反演表明:粒子群算法在含软夹层型地层的横波速度探测中相对于最小二乘法优势明显,具有很高的应用价值.     

粒子群-梯度算法在频率域地震波形反演中的应用

本文将优化领域应用较广的全局随机非线性粒子群算法与局部迭代梯度法相结合,构造了一种粒子群-梯度算法,并将其应用于频率域波形速度结构反演.数值实验结果表明,粒子群-梯度算法能继承梯度法快速收敛和粒子群法全局寻优的特点,适用于频率域波形反演问题,算法具有一定的抗噪能力,无论在计算精度还是在降低解的非唯一性方面,都有较明显的改善.