基于交叉梯度耦合的大地电磁与地震走时资料三维联合反演

为了有效解决目前大地电磁和地震走时资料单方法反演结果一致性不好的问题,同时克服基于岩石不同物性参数间关系耦合约束联合反演的局限性,本文研究了基于交叉梯度耦合约束的大地电磁与地震走时资料的三维联合反演算法.以较为成熟的天然地震走时资料三维正反演和大地电磁三维正反演算法为基础,实现了具有共同的反演网格,以交叉梯度结构耦合约束,并能同时获得电阻率和速度模型的三维联合反演算法.分别利用单棱柱体模型和双棱柱体模型合成数据进行了联合反演试算.结果表明:无论是单棱柱体模型还是双棱柱体模型,联合反演结果比单独反演对异常体的空间形态都有更好的恢复,其中单棱柱体模型反演的异常体电阻率更接近于真实电阻率,双棱柱体模型的联合反演结果不仅消除了围岩的部分电阻率假异常,而且增强了对异常体深部速度结构特征的恢复程度.联合反演还能同时改善电阻率和速度反向变化异常体的单独反演结果,进一步证明交叉梯度耦合不依赖于岩石物性关系,而强调地下结构的相似性,具有更普遍的适用性.     

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.     

基于交叉梯度约束的重力、磁法和大地电磁三维联合反演

为了降低单一地球物理方法反演的多解性及受噪声的影响程度,本文围绕重力、磁法和大地电磁法开展了三维联合反演的研究.重、磁采用基于对数障碍法的正则化反演算法,大地电磁使用limited-memory BroydenFletcher-Goldfarb-Shanno(L-BFGS)反演算法,引入交叉梯度函数实现了三种物性结构的相互耦合,最终开发出一套重磁电三维联合反演算法,并实现MPI并行加速计算.通过理论模型算例验证了算法的准确性,结果表明:不论是单棱柱体模型还是组合棱柱体模型,联合反演结果相较单独反演对于异常体的空间形态刻画以及物性数值恢复具有较好的提升;单棱柱体模型算例使得异常体的物性参数(密度、磁化率和电阻率)更加接近于真实的物性参数;组合棱柱体模型的联合反演结果不仅仅消除了围岩物性参数的假异常,而且还增强了异常体边界结构的恢复程度.     

基于印模法的地面磁电阻率数据三维非线性共轭梯度反演

本文提出了能提高异常体分辨能力,同时得到绝对电导率的地面磁电阻率数据三维反演方法.磁电阻率响应用准直流的低频磁场代替;数值模拟由频率域电场满足的Helmholtz方程出发,采用三维交错网格有限差分法;长直导线源作为发射源,其中源的计算包含在背景场中;结合地面磁电阻率数据各分量的特点,选择y分量进行反演研究;反演采用三维非线性共轭梯度反演技术,为了提高异常体的深度分辨能力,进行迭代重构反演;用印模法对初始模型进行重构,采用的是辅模型在浅部,元模型在深部的组合方式.从合成数据和实际数据的反演结果可以得到以下的认识:(1)由频率域麦克斯韦方程组出发,低频磁场数据反演可以直接得到电导率,而不是相对电导率之比;(2)采用印模法组合初始模型,进行迭代重构反演,可以提高地面磁电阻率数据反演对异常体的分辨能力,确定埋深位置,同时不会丧失对于浅部异常体的分辨能力;(3)在结合印模法的地面磁电阻率数据三维反演中,深部异常体的分辨能力受地表不均匀导电体影响较小;(4)确定印模深度可以采用上一次重构反演结束时的模型变化量,通过相邻两次重构反演结束时的模型变化量之差来确定迭代重构是否终止.因为静磁场与重力场在数学上的相似性,本文的反演方法可以被运用到重力场等位场的地面数据的反演中.     

基于MPI并行算法的电阻率法多种装置数据的三维联合反演

由于地表电阻率法受到浅地表局部异常体的干扰,反演精度受到影响,井中装置数据资料参与反演虽然可以减小浅地表局部异常体的干扰,但是由于钻井位置的局限性,数据量得不到保障,也会导致反演精度降低.为此,本文开发了一套结合地表、地-井、井-地和井-井装置数据的三维联合反演算法.首先,利用有限差分法实现正演模拟,采用非线性共轭梯度法（NLCG）恢复电阻率结构;其次,调用Message Passing Interface（MPI）函数库加速正演模拟和灵敏度矩阵运算,当开辟12个进程时,反演程序获得最大加速比4.51;最后,通过合成数据和实测数据算例证明该反演算法的有效性,也证实了多种装置组合数据体反演结果明显优于单一地表装置数据体反演结果.     

基于FCM聚类约束的直流电阻率法与地震走时成像法二维联合反演

通过引入模糊均值聚类(FCM)模型约束函数对电阻率与速度进行约束,开展二维直流电阻率法与地震初至波走时成像法联合反演研究.在地下浅层结构勘探中,通常低电阻率的地质体具有低速特征,较高电阻率的地质体表现为较高的地震波速度.直流电阻率法因为低电阻率区域吸引电流而对其敏感,地震走时成像法因为射线集中在高波速区而对高速体敏感,因此,两者联合成像能够大幅度提高反演效果.合成数据反演表明,直流电阻率法和地震初至波走时联合反演对于两类地质体的分辨能力均有提升,能够优势互补.尤其是引入FCM模型约束进行联合反演,根据已知物性进行监督学习,进一步提高了反演质量,改善了成像模型的分辨率.     

基于VTI各向异性介质的频率域海洋可控源电磁三维约束反演

近年来,海洋可控源电磁法(MCSEM)被引入油气勘探领域以降低勘探风险.在海洋环境中,受沉积因素所造成的电阻率各向异性的影响,地电模型往往会非常复杂.为更好地反映地下电性结构,本文实现了基于VTI各向异性介质的频率域海洋可控源电磁三维反演.其中,正演采用基于Yee氏交错网格的三维有限差分算法,所形成的离散线性系统通过大规模并行矩阵直接求解器(MUMPS)进行求解.反演采用基于不等式约束的有限内存BFGS(L-BFGS)算法.最后,利用VTI各向异性介质合成数据,分别进行了电阻率各向异性覆盖层和电阻率各向异性高阻层的三维反演,结果表明:(1)基于并行直接法的MCSEM非常适用于海洋电磁所特有的多场源问题;(2)针对各向异性覆盖层模型进行三维各向异性约束反演,提高了解的可靠性;(3)针对电阻率各向异性高阻层,Inline和broadside数据覆盖的反演结果对异常体位置有很好的反映.     

采空区地震与电法探测数据的联合反演研究及应用

综合地球物理技术在采空区的探测中发挥了重要作用.目前通常采用单方法反演、仅对不同方法反演结果进行对比解释的综合勘探方式,单方法反演的多解性严重降低了其探测精度.如何提高采空区的探测精度,对采空区进行有效探测一直被认为是地球物理技术面临的首要难题.为了提高地震与电法技术的探测精度,基于交叉梯度联合反演理论,设计了地震初至折射走时数据和高密度电法数据的联合反演算法流程,对采空区理论模型和野外实际数据进行了联合反演处理.结果发现通过两者的联合反演,不仅可以提高采空区电阻率反演模型的成像效果,而且能够获得地震单方法反演难以成像的采空区低速异常体,从而提高了地震与电法技术对采空区的探测精度.表明地震与电法探测数据联合反演是一种提高采空区探测精度的有效方法.     

三维高密度电阻率E SCAN法有限元模拟异常特征研究

工程电法勘探中，常需要探测埋深不大、规模较小、分布复杂的目标体，对探测方法的精度要求较高.由于三维高密度电阻率法数据采集密度大，可对目标体进行多方位观测，是目前工程探测中常用的方法之一.本文对三维高密度电阻率E SCAN法的视电阻率异常特征进行研究.设计几种典型地质体模型，利用有限单元法进行正演计算，并分析其异常特征和分布规律.算例结果表明，E SCAN法对低阻体的分辨能力强于高阻体.无需对所有电极进行扫描供电观测，即可分辨地质体电性特征及水平位置，但观测结果难以分辨地质体纵向延伸.     

三维高密度电阻率ESCAN法有限元模拟异常特征研究

工程电法勘探中，常需要探测埋深不大、规模较小、分布复杂的目标体，对探测方法的精度要求较高.由于三维高密度电阻率法数据采集密度大，可对目标体进行多方位观测，是目前工程探测中常用的方法之一.本文对三维高密度电阻率ESCAN法的视电阻率异常特征进行研究.设计几种典型地质体模型，利用有限单元法进行正演计算，并分析其异常特征和分布规律.算例结果表明，ESCAN法对低阻体的分辨能力强于高阻体.无需对所有电极进行扫描供电观测，即可分辨地质体电性特征及水平位置，但观测结果难以分辨地质体纵向延伸.     

基于交叉梯度交替结构约束的二维地震走时与全通道直流电阻率联合反演

在利用不同的地球物理勘探方法对地下复杂介质成像时,因观测系统的非完备性及数据本身对某些岩石物性的不敏感性,单独成像的结果存在较大的不确定性和不一致性.对于地震体波走时成像与直流电阻率成像,均面临着成像阴影区问题.对于地震走时成像,地震射线对低速区域覆盖较差形成阴影区,造成低速区域分辨率降低.对于电阻率成像,电场线在高阻区域分布较少,造成高阻区域分辨率较低.为了提高地下介质成像的精度,Gallado和Meju(2003)提出了基于交叉梯度结构约束的联合地球物理成像方法.在要求不同的物性模型拟合各自对应的数据同时,模型之间的结构要求一致,即交叉梯度趋于零.为了更有效地实现基于交叉梯度的结构约束,我们提出了一种新的交替结构约束的联合反演流程,即交替反演不同的数据而且在反演一种数据时要求对应的模型与另一个模型结构一致.新的算法能够更容易地把单独的反演系统耦合在一起,而且也更容易建立结构约束和数据拟合之间的平衡.基于新的联合反演流程,我们测试了基于交叉梯度结构约束的二维跨孔地震走时和直流电阻率联合成像.合成数据测试表明,我们提出的交替结构约束流程能够很好地实现基于交叉梯度结构约束的联合成像.与单独成像结果相比,地震走时和全通道电阻率联合成像更可靠地确定了速度和电阻率异常.     

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.     

基于频率-贝塞尔变换法的关东盆地S波速度成像

将一种新的方法——频率-贝塞尔变换法（F-Jmethod）应用于日本NIED在关东盆地布设的MeSO-net台网的背景噪声数据中,证明频率-贝塞尔变换法可以有效地从背景噪声中提取高阶频散曲线.利用提取的基阶和高阶频散曲线反演关东盆地区域的沉积层和地震基岩层的S波速度结构,并将我们反演得到的S波速度结构与Koketsu等提出的日本综合速度结构模型进行对比讨论.我们的例子证明,在基阶面波的基础上,高阶面波能减少在反演中的非唯一性,得到更为准确的S波速度结构.     

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.     

基于牛顿迭代法和遗传算法的CSAMT近场校正

由于可控源音频大地电磁法（CSAMT）采用人工场源在大大增加信号强度的同时也带来了在近区产生非平面波效应的问题,其表现特征为在双对数坐标中卡尼亚电阻率曲线呈45°上升,即所谓的近场效应.本文首先提出了基于牛顿迭代法求解视电阻率方程的近场效应校正方法,通过对二层、三层理论模型试算验证了该方法的有效性;为进一步增强对噪声的压制能力,本文进一步引入了遗传反演的思想,将全频段误差最小作为目标函数,采用自适应正则化方法引入模型参数梯度最小作为稳定因子,由遗传算法求解得到校正后视电阻率,通过对理论模拟数据加随机噪声的校正结果,表明该方法在实现近场校正的同时能剔除噪声干扰,得到的结果与理论模拟曲线吻合度较高.通过对内蒙古曹四夭钼矿区实测CSAMT数据处理结果表明,牛顿法和遗传算法均能明显校正CSAMT因近场效应引起的假高阻异常,能更好地反映地电结构特征.     

基于伴随方法的线性台阵背景噪声面波和远震体波联合成像研究

伴随层析成像（Adjoint Tomography）通过求解全波方程来准确模拟地震波在复杂介质中的传播,并利用波形信息来反演地下结构,是新一代的高分辨率成像方法.其中3-D伴随层析成像需要庞大的计算资源,而2-D反演相对更具计算效率.面波和远震体波是研究地壳上地幔速度结构的重要方法,它们对S波速度及Moho面的敏感度不同,通过联合反演,可以得到更为准确的S波速度结构及Moho面.通过两种数据的高度互补性,本文提出基于伴随方法的线性台阵背景噪声面波和远震体波联合成像方法,同时约束台阵下方S波速度结构及Moho面形态.我们将该方法应用到符合华北克拉通岩石圈典型结构特征的理论模型上,测试结果表明联合反演方法优势明显,相比于面波伴随层析成像,能获得更高分辨率的S波速度结构,同时能精准约束Moho面形态.相比于体波伴随层析成像,联合反演能有效压制高频假象,降低波形反演过程中的非线性化程度.本研究有望提供一种更为高效精准的线性台阵成像方法,搭建联合伴随层析成像理论框架,提升岩石圈成像分辨率,并为后续其他类型波形数据的引入提供思路和方法.     

电阻率和速度随机分布的MT与地震联合反演

在已有研究成果的基础上,为了适应物性参数剧烈变化的复杂模型并满足联合反演的要求,开发了速度和电阻率随机分布共网格单元模型的建模技术.基于这种统一的物性随机分布的网格介质模型,利用有限元方法和改进的射线追踪法分别正演计算大地电磁场和地震走时,结合改进的模拟退火算法,研究实现了电阻率和速度随机分布条件下的大地电磁与地震资料的同步联合反演.对物性界面不完全一致和物性变化剧烈的带地形复杂模型的试验,表明了该方法在精细反演复杂电阻率和速度结构方面的效果,克服了以往研究局限于简单模型的不足.对地震资料品质差的地区开展的实际资料联合反演,表明了方法的适用性,先验信息约束下的联合反演提高了反演精度.     

Two-dimensional data-space joint inversion of magnetotelluric,gravity, magnetic and seismic data with cross-gradient constraints

In recent years, joint inversion has been widely used for integrated geological interpretation. We extended a data-space joint inversion algorithm of magnetotelluric, gravity and magnetic data to include first-arrival seismic travel-time and normalized cross-gradient constraints. We describe the main features of the algorithm and apply it to synthetic data generated for hypothetical models. For the synthetic data, we find that the joint inversion with multiple parameters is superior to the joint inversion with two or even three parameters, which can reduce the multisolution of inversion results more effectively. Furthermore, data-space joint inversion involves fewer memory requirements and better calculation speeds than traditional model-space joint inversion. The normalized cross-gradient constraints can better couple model parameters of different magnitudes compared with traditional unnormalized cross-gradient constraints, resulting in higher levels of structural similarity among resistivity, density, magnetic susceptibility and velocity models.