Vinton dome地区全张量重力异常的解释

Vinton dome地区位于美国墨西哥湾,发育着大量的盐丘构造,为油气的储藏创造了有利条件.地震勘探结果在盐丘区域存在一定的发散从而难以准确地确定盐丘的准确范围,难以为钻探工作提供可靠的信息.为了获得准确的盐丘形态,现今大多采用重力与地震数据的联合解释.重力梯度异常相对原始重力异常具有更高的分辨率,Bell Geospace公司于2011-2012年在Vinton地区进行了全张量重力测量.本文推导出重力张量异常进行界面正反演的公式,并通过理论模型试验证明了重力与张量异常联合反演可有有效地提高反演结果的准确性.根据先前地震结果利用实测重力张量异常反演获得了Vinton dome地区盐丘界面的变化,此外还利用密度反演方法圈定出盐丘的具体分布,结果显示两种方法所获得的盐丘顶面位置相一致,从而为下一步的钻探工作提供了有力的保障.     

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.     

储层重力密度反演后验约束正则化方法

本文针对蒸汽辅助重力泄油(SAGD)生产中开发监测问题,发展了综合应用地震及重力数据反演储层密度的联合反演算法.通过测井数据建立纵波阻抗与密度的直接关系,并推导出这种关系下重力与纵波阻抗数据联合反演的计算方法,从而计算出蒸汽腔体密度分布规律.文中应用密度反演后验约束正则化方法,采用Tikhonov正则化模型,通过波阻抗数据作为约束进行联合反演,在算法上提高了稳定性,同时得到较高的反演精度.文中对SAGD生产中的理论模型进行了方法试算,并分析了算法的误差,最终应用于SAGD生产的实际数据中,通过最终反演结果分析,该方法取得了很好的应用效果.     

利用Extrapolation Tikhonov正则化算法进行重力梯度三维密度反演（英文）

本文利用Extrapolation Tikhonov正则化算法处理重力梯度数据三维密度反演的线性不适定问题。与Tikhonov正则化方法相比,Extrapolation Tikhonov正则化方法减小了因正则化参数的引入而带来的反演结果误差,提高了预测数据与观测数据之间的拟合精度。同时为了消除位场数据反演时位置函数快速衰减对反演结果的影响,本文提出了基于重力梯度全张量特征向量法的深度加权函数,模型试验证明了该深度加权函数能有效识别异常体密度分布特征。对澳大利亚Kauring地区实测重力梯度数据进行反演,并和已有研究成果对比分析。结果表明该反演方法能够较好的获取地下异常体的密度分布信息。     

基于主成分-正则化极限学习机的超高密度电法非线性反演

超高密度电法是一种新的地球物理探测技术,它通过多通道数据采集和多装置数据联合反演,极大地提高了电法勘探的成像精度.本文提出一种主成分-正则化极限学习机(PC-RELM)非线性反演方法,该方法针对超高密度电法所获取的高维勘探数据进行反演建模,通过随机设定隐层参数来简化模型的学习过程,通过主成分分析方法来进行高维数据降维,最后引入正则化因子提高反演模型的泛化能力.论文给出了超高密度电法的原理、样本构造方法和非线性反演流程,使用交叉验证方法获得了优化的隐节点数目和正则化参数,构造了优化的反演模型.通过两个经典的超高密度模型的反演结果表明,该方法能够较好地解决超高密度电法反演的高维数据非线性建模问题,能够弥补单一装置数据反演的不足,同时相较其他的非线性反演方法(ELM,BPNN和GRNN)具有更加准确的反演结果.     

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.     

基于Extrapolation Tikhonov正则化算法的重力数据三维约束反演

通过研究重力数据三维反演解的病态性,利用基于拉格朗日插值方法的Extrapolation Tikhonov正则化方法来解决反演中解的不唯一性和不稳定性问题,该方法最大限度的减少了因正则化参数的引入而在反演结果中介入的误差,同时详细讨论了基于三种选择原则的正则化双参数的具体选择方法,模型试算结果表明,与原Tikhonov方法相比,该方法提高了反演的拟合精度.其次,为了消除核函数随深度增加而快速衰减对反演结果的影响,本文改进了前人的重力数据三维反演深度加权函数,改进后的加权函数与原函数相比能更好的识别异常体底部密度分布特征,对于埋深较深的异常体具有较好的识别效果,更好的解决了由近地面趋肤效应作用引起的密度分布不均的问题.同时,利用上下限约束函数限制每一个立方体的密度差范围,并应用于多组人工合成模型.结果表明:该反演方法能准确地获得正演模型的预设参数范围和位置.     

重震联合反演方法及其应用进展

地球物理反演是探索地下结构的最佳途径之一.地震波可以穿透到地球深部进行直接采样,是探测地球深部的主要方法.重力是结构体密度分布与地表观测点之间距离的体积积分效应,重力异常随着源深度的增加衰减很快,其对浅部结构的灵敏度明显优于地震数据.地震和重力联合反演能够相互补充和约束,提高空间分辨率,使反演结果更加稳定可靠.本文首先介绍了联系地震和重力数据的速度-密度经验关系,随后分别介绍了重震联合反演的3种常用方法—顺序反演、同步反演和交叉梯度反演,简要阐述了各种方法在国内外的应用情况.分析认为顺序反演将两类数据分开独立进行计算,原理简单,易于操作实现.但是该方法依赖于先验模型和速度-密度经验关系,可能存在分辨率较低区域(如模型边界)的误差放大效应.同步反演采用将地震和重力数据放在同一方程组中同时反演的策略,减弱了单一数据先验模型对结果的影响,但两种数据的同时运用势必引入数据权重分配问题.交叉梯度寻求不同物理参数模型在结构上的相似性,对潜在的岩石物性关系做了最少的假设,一定程度上降低了反演的非唯一性,但强制性地匹配模型的结构不一定完全符合地下介质的物性分布.因此使用交叉梯度方法反演时应注意模型的推导需要遵循客观标准,以控制模型的结构相似性和数据拟合度.最后指出重震联合反演中的速度-密度经验关系和数据的权重分配仍是值得探究的问题.     

二维波动方程速度的正则化-同伦-测井约束反演

针对二维波动方程反问题,将大范围收敛的同伦方法引入速度参数的反演过程中,并将其与求解不适定问题的Tikhonov正则化有机结合,提出了一种新的、特别适用于非线性的、不适定的、多极值的地震勘探反演问题的反演策略：正则化－同伦方法. 为了充分利用测井资料和地震资料的互补特征,进一步提高反演分辨率并压制噪声,设计了正则化-同伦－测井约束联合反演方法. 大量数值试验结果表明了这两种方法的有效性.     

三维多层介质重力-地震同步联合反演

联合反演是地球物理勘探的重要解释手段,能够提高模型参数的反演精度.本文在归纳和分析重力与地震资料联合反演的研究和应用现状的基础上,利用三维多层介质模型的地震走时和重力正演公式,推导了地震走时和重力异常对界面深度的雅可比矩阵,实现了三维重力-地震同步联合反演界面成像.最后进行了数值理论模型模拟和实例计算,结果表明地震走时和重力同步联合反演很好的重建了三维多层介质界面.     

基于数据空间和稀疏约束的三维重力和重力梯度数据联合反演

随着重力和重力梯度测量技术的日趋成熟,基于重力和重力梯度数据的反演技术得到了广泛关注.针对反演多解性严重、计算效率低和内存消耗大等难点问题,本文开展了三维重力和重力梯度数据的联合反演研究,该方法结合重力和重力梯度两种数据,将L0范数正则化项加入到目标函数中,并在数据空间下采用改进的共轭梯度算法求解反演最优化问题.同时,本文摒弃了依赖先验信息的深度加权函数,引入了自适应模型积分灵敏度矩阵,用来克服因重力和重力梯度数据核函数随深度增加而衰减引起的趋肤效应问题.为了提高反演计算效率,本文又推导出基于规则网格化的重力和重力梯度快速正演计算方法.模拟试算表明,改进的共轭梯度法可以降低反演的迭代次数,提高反演的收敛速度;自适应模型积分灵敏度矩阵,可以有效解决趋肤效应,提高反演纵向分辨能力;数据空间和改进的共轭梯度算法结合,可以更好地降低反演求解方程的维度,避免存储灵敏度矩阵,有效地降低反演计算时间和内存消耗量.野外实例表明,该算法可以在普通计算机下快速地获得地下密度分布模型,表现出较强的稳定性和适用性.     

贝叶斯同化重力反演方法构建龙门山地壳密度模型

重力异常对地壳横向密度变化敏感,而无约束重力反演得到的密度模型其垂向分辨能力往往不理想.为了改善反演结果的垂向分辨率,本文参考已有先验分层模型,基于贝叶斯原理,提出了一种重震联合反演的新策略,可实现多种参考模型和复杂加权参数条件下的最大后验概率估计.理论模型测试结果表明,对于深度加权、多参考模型约束等多种问题,本文提出的新方法都可以稳健地获得最优化的模型参数.本文同时以中国地震科学台阵在龙门山地区及周边的一维接收函数分层模型和地震层析成像结果为参考,通过此方法对该区的重力异常进行反演,获得了该区的高精度三维密度结构,其水平分辨率优于10 km,垂直分辨率优于5 km.结合四条通过汶川和芦山地震震中的剖面进行分析后发现,反演得到的密度结构模型在过强震震源区位置横向变形显著,其揭示的分层地壳结构和变形模式与地表已知断裂构造具有相关性.本文提出的重震联合反演新策略,可为研究潜在强震风险源区的地壳结构和物性特征提供有效的科技方法支撑.     

给定观测精度下的点(线)源模型重力与磁力垂向识别能力研究

重、磁勘探具有效率高、成本低、工作范围广等优点,已在地球物理勘探中得到了广泛应用.前人大多在不考虑重、磁勘探观测精度的条件下进行了垂向识别能力的研究,但在考虑重、磁观测精度条件下,重力（重力异常、重力张量）与磁力（磁力异常、磁力三分量、磁力张量）对孤立异常的垂向识别能力如何则需要进行深入的理论研究.本文从重、磁场正演理论出发,以球体（点源模型）和无限延伸水平圆柱体（线源模型）为例,考虑给定观测精度条件下,以重力和磁力幅值大小与观测精度的关系来研究垂向识别能力,从而消除了背景场的影响,提高了研究结果的可靠度.通过研究表明,对于孤立异常,重力张量在浅部一定深度内比重力异常的垂向识别能力强,该深度与重力异常和重力张量观测精度的比值成正比;垂直磁化磁力张量在浅部一定深度内比化极磁力异常的垂向识别能力强,该深度与磁力异常与磁力张量观测精度的比值成正比;磁力在浅部一定深度内比重力的垂向识别能力强,该深度与地质体的磁化强度和剩余密度比值、重力观测精度和磁力观测精度比值成正比.通过重力和磁力垂向识别能力的研究将为重、磁勘探的实际应用起到指导作用.     

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.     

THE DEPTH OF MOHO INTERFACE AND CRUSTAL THICKNESS IN SICHUAN-YUNNAN REGION,CHINA

By using moving average method to separate Bouguer gravity anomaly field in Sichuan-Yunnan region, we got the low-frequency Bouguer gravity anomaly field which reflects the undulating of Moho interface. The initial model is obtained after seismic model transformation and elevation correction. Then, we used Parker method to invert the low-frequency Bouguer gravity anomaly field to obtain the depth of Moho interface and crustal thickness in the area. The results show that the Qinghai-Tibet block in the northwest of the study area deepens and thickens from the edge to the interior, with the depth of Moho interface and the crust thickness of about 52~62km and 54~66km, respectively. The depth of Moho interface in Sichuan Basin is about 38~42km. In Sichuan-Yunnan block, the depth of Moho interface is about 42~62km from southeast to northwest. Beneath the West Yunnan block, west of the Red River fault zone, the Moho depth is about 34~52km from south to north. The Longmen Mountains and Red River fault zone are the gradient zone of the Moho depth change. Along the Red River fault zone, the depth difference of Moho interface is increasing gradually from north to south. No obvious uplift is found on the Moho interface of Panzhihua rift valley. The depth of Moho interface distribution in Sichuan and Yunnan is obviously restricted by the collision between the Indian plate and the Eurasian plate and the lateral subduction of the Indo-China peninsula. The mean square error of the depth of Moho interface is less than 1.7km between the result of divisional density interface inversion and artificial seismic exploration. At the same time, we compared the integral with divisional inversion result. It shows that:in areas where there is obvious difference between the crust velocity and density structure in different tectonic blocks, the use of high resolution seismic exploration data as the constraints to the divisional density interface inversion can effectively improve the reliability of inversion results.     

Inversion of surface gravity data for 3-D density modeling of geologic structures using total variation regularization

We develop an inversion procedure using the total variation (TV) regularization method as a stabilizing function to invert surface gravity data to retrieve 3-D density models of geologic structures with sharp boundaries. The developed inversion procedure combines several effective algorithms to solve the TV regularized problem. First, a matrix form of the gradient vector is designed using the Kronecker product to numerically approximate the 3-D TV function. The piecewise polynomial truncated singular value decomposition (PP-TSVD) algorithm is then used to solve the TV regularized inverse problem. To obtain a density model with depth resolution, we use a sensitivity-based depth weighting function. Finally, we apply the Genetic Algorithm (GA) to select the best combination of the PP-TSVD algorithm and the depth weighting function parameters. 3-D simulations conducted with synthetic data show that this approach produces sub-surface images in which the structures are well separated in terms of sharp boundaries, without the need of a priori detailed density model. The method applied to a real dataset from a micro-gravimetry survey of Gotvand Dam, southwestern Iran, clearly delineates subsurface cavities starting from a depth of 40 m within the area of the dam reservoir.     

改进的约束变密度界面反演策略及其应用

计算密度分界面的起伏变化在区域地质构造研究和石油矿产资源勘探中具有重要意义.已有密度界面反演方法更多侧重约束变密度界面反演算法,而对约束信息的准确性、研究区横向密度变化往往考虑不足,影响了最终反演结果的可信度.本文在变密度界面正反演算法基础之上,结合实际需求,提出已知深度信息约束下的变密度界面反演策略.该策略主要包括变密度约束反演算法、已知深度约束信息校验和分区变密度模型三个方面.其中反演算法提供了带已知深度约束信息的密度界面迭代反演方法;约束信息校验用于评估约束信息精度,通过调差降低约束信息的系统误差;在反演过程中引入水平密度分区以应对不同构造背景密度界面模型,提高反演结果的可信度.最后将本策略应用于南海莫霍面深度反演计算中,结果显示借助已知约束信息,利用分区密度模型能够获得更为可信的深度反演结果,验证了该策略的正确性.     

Parameter optimization of gravity density inversion based on correlation searching and the golden section algorithm

For density inversion of gravity anomaly data, once the inversion method is determined, the main factors affecting the inversion result are the inversion parameters and subdivision scheme. A set of reasonable inversion parameters and subdivision scheme can, not only improve the inversion process efficiency, but also ensure inversion result accuracy. The gravity inversion method based on correlation searching and the golden section algorithm is an effective potential field inversion method. It can be used to invert 2D and 3D physical properties with potential data observed on flat or rough surfaces. In this paper, we introduce in detail the density inversion principles based on correlation searching and the golden section algorithm. Considering that the gold section algorithm is not globally optimized, we present a heuristic method to ensure the inversion result is globally optimized. With a series of model tests, we systematically compare and analyze the inversion result efficiency and accuracy with different parameters. Based on the model test results, we conclude the selection principles for each inversion parameter with which the inversion accuracy can be obviously improved.     

Two-dimensional joint inversion of radiomagnetotelluric and direct current resistivity data

An algorithm for the two-dimensional (2D) joint inversion of radiomagnetotelluric and direct current resistivity data was developed. This algorithm can be used for the 2D inversion of apparent resistivity data sets collected by multi-electrode direct current resistivity systems for various classical electrode arrays (Wenner, Schlumberger, dipole-diplole, pole-dipole) and radiomagnetotelluric measurements jointly. We use a finite difference technique to solve the Helmoltz and Poisson equations for radiomagnetotelluric and direct current resistivity methods respectively. A regularized inversion with a smoothness constrained stabilizer was employed to invert both data sets. The radiomagnetotelluric method is not particularly sensitive when attempting to resolve near-surface resistivity blocks because it uses a limited range of frequencies. On the other hand, the direct current resistivity method can resolve these near-surface blocks with relatively greater accuracy. Initially, individual and joint inversions of synthetic radiomagnetotelluric and direct current resistivity data were compared and we demonstrated that the joint inversion result based on this synthetic data simulates the real model more accurately than the inversion results of each individual method. The developed 2D joint inversion algorithm was also applied on a field data set observed across an active fault located close to the city of Kerpen in Germany. The location and depth of this fault were successfully determined by the 2D joint inversion of the radiomagnetotelluric and direct current resistivity data. This inversion result from the field data further validated the synthetic data inversion results.     

重震反演中国东北地壳上地幔三维密度结构

本文利用重力和地震P波到时数据反演得到了中国东北地区地壳上地幔三维密度结构.与单一的重力或地震反演相比,重震反演一方面有效地克服了重力反演结果垂向分辨率低的问题,另一方面也提高了地震反演结果的可靠性.结果显示:中国东北地区的地壳及上地幔剩余密度异常分布与构造单元具有明显的相关性,造山带对应低密度异常,盆地对应高密度异常;区域内火山下方有明显的低密度体存在,可能是由于太平洋板块俯冲进入上地幔并部分滞留,在滞留板块深部脱水和软流圈热物质共同作用下产生了上涌岩浆,喷发后形成了火山.