大地电磁倾子资料的三维正演研究

在实际复杂的三维地电条件下,倾子作为大地电磁法的重要解释参数之一,其正演模拟和响应分析对提高大地电磁法的探测精度具有重要作用.本文在简要阐述大地电磁三维正演基本理论的基础上,利用交错网格有限差分法开展了大地电磁三维倾子正演模拟研究,首先正演模拟单个低、高阻两种地电模型的倾子响应,结果表明倾子资料能够较好反映地下异常体的空间分布;在此基础上,设计了含有两个低(高)阻异常体和低阻垂直断层的复杂组合模型并计算了其三维倾子响应,结果表明,倾子具有对复杂的地电结构良好的空间分辨率,且倾子响应既保留了模型中每单个异常体的倾子响应形态,又表现出了异常体之间相互作用的整体响应情况,进一步加深了对倾子的响应特征和规律、以及倾子资料对异常体边界的识别能力的认识,为倾子资料从定性解释向定量解释发展提供参考和依据.     

倾子对异常体的分辨能力及影响因素研究

倾子是大地电磁测深(MT)中的一个重要的参数,倾子矢量的振幅反映了电阻率在观测剖面上的横向变化,倾向角则表明了局部构造的走向.本文在二维地电模型当中,利用双二次插值有限元法计算出了倾子响应,通过大量的模型试验和计算定量分析了倾子的影响因素.通过与TM模式及TE模式视电阻率对比进一步证明了倾子能够很好的反映不均匀体的横向分布情况,利用倾子的这一特点将其应用于多个异常体边界的识别当中,取得了一定的效果.     

二维大地电磁资料频域逆散射反演

逆散射反演是由已知散射波场反演地下介质中散射体各参数了分布的方法，本文从这一思想出发，针对二维大地电磁资料，在BORN近似的前提下，提出了一种新的反地下电导率参数的方法，经模型试算与实际资料的反演验证正确，这一方法特别适于地下无强电性分界面的地区。     

2.5维可控源音频大地电磁法Occam反演理论及应用

Occam反演是一种正则化的光滑模型反演方法,它在寻找最小拟合差的同时追求最光滑模型.因地下介质的电性通常是连续变化的,Occam反演考虑了地下介质横向和纵向的光滑情况,应用Occam反演避免了模型电性参数被随意间断.通过建立层状和存在两个异常体的模型,利用2.5维可控源音频大地电磁有限元法作正演响应计算,对响应数据基...     

基于三维正演的音频大地电磁阻抗相位不变量校正技术

复杂地形、地质条件的大地电磁数据解释容易出现假象,采用三维正演技术模拟地形和地表不均匀体的背景响应,对实测数据阻抗相位不变量进行校正,实现更准确的定性分析;对三维异常体模型的合成数据进行一维、二维多参数反演试算,以确定地形剧变区选择反演技术的最佳方案.合成数据的试反演结果显示一维反演水平切片假异常较多,二维反演能压制测向假异常,但不能压制走向的假异常,水平切片多出现测向条带.使用本文提出的阻抗相位不变量校正法扣除地形、地表背景响应,结合一维、二维反演,能使实际资料解释成果更加可靠.     

三维大地电磁激电效应特征研究

在积分方程法的大地电磁三维正演模拟中引入Cole-Cole模型研究激电效应特征,对均匀半空间中存在极化体时的三维大地电磁测深响应进行了理论计算,分析了极化参数的影响规律.结果表明:激电效应使观测视电阻率值变低;地下高阻极化体比低阻极化体的激电效应强,特别是极化率大的高阻极化体对大地电磁响应影响大,使观测结果出现假异常.     

倾子资料特征分析研究

应用大地电磁测深法二维正演程序,对不同情况下存在横向电性分界面的模型进行了正演模拟计算,得到了磁场的垂直分量,并计算了倾子的实部、虚部、振幅和相位资料,然后分别对不同情况下理论模型所形成的异常特征和其规律进行了分析研究.研究表明,倾子资料对地下介质中存在的横向电性分界面反映明显,但其不同分量对横向电性分界面的反映特征和反映能力各不相同.通过对理论模型中倾子资料特征规律的分析和总结,为大地电磁法中实测倾子资料的定性分析解释提供了理论依据和指导.     

长白山天池火山区大地电磁测深初步观测

在长白山火山区沿着两条剖面进行了１５个测点的大地电磁测深观测，对地磁感应矢量和地下电性分布维数特征进行了分析，并使用阻抗张量分解和二维自动反演等新技术对资料进行了解释。结果表明，火山区及其周围地区的地下电性结构具有二维特征，但在火山口及其附近地下存在局部三维异常体，异常体埋深约１２ｋｍ，初步推测可能是火山岩浆囊     

时移音频大地电磁监测数值模拟研究

音频大地电磁法(Audio Magnetotelluric Method,简称AMT)是一种以天然电磁场作为场源的电磁探测方法,具有频率范围宽、成本低以及适合长时间监测等特点,使其在储层流体时移监测方面相对于其他有源电磁方法有一定的优势.针对沉积地区海水入侵以及CO_2地质封存动态监测等问题,通过数值模拟从理论上进行时移音频大地电磁方法响应特征的研究.为此,根据不同案例背景下监测目标体的结构特性建立相应的地电模型,采用TM极化模式下二维音频大地电磁的有限元正演和OCCAM反演开展时移监测模拟,分析两种不同案例中流体介质的响应特征及地下电阻率反演模型.另外以海水入侵为例,通过在响应数据中加入白噪声,对不同信噪比下的响应数据进行反演计算,对比不同信噪比下白噪声对时移监测效果的影响.模拟结果表明,时移音频大地电磁法从理论上可以有效反映出地下介质电性特征随时间的动态变化过程,也能够有效监测地下流体的扩散过程.     

倾子资料三维共轭梯度反演研究

在对倾子响应和共轭梯度算法深入分析的基础上,我们实现了倾子资料三维共轭梯度反演算法.基于倾子资料的三维共轭梯度反演研究,探讨了利用倾子资料进行三维反演定量解释的方法.通过对理论模型合成数据 进行反演试算,验证了所实现的倾子资料三维共轭梯度反演算法的有效性和稳定性.该反演算法可用于对大地电磁测深和地磁测深(地震地磁台站进...     

大地电磁相位张量和倾子的三维主轴各向异性反演

地壳和上地幔普遍存在的电性各向异性是大地电磁测深方法在实践应用中的关键和难点问题,而由近地表局部地电异常引起的电流型畸变可进一步加剧各向异性反演的多解性和不确定性.为压制电流型畸变影响,本文实现了一种利用大地电磁相位张量和倾子数据获取地下介质主轴电性各向异性结构的三维反演算法.该算法正演问题的求解采用交错采样有限差分法,反演问题的求解采用非线性共轭梯度法.理论模型测试表明,相位张量和倾子的三维各向异性反演不仅恢复了真实的各向异性异常分布特征,且压制了为拟合电流型畸变出现的假异常.由于相位张量和倾子数据不含幅值信息,先验模型选取对反演模型电阻率值的恢复效果影响较大,但初始模型的改变基本不影响反演结果.为进一步验证该算法的有效性,将其应用于USArray项目在美国西北部采集的109个长周期大地电磁实测数据.反演结果表明,相对于阻抗数据,相位张量和倾子数据的各向异性反演结果对浅层结构的刻画更为准确,与地表地质特征更为吻合.     

基于贝叶斯方法的二维大地电磁尖锐边界反演研究

针对常规大地电磁（Magnetotelluric，MT）反演方法对电阻率异常体边界不太敏感的问题，本文尝试基于贝叶斯理论开展二维大地电磁电阻率尖锐边界反演研究.在反演中，模型参数由边界位置及内部电阻率组成，通过贝叶斯理论将模型参数与数据相联系，采用Markov Chain Monte Carlo（MCMC）的Metropolis-Hastings（MH）方法对后验概率密度函数（Posteriori Probability Density，PDD）进行采样.采样过程中无罚值函数约束，完全以数据自身所包含的信息对模型进行约束，同时与有限约束进行比较，并考虑不同起始采样点对结果的影响.以接受率为参考，用模型算例说明MH方法中建议分布函数选择的重要性.当模型参数间相关性较弱时，使用边缘概率分布对采样结果进行分析.该方法能给出模型参数的分布范围，并给出该模型参数范围对应的数据范围.通过与已知模型的对比及数据拟合情况分析检验了该反演方法的有效性.该方法有助于提高大地电磁尖锐边界反演的分辨能力.     

大地电磁局部畸变异常特征三维数值模拟研究

局部畸变问题曾经困扰大地电磁资料反演解释几十年,大地电磁三维数值模拟技术的发展为剖析局部畸变特点和得到可靠的反演成像结果提供了技术基础。本文采用三维数值模拟成像方法对典型三维局部畸变模型进行模拟分析。三维数值模拟结果显示:电场分量垂直电性分界面的极化模式视电阻率曲线(对应二维情况下TM模式)在穿越低阻异常体界面时,曲线会先上移后下移,而在穿越高阻异常体界面时,曲线会先下移后上移,这与电性分界面处积累面电荷产生的二次电场有关。三维模型中XY模式、YX模式视电阻率和相位在三维异常体附近的水平变化是呈现近似垂向对称的,该现象与电场垂直跨越电性界面时视电阻率的变化规律是吻合的,当测线分别沿X方向和Y方向展布时,三维情况下的XY和YX模式分别对应二维情况下的TM模式。低阻小异常体对区域构造响应的畸变影响比高阻小异常体要严重。低阻小异常体对二维区域响应的两种极化模式视电阻率和相位都有非常明显的畸变影响,相比较而言对TE模式的畸变要大于TM模式,因此我们在做二维反演解释时,可优先考虑拟合TM模式数据。位于小异常体中心上方测点的三维畸变响应虽然与对应真实二维区域响应的差异比较大,但可以等效于某种二维模型响应,这种由局部畸变造成的假二维响应在实际野外数据的解释中是需要注意的。      

大地电磁测深法中静态效应及其反演

大地电磁测深法的观测结果常受静态效应的影响而畸变,易将静态效应推断为陡立的深大断裂或垂向大延深的异常体,因此,静态效应校正是大地电磁资料处理必不可少的环节.在全面了解国内外静校正研究现状的基础上,用有限元二维正演程序计算了均匀半空间、均匀层状介质及较复杂的地电模型的TE,TM模式响应,得出静态效应在不同地电模型中的响应特征.并将静位移作为一个反演参数直接参与反演,在反演过程中同时对表层局部不均匀体引起的静态位移作校正.结果表明静态效应直接反演法对静态效应的压制具有较好的效果.     

高密度电法数值模拟及其在寻找北京人头盖骨化石中的应用

为寻找埋藏在地下两米以内深度装有文物的木箱,采用高密度电阻率方法进行了探测.在完成三维正演与二维反演数值模拟的基础上进行了野外数据的反演解释工作,利用三维局部异常体的正演响应特征及二维反演结构与真实模型的对应关系,对实际的数据进行了认识解释,得到了目的层的异常体可能是地道而不是木箱的初步结论.实际表明,利用高密度电法来进行浅层的探测是可行的.     

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.     

大地电磁相位超象限现象的各向异性模型研究——以上下结构为例

大地电磁观测数据中的相位超象限现象可以由不同的电性结构产生.本文在已实现大地电磁三维任意各向异性有限差分正演的基础上,以具有上下结构关系的三维各向异性模型为例,分析各向异性体的规模以及参数变化对阻抗相位的影响.在下部各向异性体规模明显大于上部各向异性体或表现为层状特征的情况下,上部各向异性体在两个水平方向上的尺度差异较大,可以看作准二维体时容易发生相位超象限;当上部各向异性体在两个水平方向上尺度相近表现为规则三维体时,要产生相位超象限的现象则需要各向异性体具有更高的各向异性比.在同等条件下,增加各向异性体的各向异性比更容易发生相位超象限;而各向异性走向方位角的变化将直接影响到发生相位超象限的范围.对于准二维模型引起相位超象限的条件,沿用二维模型的近似解析分析方法,进一步构建了基于各向异性体的电导率、背景电导率以及各向异性走向角的相位超象限指标函数,从而更加直观地解释在二维或准二维条件下发生相位超象限现象的模型参数特征.     

大地电磁测深二维反演对“准二维”地质构造的适应性研究

受计算机硬件水平限制,大地电磁(MT)三维反演难以在实际中推广应用,MT数据解释仍以二维反演为主.地质构造具有一定的二维性特征,但不同的地质构造走向往往不同、MT测线无法与每个构造的走向垂直,这使得实际MT数据并不满足严格的二维反演条件.因此,有必要开展大地电磁测深二维反演对"准二维"地质构造的适应性研究.本文设计三个理论地电模型,通过三维正演计算获得各测点大地电磁响应,以此模拟实际观测数据.对MT数据进行相位张量分析,结果表明设计的地电模型主要表现为二维性特征.利用非线性共轭梯度(NLCG)反演算法对理论MT数据进行二维反演研究,重点讨论了测线方向、电性主轴旋转策略及反演模式选择,对反演结果的影响.对比分析反演结果,得到如下认识:1.测线方向对反演结果影响较小;2.电性主轴旋转角度对反演结果影响较大;3.TE+TM联合模式及单独TM模式的反演效果较好.研究结果表明:当一条测线下方在横向与纵向上存在走向不同的多个异常体时,对整条剖面分测点、分频段进行电性主轴旋转,反演所得结果最可靠.     

基于曲波变换的大地电磁二维稀疏正则化反演

为了提高二维大地电磁反演对异常体边界的刻画能力,我们引入曲波变换建立一种新的稀疏正则化反演方法.与传统的在空间域中对模型电阻率参数求解的方式不同,我们借助曲波变换将二维电阻率模型转换为曲波系数,并采用L1范数约束以保证系数的稀疏性.曲波变换是一种多尺度分析方法,其系数分为粗尺度系数和精细尺度系数,粗尺度的系数代表电阻率模型的整体概貌,而精细尺度中较大系数代表目标体的边缘细节.此外,曲波变换的窗函数满足各向异性尺度关系,并具有多方向性,因此曲波变换可以近似最佳地提取目标体的边缘特征信息,这为我们在反演中恢复边界提供有利条件.通过对大地电磁的理论模型合成数据和实测数据反演,验证了基于曲波变换稀疏正则化反演对异常体边界的刻画能力优于常规的L2范数和L1范数反演方法.     

基于遗传神经网络的大地电磁反演

为进一步提高大地电磁非线性反演的稳定性、运算效率及准确度，将遗传神经网络算法引入大地电磁反演.首先针对大地电磁二维地电模型建立BP（Back Propagation）神经网络基本框架进行学习训练，网络输入为已知地电模型的视电阻率参数，输出为该地电模型参数；再利用遗传算法对神经网络学习训练过程进行优化，计算出多种地电模型网络连接权值和阈值的最优解；最后将最优连接权值和阈值对未知模型进行反演测试，网络输入为未知地电模型的视电阻率参数，输出为该地电模型参数.模型实验表明：遗传神经网络算法充分结合了遗传算法的全局寻优性和神经网络的局部寻优性，相比单一神经网络算法，在网络学习训练中提高了解的收敛成功率和计算速度，在反演测试中能更准确地逼近真实模型.将遗传神经网络算法与最小二乘正则化反演进行对比，理论模型和实测数据都验证了遗传神经网络算法在大地电磁反演中的可行性和有效性.