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.     

基于交叉梯度结构约束的大地电磁主轴各向异性并行三维反演

各向异性介质对大地电磁观测数据的影响往往不可忽略,因此需要提高大地电磁各向异性三维反演的可靠性和有效性.为了满足大地电磁各向异性三维反演的需求,本文研究了一种基于交叉梯度结构约束的大地电磁主轴各向异性并行三维反演算法.根据大地电磁平面波理论假设,正演方程采用背景场与二次场分离的计算方式,二次场利用交错网格有限差分法求解.由于各向异性反演的多解性,本文将各向异性介质简化为主轴各向异性,并在此基础上进一步采用有限内存拟牛顿LBFGS法实现三维各向异性反演.为了提高各向异性反演的分辨率,反演目标函数中引入交叉梯度项,利用先验的结构信息,对三个方向的电阻率参数进行结构约束,最终的反演进一步利用MPI(Message Passing Interface,消息传递接口)技术实现分频并行计算,测试结果显示并行接近线性加速比.     

实数编码遗传算法在大地电磁测深二维反演中的应用

作为全局非线性优化的新方法之一的遗传算法,近年来已从生物工程流行到大地电磁测深资料解释中.然而,大地电磁反演问题具有不适定性,解的非唯一性.通过结合求解不适定问题的Tikhonov正则化方法,本文采用实数编码遗传算法求解大地电磁二维反演问题.此算法在构建目标函数时引入正则化的思想,利用遗传算法求解最优化问题.常规的基于局部线性化的最优化反演方法易使解陷入局部极小值,而且严重的依赖初始模型的选择.与传统线性化的迭代反演方法相比,实数编码遗传算法能够克服传统方法的不足且能获得更好的反演结果.通过对大地电磁测深理论模型进行计算,结果表明:该算法具有收敛速度快、解的精度高和避免出现早熟等优点,可用于大地电磁资料解释.     

基于CUDA并行计算的大地电磁二维有限元数值模拟研究

大地电磁测深二维反演是现有MT数据处理解释的主流,而反演的速度依赖于正演的计算精度和速度.本文在简要介绍CUDA并行计算模型的基础上,对MT二维有限单元数值模拟进行了分析,采用基于CUDA并行技术和有限元数值模拟技术,实现了基于CUDA并行计算的大地电磁二维有限元数值模拟方法.通过一个三层模型的CDUA并行算法计算结果与解析解对比,及3个复杂模型的CDUA并行算法与CPU串行算法计算结果对比分析,结果表明,这种新的数值模拟方法在保证计算精度的同时能显著提高计算速度,加速比可达20多倍.     

基于改进差分进化算法的大地电磁反演

为弥补传统线性化大地电磁（MT）反演方法需计算高阶偏导矩阵,对细节信息反映能力弱的不足,达到提高大地电磁反演精度的目的,本文尝试引入优化领域的智能优化算法 差分进化算法（DE）实现大地电磁的全局优化反演．针对经典DE算法在进行全局寻优时存在收敛慢、易陷入局部最优等问题,从算子自适应及寻优策略集成方面对算法进行研究,提出改进差分进化（TDE）算法,并利用标准测试函数对其进行测试,结果证实了改进后的TDE算法具有寻优速度快、鲁棒性强、不易陷入局部最优的特点．并构建了基于TDE算法的大地电磁优化反演模型,通过理论模拟及实测数据对所构建模型进行验证,结果表明TDE算法可有效提高大地电磁的反演的精度,具较好的可推广性．     

利用大地电磁三维反演方法获得二维剖面附近三维电阻率结构的可行性

大地电磁野外实测数据月前大多为二维剖面数据.如何反演这些二维剖面数据获得较为接近实际地电情况的结果,是多数大地电磁工作者关心的问题.我们通过对理论模型的三维响应进行分析和对合成数据及实测资料的反演结果进行对比研究,讨论了利用三维反演的方法来获得大地电磁二维剖面附近三维电阻率结构的可行性.结果表明:可用三维反演的方法来解...     

固定翼时间域航空电磁数据拟二维整体反演

航空电磁探测数据量大,二维、三维反演算法复杂、计算速度慢,通常采用一维反演,利用层状模型拼接描述地下复杂结构,但航空电磁数据信噪比低,容易引起一维反演结果横向连续性差等问题.本文针对上述问题,基于一维反演算法,通过整合测线观测数据,建立了测线数据整体的目标函数,并根据Tikhonov正则化反演理论,引入包含空间粗糙度和先验信息的模型参数约束项,确定了拟二维整体反演的目标函数,推导了反演迭代方程组,利用超松弛共轭梯度算法,求得由于整条测线整体反演所致的大型稀疏矩阵的极小化解,实现了对整条测线数据同时反演的固定翼航空电磁数据的拟二维整体反演算法.在反演迭代过程中,正则化因子采用线性搜索自适应迭代的方法自动选取,提高了反演结果的稳定性.对比分析了仿真数据的一维反演与拟二维整体反演结果,得出拟二维整体反演算法横向连续性较好,对高导覆盖层下的导体分辨率优于一维反演,同时受高斯噪声的影响较小.最后,将直升机飞行实测噪声加入仿真数据中,拟二维整体反演结果平均相对误差较一维反演结果降低了31.6%,进一步验证了拟二维整体反演算法的有效性.     

二维与三维大地电磁反演的敏感度研究

大地电磁法可应用于岩石圈结构探测、金属固体矿产以及地热资源勘察等方面,目前三维大地电磁反演技术日趋成熟,但二维反演依然应用广泛.受台网布设及复杂地质构造影响,大地电磁数据往往结合二维与三维反演技术来减轻计算负担和改善反演效果,而评估二维与三维反演模型及其差异对准确获取地下电性结构信息至关重要.本文提出了一种基于敏感度矩阵的电性异常体边界划定以及反演模型可靠性评估方法,该方法通过求解大地电磁正演的伴随问题来构建敏感度矩阵,无需设计额外模型即可分析反演结果的可靠性.此外,本文还利用合成数据讨论了大地电磁二维与三维反演的有效探测深度.当地下结构三维性不强时,二维反演可以有效恢复深部低阻异常体的电阻率值,为深部地质解释提供定量约束.但当电性结构三维性较强时,三维反演重建的边界与真实位置更加吻合,而二维反演会产生虚假异常,不利于后续地质解释.     

Delaunay三角剖分插值算法在MT成图中的应用

研究并实现了一种基于Delaunay三角剖分的二维快速插值算法,并将其应用于大地电磁(MT)二维反演实时成像网格化处理中。实际资料试算结果表明,该算法具有稳定、插值效果好以及易于模拟地形数据等优点,能满足MT反演结果实时成图的要求。     

三维大地电磁自适应L1范数正则化反演

常规三维大地电磁反演的正则项为L₂范数,它以电阻率空间分布函数处处光滑为模型期望,弱化了算法对电性突变界面的分辨能力.本文实现了正则项为L₁范数的三维大地电磁反演算法,让模型空间梯度向量更有机会取得稀疏解,在充分正则的迭代下能够有效突出模型真实电性界面.为避免L₁范数零点不可导带来的求解困难,使用迭代重加权最小二乘法把原问题转换为一系列L₂正则子问题迭代求解.每个子问题的极小方法使用改进型拟牛顿法,其下降方向既能保证正则项海塞矩阵的精确性,又能允许反演过程随迭代灵活更新正则因子.使用比值法或分段衰减法自适应更新正则因子以避免迭代早期陷入奇异解,从而提升反演收敛的稳定性并降低初始模型依赖度.合成的无噪数据反演表明L₁正则算法的模型恢复效果优于L₂正则;不同噪声水平的合成数据反演表明本文的算法具有稳健性;实测数据反演对比表明在合理的正则因子调整策略下,L₁正则反演结果的模型分辨率优于L₂正则.另外,不同初始模型的反演测试还表明,正则因子选取不合理时L₁正则可能造成方块状假异常.     

基于褶积模型的地球物理反演模型增强

地球物理数据在采集和处理过程中,由于存在噪声、模型误差、以及数据离散化误差等系统误差,导致了异常体边界模糊和模型分辨率降低等一些不可避免的不良系统退化效应的产生.本文提出了一种新的地球物理反演模型增强方法,通过消除反演估计模型中的系统误差,压制模型中的不良系统退化效应,增强反演模型的分辨率.文章从理论上分析了数据中存在的系统误差对模型求解的影响,提出了一个新的系统误差褶积退化模型,并根据该模型提出了一种基于混合范数总变分正则化的盲反褶积模型增强算法.最后,文章通过1D线性反演增强试验和2D大地电磁反演增强试验,验证了所提出的地球物理系统退化模型的正确性,以及盲反褶积增强算法的有效性.试验结果表明,方法可以有效地提高反演参数模型的分辨率.     

二维MT快速曲线对比反演方法的可行性研究

最近开发了一种针对二维大地电磁野外数据进行处理解释的新反演方法。该方法以加入阻抗相位信息的一维大地电磁连续介质曲线对比法为基础 ,把一维反演得到的电阻率和相位的数据集作为二维反演的初始模型 ,使用二维有限单元法做正演模拟。在程序的后继迭代中 ,深度方向上用一维反演修改模型的电阻率和深度值 ,沿测线方向由二维有限元作修改 ,反演结束可得到一个接近真实电性分布的电阻率数据集 ,并绘制成电阻率断面图。对模型的反演实验结果显示 ,该反演方法能够较真实地反映地下电性分布 ,而且避免了偏导数矩阵的计算 ,其原理简单 ,计算速度快 ,表明该反演方案是可行的     

多种物理机制耦合作用下的储层介质参数反演研究

孔隙介质的黏弹性、孔隙流体的Biot流动和喷射流动是影响波传播的重要物理机制.本文分别基于弹性和黏弹性BISQ模型,利用自适应杂交遗传算法研究了多种物理机制耦合作用条件下储层介质参数反演.为了测试自适应杂交遗传算法的有效性,本文分别利用自适应杂交遗传算法和传统实数编码遗传算法对含有不同噪声的理论合成数据进行了反演试算.对比理论合成数据反演结果可知,自适应杂交遗传算法具有抗干扰能力强且收敛速度快的特点,是一种有效的储层介质参数反演方法.同时本文也利用不同频率尺度和不同温度条件下的P波和S波实测数据进行了联合反演.对比研究表明,黏弹性BISQ模型能够很好地解释不同频率尺度的波频散特征,不仅能够很好地预测P波速度,而且也能够很好地预测S波速度,从而证明了黏弹性BISQ模型能够准确地描述低频条件下的波频散.     

2D joint inversion of CSAMT and magnetic data based on cross-gradient theory

A two-dimensional forward and backward algorithm for the controlled-source audio-frequency magnetotelluric (CSAMT) method is developed to invert data in the entire region (near, transition, and far) and deal with the effects of artificial sources. First, a regularization factor is introduced in the 2D magnetic inversion, and the magnetic susceptibility is updated in logarithmic form so that the inversion magnetic susceptibility is always positive. Second, the joint inversion of the CSAMT and magnetic methods is completed with the introduction of the cross gradient. By searching for the weight of the cross-gradient term in the objective function, the mutual influence between two different physical properties at different locations are avoided. Model tests show that the joint inversion based on cross-gradient theory offers better results than the single-method inversion. The 2D forward and inverse algorithm for CSAMT with source can effectively deal with artificial sources and ensures the reliability of the final joint inversion algorithm.     

基于有限差分正演的带地形三维大地电磁反演方法

本研究实现了一套基于有限差分（FD）方法的大地电磁测深数据带地形三维反演算法及代码.其中,在大地电磁场正演数值模拟方面,开发了起伏地形条件下基于交错网格剖分、有限差分方法的大地电磁测深三维正演代码;在满足平面波场假设的前提下,使用长方体网格剖分模拟三维起伏地形,实现了带地形三维正演计算;并设计理论模型进行试算,经试算结果与前人的有限元法计算结果对比,验证了所研发的带地形三维正演计算的正确性与可靠性.在反演方面,本研究基于非线性共轭梯度方法编写了大地电磁测深带地形三维反演代码,试验了不同的共轭梯度搜索因子β,避免了目标函数对海森矩阵（参数二次导数矩阵）的显式计算和存储,初步实现了大地电磁资料的带地形三维反演.最后,对一系列理论模型进行正演计算,利用其生成的合成数据模拟实测数据进行反演,并与现有的不带地形大地电磁测深三维反演结果比较,检验了所研发的带地形三维反演计算的可靠性与稳定性.     

大地电磁资料精细处理和二维反演解释技术研究(三)——构建二维反演初始模型的印模法

在主流的线性最优化大地电磁二维反演中,如何合理构建初始模型是一个亟待解决的问题.常用的是采用均匀半空间或一维反演结果构建初始模型,不易获得稳定可靠的反演效果.实践表明,尽管基于不同初始模型的大地电磁二维反演结果差别较大,但均较初始模型更为接近真实模型.基于这样一种认识,经过反复的理论和实践探索,我们提出构建大地电磁二维反演初始模型的印模法.印模法的基本思想是依据已有反演结果和均匀半空间模型之间的加权来确定下一步二维反演的初始模型,它一方面保留了已有反演结果中关于真实模型的宏观轮廓信息,另一方面,保证了深部电性结构的均匀性,从而满足大地电磁二维正演所要求的底边界条件.基于印模法,本文进一步提出了迭代重构的反演思想.通过多个理论模型和实测数据的反演计算,验证了上述方法可在很大程度上压制初始模型对反演结果的影响.     

Semiautomatic and Automatic Cooperative Inversion of Seismic and Magnetotelluric Data

Natural source electromagnetic methods have the potential to recover rock property distributions from the surface to great depths. Unfortunately, results in complex 3D geo-electrical settings can be disappointing, especially where significant near-surface conductivity variations exist. In such settings, unconstrained inversion of magnetotelluric data is inexorably non-unique. We believe that: (1) correctly introduced information from seismic reflection can substantially improve MT inversion, (2) a cooperative inversion approach can be automated, and (3) massively parallel computing can make such a process viable. Nine inversion strategies including baseline unconstrained inversion and new automated/semiautomated cooperative inversion approaches are applied to industry-scale co-located 3D seismic and magnetotelluric data sets. These data sets were acquired in one of the Carlin gold deposit districts in north-central Nevada, USA. In our approach, seismic information feeds directly into the creation of sets of prior conductivity model and covariance coefficient distributions. We demonstrate how statistical analysis of the distribution of selected seismic attributes can be used to automatically extract subvolumes that form the framework for prior model 3D conductivity distribution. Our cooperative inversion strategies result in detailed subsurface conductivity distributions that are consistent with seismic, electrical logs and geochemical analysis of cores. Such 3D conductivity distributions would be expected to provide clues to 3D velocity structures that could feed back into full seismic inversion for an iterative practical and truly cooperative inversion process. We anticipate that, with the aid of parallel computing, cooperative inversion of seismic and magnetotelluric data can be fully automated, and we hold confidence that significant and practical advances in this direction have been accomplished.     

大地电磁法三维共轭梯度反演研究

Based on the analysis of the conjugate gradient algorithm, we implement a threedimensional （3D） conjugate gradient inversion algorithm with magnetotelluric impedance data. During the inversion process, the 3D conjugate gradient inversion algorithm doesn＇ t need to compute and store the Jacobian matrix but directly updates the model from the computation of the Jacobian matrix. Requiring only one forward and four pseudo-forward modeling applications per frequency to produce the model update at each iteration, this algorithm efficiently reduces the computation of the inversion. From a trial inversion with synthetic magnetotelluric data, the validity and stability of the 3D conjugate gradient inversion algorithm is verified.