任意密度分布复杂地质体重力异常快速三维正演方法

解决任意密度分布复杂地质体重力异常三维正演快速、高精度计算问题,是实现重力三维反演、人机交互解释建模的关键。针对该问题,从积分方程出发,提出一种波数域重力异常三维正演方法,其关键环节包括三个方面:(1)将研究区域剖分成许多规则小棱柱体,每个小棱柱体密度值可以任意给定,以此刻画任意密度分布和起伏地形条件下的复杂地质体;(2)给出一种新的高精度均匀棱柱体重力异常二维波数域的计算公式,用于计算组合棱柱体模型的重力异常;(3)采用Gauss-FFT法将重力异常从波数域转换到空间域,保证计算效率的同时,有效克服了传统FFT法引起的边界效应问题。模型算例检验结果表明,该算法计算速度快、精度高,对于剖分为百万个棱柱体的模型,耗时只需几秒。     

基于起伏地层的曲面重力场快速高精度正演

Parker公式在起伏地层重力场正演方面以其简洁、快速等优点被广泛应用于地形改正以及界面反演等,但传统的Parker公式正演方法存在一定的缺陷,在起伏地层模型重力场的正演计算中,由于正演式中e的指数项数值稳定性较差,导致正演结果精度不高。在前人研究的基础上,对Parker公式进行了改进,通过增加上、下界面平均值的方法,提高正演的数值稳定性,改进后的正演精度得到大幅提升。在此基础上,提出了一种曲面观测算法,将观测面由传统的水平面推广到任意起伏面,实现了上下界面起伏地层在起伏观测面上的快速高精度重力正演计算和带地形的密度界面起伏模型的快速高精度重力正演模拟。为了保障数值精度,采用了Gauss-FFT算法,模型实验均取得很好效果。     

起伏地形频率域可控源电磁二维快速正反演

起伏地形频率域可控源电磁正反演研究受到众多学者的关注和重视,目前普遍实用的为未考虑地形的二维正反演算法程序。本文基于积分方程法正演和多场源、多频率、对比源反演算法,开展起伏地形条件下频率域可控源电磁二维快速正反演研究。通过引入层状参考模型、将地形与目标体整体作为异常场剖分区域,实现起伏地形可控源电磁正反演计算。针对包含地形在内的大尺度剖分区域引起的大型计算代价问题,采用快速傅里叶算法提高正反演计算效率。通过与现有正反演算法进行模型算例对比,验证了本文采用方法的可行性与有效性。     

有限元重力任意复杂地形校正方法研究

提出了一种有限元重力任意复杂地形的校正方法,以解决重力勘探中地形改正问题。利用改进的有限元地形体正演模拟算法,计算任意地形条件下地下密度异常体在地表所引起的重力响应。研究结果表明,在任意复杂地形影响下,经过有限元地形校正后,重力响应曲线可更加直观地反映出地下密度异常体赋存状态,与模型设置相符,表明了该方法的有效性。     

二度体的重力张量有限元正演模拟

介绍了重力梯度张量,并将有限单元法应用于二维重力梯度张量的正演计算。为了验证有限元正演方法的精度,对截面为矩形的两个二度体组合模型进行有限元正演模拟,结果表明正演曲线与理论曲线形态一致,拟合情况好。通过对截面形状不规则、密度分块均匀的二度体进行正演模拟,说明有限元法可通过网格剖分来逼近不规则目标体的边界,并对剖分单元赋予不同的密度值来实现对复杂二度体的重力张量的正演模拟。     

拟神经网络反演在煤田中应用

Parker快速富氏变换反演单一密度界面存在两方面问题：一是求解目标界面重力异常难度较大;二是受正演速度及反演参量维数的限制,不能对界面进行精细划分.拟神经网络BP算法的引入,首先解决了快速三维正演问题,又突破了反演参量维数的限制,实现快速收敛,有效解决两个或多个密度界面的反演问题.在实际应用中,先用密度“补偿法”正演求取剩余生力异常,然后利用拟神经网络BP算法同时反演两个二维密度界面,拟合求得两个界面的深度异常,在此基础上预测煤田.     

AMT数据地形畸变影响与带地形反演效果研究

在山区进行音频大地电磁测深(AMT)时,电磁场易受地形起伏影响发生畸变。为研究起伏地形对AMT数据的影响,采用WinGlink软件基于有限差分算法的正演模块,建立二维起伏地形和平地地电模型,并对比分析了两个理论模型的正演响应。结果表明:TE模式的视电阻率曲线在高频段受干扰程度相对较大,在低频段影响减小甚至消失;TM模式的视电阻曲线变化正好相反;二者相位受地形影响则较小。对含异常体的带地形地电模型进行正演计算,在正演响应中加入2.5%的随机误差模拟实测数据,利用WinGlink软件基于非线性共轭梯度(NLCG)算法的反演模块,分别进行带地形和不带地形的TE、TM和TE+TM模式的二维反演。各反演结果的对比表明,带地形的二维反演结果明显优于不带地形的反演结果,能够较好地反映出异常体的位置、形态及电阻率值。依据得到的认识,对青海祁连隧道工程的AMT实测数据进行带地形二维反演,取得了理想的应用效果。     

带地形的ZTEM倾子资料三维正反演研究

Z轴倾子电磁法(ZTEM)是一种新型频率域航空天然场源电磁法,该方法采用倾子作为研究参数,可用于起伏地形下的大规模地质勘探。本文在对TEM三维有限差分正演和数据空间OCCAM反演算法研究的基础上,考虑地形起伏的影响,研究了带地形的频率域三维ZTEM正反演算法。首先,对起伏地表下ZTEM正演算法的准确性进行了验证,计算和分析了纯地形的ZTEM三维异常响应特征。其次,通过对山峰和山谷地形下低阻棱柱体合成算例的反演分析,表明带地形的ZTEM数据空间OCCAM反演算法能够获得比较接近真实导电性结构的地电模型,尤其对地下目标体的横向边界具有理想的约束效果。最后,与不带地形的ZTEM反演结果对比,验证了所开发的带地形ZTEM倾子资料反演算法的有效性。     

起伏地形条件下的磁异常二维聚焦反演及应用

地形对磁异常的反演和解释有很大的影响,特别是磁异常体贴近地表分布时更是如此,为了降低这种影响,笔者推导出了基于有限延深的二度厚板状体的带地形的磁异常正演公式,并提出了一种基于起伏地形的地下网格模型剖分的新方法。同时,聚焦反演对物性体有很强的聚焦效果,如果能够预先判断磁异常主要由地下浅层的强磁性体所引起,则可以考虑采用聚焦反演的方法得到磁性体的位置,显然这种方法非常适合铁矿体的反演。笔者将带地形的二维磁异常正演与聚焦反演结合起来,进行了相应的模型试验,并与水平地形下的聚焦反演及起伏地形下的光滑反演进行对比,验证了这种结合的有效性。最后,将该方法应用于新疆特克斯的磁异常剖面,对该剖面的磁性体分布做出了合理的解释。     

基于重力全张量数据的Parker-Oldenburg算法研究

相比重力数据,重力张量数据通常包含更多的异常信息。本文根据重力数据与重力张量数据的关系,利用位场转化技术,将重力张量数据应用于传统的Parker-Oldenburg密度界面反演算法中。通过模型试验,证明了在网格间距较大或者数据存在一定噪音时,使用本文算法进行反演能得到更好的效果。实验结果说明利用重力张量数据可以有效地提高密度界面反演的分辨率。     

基于GPU的任意三维复杂形体重磁异常快速计算

提出了基于图形处理单元的任意三维复杂形体的重磁异常快速正演计算方法。将地下半空间剖分为大小相等规则排列的一组长方体单元,任意三维复杂形体可以表示成很多不同体积和密度(磁性)的长方体的近似组合。用解析方法计算出所有这些长方体在计算点的重力(磁力)异常,并累加求和,就可以得到整个模型体在计算点引起的重(磁)异常值。为了提高近似程度,需将地下半空间剖分得很细,用传统的CPU串行程序计算相当耗时。GPU在处理能力和存储器带宽上相对CPU有明显优势,采用GPU并行算法,可大大提高计算速度。相关试验结果表明,用GPU实现的正演快速算法计算结果正确,效率明显提高,为重磁异常三维物性反演提供了基础。     

基于并行预处理算法的三维重力快速反演

随着地球物理设备和探测技术的不断发展,快速处理大规模地球物理数据的需求也随之增长。为了解决三维重力数据密度反演的耗时问题,提出一种并行的预处理共轭梯度算法来提高计算效率。本文分别采用两种不同的预处理算子通过组合模型数据反演进行测试比较,并利用迭代残差和计算用时共同评价其加速效果。结果表明：对称逐次超松弛预处理方法比对角预处理方法反演计算速度快,密度结果更贴近实际模型;与传统串行的共轭梯度算法相比,本文并行预处理快速算法可以获得近19倍的加速比。将该算法应用于美国Vinton盐丘的实测重力数据中,反演结果能够很好地圈定出岩体的位置,验证了本文并行预处理共轭梯度法在三维重力数据快速反演中的高效性和可行性。     

异构并行算法快速构建全球扰动重力梯度全张量图

扰动重力梯度是扰动重力位的二阶导数,相对于其他重力场元素能更多地反映变化的不规则地球产生的高频信息。在使用高阶次球谐系数模型获取大范围高分辨率的扰动重力梯度数据时,存在重复运算多、计算效率低下、耗时较长的问题。针对该问题,推导了简化计算公式,将中间变量提取出来作为全局参数和局部参数单独进行计算、存储,从而有效减少重复运算;并在简化公式的基础上,提出了扰动重力梯度张量快速异构并行算法,利用CUDA（compute unified device architecture）实现了梯度全张量在GPU端的并行计算。根据Txx、Tyy、Tzz三个分量满足Laplace条件验证了算法可靠性,并与传统串行算法进行了计算效率对比,实验结果表明,相较于串行算法,所提算法可减少90%以上计算耗时,可将计算效率提高60倍以上。最后利用该算法基于2 190阶EIGEN6C4模型快速构建了5′×5′分辨率的全球扰动重力梯度全张量图,计算结果显示了扰动重力梯度同地形、地球质量分布变化的相关性及其在全球范围内的数值特征。     

基于重磁反演的三维岩性填图试验——以安徽庐枞矿集区为例

开展大型矿集区深部精细结构探测研究,通过岩性识别与填图实现矿集区5km以内"透明化",发现深部矿产、揭示成矿规律是实现资源可持续发展的主要途径。鉴于重力和磁力数据覆盖面积广、采样密度高,重磁三维反演算法比较成熟,采用重磁反演进行岩性填图是现阶段实现三维岩性填图最有可能的途径。本文以安徽庐枞矿集区为例,提出了基于重力、磁力三维反演的岩性填图流程并开展了填图试验。在分析岩性和密度、磁化率关系的基础上,采用高精度的重力和航磁数据,进行先验信息约束的重磁三维反演,对反演所得的密度体和磁化率体进行逻辑拓扑运算,获得了庐枞矿集区地下5km以内五类主要岩性的三维分布。岩性填图结果显示的浅部特征与地表地质填图结果基本吻合,更重要的是反映了深部岩性的变化,弥补了地表地质填图的不足。庐枞矿集区岩性填图试验结果表明,开展基于重磁三维反演的岩性填图,是了解矿集区深部岩性特征,发现深部矿产的有效方法。     

基于MPI和OpenMP的重力及重力梯度数据并行正演算法研究

为提高重力及重力梯度数据的正演效率,笔者引入基于MPI (Message Passing Interface)和OpenMP (Open Multi-Processing)的并行计算,通过对比分析不同数据规模的网格数和模型体个数对并行效率和加速比的影响,得出随着正演数据规模的增加,并行效率和加速比均得到提高。同时对比了基于MPI和基于OpenMP的两种并行方式的性能,结果表明,重力及重力梯度数据正演的并行计算中MPI的提速能力优于OpenMP,且在较大规模数据的正演计算中基于MPI的并行效率优于基于OpenMP的并行效率。     

起伏地形上规则二度体复重磁场正演和直接反演

上接211页13　n个无限薄板叠加场反演13.1　复场展开以Mj代替2Mmj和2fMgj,以F(S)代替G′(S)和T(S),得复场F(S)= nj=1Mjσj-S=- nj=1MjS-σj。(13.1)展开上式,即F(S)=-1(S-σ1)(S-σ2)…(S-σn)×{M1(S-σ2)(S-σ3)…(S-σn)+M2(S-σ1)(S-σ3)…(S-σn)+…+Mn(S-σ1)(S-σ2)…(S-σn-1)}。(13.2)根据(9.2)、(9.9)式有(S-σ1)(S-σ2)…(S-σn)=-1F(S){Φ1+Φ2+…+Φn};Φ1=M1{Sn-1-x1(1)Sn-2+x2(1)Sn-3-　　　　…+(-1)n-1x(n-1)(1)},Φ2=M2{Sn-1-x1(2)Sn-2+x2(2)Sn-3-　　　　…+(-1)n-1x(n-1)(2)},Φn=Mn{Sn-1-x1(n)S…     

重力归一化总梯度法勘探浅层油气藏浅析

随着仪器采集精度的提高,分析、反演解释技术的长足进步以及油气藏重力勘探的需要,出现了重力归一化总梯度法。结合测井资料,通过重力模型正反演计算,得出高精度重力勘探浅层油气藏是可行的结论。重力归一化总梯度法自提出以来获得了不断的完善发展,并在某气田的实践中被证明是勘探浅层油气藏的有效方法。     

基于深度加权的重力梯度张量数据的3D聚焦反演

针对重力梯度数据聚焦反演结果中存在的"上漂"现象,在经典Tikhonov正则化理论框架下,引入最小支撑泛函数对反演模型进行约束以避免反问题解的不稳定,并针对重力梯度数据聚焦反演中存在的趋肤效应,在模型目标函数中引入指数深度加权函数。通过理论模型,对部分重力梯度张量分量进行了单独以及联合聚焦反演,验证了基于深度加权的聚焦反演方法的有效性,并将该反演方法运用到涩北一号气田区的实际数据中,反演结果较好地反映出气田位置。