复杂条件下大地电磁资料二维反演及初始模型构建研究

大地电磁资料反演方法较多,但构建二维反演初始模型常规方法主要有两种:以均匀半空间为初始模型、直接以一维反演结果为初始模型.本文利用典型实测剖面资料对这两种方法进行反复试验对比,结果表明:在地形及构造复杂地区,由于实测资料存在严重的静态效应,利用常规方法构建反演初始模型进行二维反演,难以达到理想的反演效果.基于此,本文提出了一种构建二维反演初始模型与反演新的思路方法,其核心为用于反演与构建初始模型数据为同一基础数据,但对基础数据分别进行处理,得到两个处理及校正程度不同的数据,分别用于初始模型构建与二维反演输入数据,这样得到的反演结果既能较好地保留浅部至深部有用异常信息,又能够最大程度上消除实测资料中的静态效应.本文进一步对实测剖面反演结果与已知地质信息进行对比,验证了本方法的有效性和可靠性,认为此方法为地形及地质条件复杂地区大地电磁资料处理反演提供了新的思路,具有一定的参考意义和借鉴作用.     

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.

     

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     

大地电磁资料精细处理和二维反演解释技术研究(六)——交错模型的大地电磁二维反演

交错模型指的是由几组走向不同的线性构造（近似二维）在空间（纵向、横向）上组合而成的模型.对于电性结构,交错模型表现为纵向或横向上的构造存在电性主轴方位的变化.从构造维性的角度来看,交错模型是一种由二维模型组合而成的特殊的三维模型,直接对其进行大地电磁二维反演,不易获得可靠的反演结果.本文针对交错模型的特点,提出分频段-分区段反演方案.该方案首先需要借助于阻抗张量成像技术,在频率域确定组成交错模型的各线性构造的电性主轴,然后,针对不同的频段、区段,选择对应电性主轴的数据进行反演,通过初始模型的构建将不同电性主轴方位的反演结果对接起来.本文通过三维理论模型的研究,系统展示了分频段-分区段反演的全过程,归纳得到：在分频段反演时先做低频段反演,在分区段反演时先做二维性更不显著一侧的反演.最后,本文将这一技术用于郯庐断裂带中南段一条实测剖面的反演中,其结果与常规二维反演结果相比较,深部的信息更为丰富,且与其他已有地质、地球物理结果的可对比性更好,表明在构造复杂地区,大地电磁分频段-分区段二维反演具有较高的模型分辨率和可靠性.     

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.     

控制转换算法和最优分割法在构建—维MT反演初始模型中的应用

为了构建合理可靠的初始模型,使反演稳定快速收敛且达到更高的精度.本文提出用控制转换算法构建初始模型参数,然后使用最优分割法优化初始模型.一维MT最小二乘反演计算结果表明:该方法构建的初始模型使反演稳定快速收敛;使用相同的反演方法,该方法构建的初始模型的反演迭代次数比Bostick法构建的初始模型的反演迭代次数少20%以上,比均匀半空间作为初始模型的反演迭代次数少100%以上,并且反演精度也有了提高.该方法不但对提高MT一维反演效果有意义,而且对构建其他勘探方法的反演初始模型也具有一定的参考价值.     

时间域航空电磁2.5维非线性共轭梯度反演

对于时间域航空电磁法二维和三维反演来说,最大的困难在于有效的算法和大的计算量需求.本文利用非线性共轭梯度法实现了时间域航空电磁法2.5维反演方法,着重解决了迭代反演过程中灵敏度矩阵计算、最佳迭代步长计算、初始模型选取等问题.在正演计算中,我们采用有限元法求解拉式傅氏域中的电磁场偏微分方程,再通过逆拉氏和逆傅氏变换高精度数值算法得到时间域电磁响应.在灵敏度矩阵计算中,采用了基于拉式傅氏双变换的伴随方程法,时间消耗只需计算两次正演,从而节约了大量计算时间.对于最佳步长计算,二次插值向后追踪法能够保证反演迭代的稳定性.设计两个理论模型,检验反演算法的有效性,并讨论了选择不同初始模型对反演结果的影响.模型算例表明：非线性共轭梯度方法应用于时间域航空电磁2.5维反演中稳定可靠,反演结果能够有效地反映地下真实电性结构.当选择的初始模型电阻率值与真实背景电阻率值接近时,能得到较好的反演结果,当初始模型电阻率远大于或远小于真实背景电阻率值时反演效果就会变差.     

大地电磁NLCG与OCCAM二维反演的综合利用

大地电磁测深二维正则化反演方法常见的有NLCG(非线性共轭梯度反演)和OCCAM反演等.NLCG反演速度较快,但较依赖初始模型和经验参数输入;OCCAM反演对初始模型和参数依赖较弱,且效果平滑度、与模型的拟合度较好,但是速度慢、计算消耗大;本文采用综合反演法(NLCG2OCCAM,NLCG的反演结果作OCCAM反演的初始模型),旨在结合二者的优势,避免其短板.对典型模型分别进行了TE、TM、TETM三种模式的试算,结果显示综合反演法效果比只进行NLCG反演好,收敛速度上比单独进行OCCAM反演快,从而削弱由于NLCG人为经验参数输入及初始模型带来的影响,同时也能满足速度的需求.通过这些研究,可以对野外大地电磁资料处理与解释提供参考,从而更好地利用其测深资料.     

二维大地电磁数据的整体反演

从麦克斯韦第一、二方程出发，经过变量替换，将二维电磁问题线性化，得到不同测点、不同浓度下关于导电率微小变化的线性方程组，用Gauss-Seidel迭代法求解。实现了整体对二维大地电磁数据的反演，由于对各个测点下的数据同时反演，克服了以往用一维方法来反演二维问题时固有的缺点，讨论了不同的初始模型对反演结果的影响，提出了一种简便实用的初始值的给定方法，数值模拟结果表明该方法有一定的抗噪能力。     

自动构建大地电磁二维反演的测点中心网格

在大地电磁二维反演中,如果网格不均匀或者测点在网格中的位置不恰当,则将出现测点偏离现象,影响反演的精度.此外,由于正演精度和稳定性的需要,反演中网格间距不能差别太大,需要具有一定的光滑性.本文提出了几种自动构建测点中心网格的方法来消除测点偏离现象,并以正则化约束条件来保证网格的光滑程度.本文还提出了一套网格质量检验指标.算例对比研究表明,对于不同的测点集,最佳网格构建的方法可能不相同,但其中“最平模型约束动态配点法”、“最光模型约束动态配点法”拥有最强的适应能力,它们在各种情况下所构建的网格一般同时具备较光滑的网格间距变化和较小的测点偏离程度.此外,采用高质量（光滑性好、测点偏离程度低）网格在一定程度上不仅可提高反演结果的可靠性,还能提高反演的计算效率.本文的方法为获得高质量的大地电磁二维反演网格提供了简单有效的途径.     

基于子空间的二维大地电磁量子遗传反演法研究

量子遗传算法作为一种高效的优化算法,仍存在容易陷入局部极值的缺点.为提高算法的高效性,并探讨将算法应用于大地电磁二维反演的可行性和有效性,本文对算法进行了改进,并通过一维两层D型和四层HK型模型数值试验验证了改进的有效性.然后将改进后的算法引入二维大地电磁反演,在引入滑动子空间思想,同时只考虑最简化反演条件的前提下,对一个简单的二维低阻地电模型进行了传统量子遗传算法和改进量子遗传算法的反演,结果说明了将量子遗传算法引入基于子空间的二维大地电磁反演是可行的和有效的,而且改进的算法效果要优于传统算法.最后对实测资料进行了反演,得到了比较好的结果.     

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目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释二维剖面数据.对大地电磁二维剖面的张量数据进行三维反演,不仅可以沿剖面获得较好的二维断面结果,还能够得到二维反演所不能获得的剖面附近的三维电阻率结构信息.合成数据的反演算例表明:对二维剖面数据进行三维反演时,对角元素对于圈定剖面附近三维异常体的空间分布具有独特作用,应尽量反演所有的张量元素.     

大地电磁二维反演方法分析对比

基于地球物理正则化反演理论,详细给出了目前常用的三种大地电磁(MT)二维反演方法——奥可姆法(OCCAM)、简化基奥可姆法(REBOCC)和非线性共轭梯度法(NLCG)的理论基础.设计了两个理论地电模型,一个是高、低阻体组合模型,另一个是断裂模型,使用这三种MT二维反演方法分别对TE极化模式、TM极化模式以及TETM极化模式响应数据进行了反演,对反演结果进行对比分析,考察了不同的反演方法以及不同的极化模式对反演结果的影响.研究结果表明:三种反演方法有各自的特点,使用不同的极化模式数据反演将会得到不同的反演效果.     

航空瞬变电磁数据光滑拟二维反演

航空瞬变电磁法适用于浅表地层的大面积探测,由于实测数据量巨大,一维反演作为一种快速高效的方法被广泛应用.在层状地电条件下,横向约束反演能有效的改善传统单点阻尼最小二乘反演结果中界面横向不连续的情况,但其存在反演过程依赖初始模型,且在复杂层状情况下迭代不稳定的问题.本文提出一种基于OCCAM反演并在正则化项中引入横向光滑约束的光滑拟二维反演方法,在保持OCCAM方法对初始模型依赖性小优势的同时,也使得相邻测点电性横向连续.在反演过程中采用令满足迭代误差的测点不再参与后续迭代的策略,以此减少不必要的正演和雅可比计算,提高反演效率.通过对三个不同地电情况的理论模拟数据进行光滑拟二维反演,并与其他传统反演方法对比,验证了该方法能有效的提高反演稳定性,得到与理论模型高度吻合的反演结果.     

磁化强度矢量反演方程及二维模型正反演研究

导了磁化强度矢量层析成像方程,并与磁化强度标量层析成像方程进行了对比. 使该矢量层析成像方程既适用于三维的也适用于二维,既适用于使用磁场垂直分量资料,也适用于使用磁场总强度资料. 本文采用改进的高斯-赛德尔迭代求解磁化强度矢量层析成像方程,在求解方程中引进了与深度有关的权系数. 并对二维模型开展了正反演研究. 当模型层数为二层,且每层51个柱体时,采用零初始模型就能获得较好的磁化强度垂直分量和水平分量反演结果,除了异常体边部外,磁化方向比较可靠. 当模型层数为五层,且每层51个柱体时,采用零初始模型不能得到较好结果,改用接近背景值的均匀初始模型,反演的磁化强度垂直分量和水平分量大致接近真实,但不能刻划某些细节.     

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.     

海洋三维大地电磁的两步反演法:模型测试

大地电磁(MT)响应的反演已被广泛用于探索地球内部的电导率分布.因为大多数三维反演方法的反演结果都会受到初始模型的影响,因此在三维大地电磁反演中,使用好的初始模型非常重要.尽管均匀初始模型广泛用于三维反演,但一维的初始模型也是个不错的选择,因为一维模型较均匀模型可以更恰当地描绘地球内部的实际电导率变化.本研究提出了一种分两步进行的三维反演方法,该反演方法尤其适用于海洋大地电磁研究.该方法首先反演得到一维初始模型,进而依此反演三维电导率结构,并且这两次反演中均考虑了表层三维地形变化.该方法测试了含有不同地形变化(凹陷、平滑变化、槽形和方形高原地形)和不同三维棋盘类型异常(尖锐或平滑横向电导率变化)的三维电导率模型.文章比较了基于所提出方法获得初始模型和基于地形校正方法得到的初始模型,还对基于本研究方法得到的三维反演结果与基于不同的均匀初始模型得到的反演结果进行了比较.利用新引入的模型矢量参数的方向信息讨论了这些反演的结果,验证了该方法的性能和有效性.文章还揭示了新引入的模型向量参数可用于显示反演的收敛性,将有助于选择合适的反演模型.     

二维地电模型多参数反演方法及其在MT测深中的应用

二维地电模型电（电磁）测深法参数化反演,宜采用多参数反演方案.文中导出了多参数反演的基本数学模型,并进行了分解处理,使之变成与剖面上反演点数相等的多个相互独立的小数学模型的组合,用广义逆法逐个求解,即可得一次迭代中整个二维模型参数的修改量.大地电磁测深理论模型和实测数据反演结果表明所提出的二维多参数反演方法可行.它具有稳定的收敛性、较快的收敛速度、能适应较复杂构造的反演和计算量小等特点.     

二维地电模型多参数反演方法及其在MT测深中的应用

二维地电模型电（电磁）测深法参数化反演,宜采用多参数反演方案.文中导出了多参数反演的基本数学模型,并进行了分解处理,使之变成与剖面上反演点数相等的多个相互独立的小数学模型的组合,用广义逆法逐个求解,即可得一次迭代中整个二维模型参数的修改量.大地电磁测深理论模型和实测数据反演结果表明所提出的二维多参数反演方法可行.它具有稳定的收敛性、较快的收敛速度、能适应较复杂构造的反演和计算量小等特点.     

基于大地电磁二维反演的MPI并行算法研究

大地电磁测深法是以岩石的电性差异为基础和前提的勘探方法.本文所采用的大地电磁二维反演方法为共轭梯度法,该方法避免了求解雅可比矩阵,效率较高,但是在将模型剖分为较细网格,多频率进行计算时效率有待提高.基于大地电磁根据各频率依次独立处理数据的特点,在本文中采用了MPI并行运算方法,用多个进程同时来计算各频率数据,最后再将数据进行收集,得到最后的计算结果.通过对正演和反演结果的比较,验证了程序的正确性.对并行算法的效率进行了统计,进程数为2~8时,加速比能达到1.63~2.64,验证了并行算法的有效性.