基于小波变换的重力压缩正演和多尺度反演研究

解决多解性和计算效率等问题是重力反演中的主要难点。针对计算效率问题,本文基于小波压缩理论,提出一种改进的重力矩阵压缩正演方法。该方法通过引入一种新的灵敏度矩阵排序规则,降低灵敏度峰值和波动、减少高频信息,在保证精度的同时改善小波变换后灵敏度矩阵的稀疏性、提高压缩比,从而降低内存需求,提高正演速度。正演模拟分析结果表明,本文提出的正演矩阵压缩方法在保证正演精度的前提下压缩比可达300以上。其次,本文将基于小波变换的多尺度反演应用到三维重力反演中,通过将重力反演问题分解成不同尺度的子问题,充分利用不同尺度的数据信息来改善重力反演的多解性和稳定性问题。最后,我们分别对理论数据和实测数据进行常规聚焦反演和多尺度反演以证明多尺度反演在重力反演中的有效性。     

基于矢量有限元的带地形大地电磁三维反演研究

研究了基于矢量有限元方法的大地电磁带地形三维反演算法并开发了三维反演计算程序代码.在大地电磁场正演数值模拟方面,采用并行直接稀疏求解器PARDISO且无需进行散度校正的快速正演方案,对典型地形模型,在中等规模计算条件下,与双共轭梯度法(BICG)计算结果比较,发现PARDISO比BICG快10倍以上;通过理论模型试算,并与前人的有限元法计算结果对比,验证了带地形三维正演计算程序的正确性.在反演方面,本研究基于共轭梯度方法编写了大地电磁带地形三维反演代码,为了避免直接求取雅可比矩阵,将反演中的雅可比矩阵计算问题转为求解两次“拟正演”问题,进而将PARDISO的快速正演方案应用于“拟正演”问题的求解,以提高反演计算效率.利用开发的反演算法对多个带地形地电模型的合成数据进行了三维反演,反演结果能很好地重现理论模型的电性结构,验证了本文开发的三维反演算法的正确性和可靠性.最后,利用该算法反演了某矿区大地电磁实测数据,反演得到的三维电性结构清晰地反映了研究区的地电特征,将反演结果与该区已有地质资料结合进行解释,应用效果明显,进一步验证了本文算法的有效性.     

叠前地震数据弹性参数反演及反演策略浅析

反演本质上具有不适定性,在反演过程中采用一定的策略很有必要.本文采用反射率法正演、共轭梯度法反演的正反演体系,从不同频带数据的最佳收敛步长、目标函数的组成等方面对反演的影响进行了探讨.在此基础上采用分频反演、分层反演及变权重目标函数的策略,利用海上测井弹性参数模型对地震叠前波形数据进行了弹性参数反演试验.通过对反演结果的分析指出对反演的中间结果进行质量评估和质量控制的必要性.     

基于显式有限差分正演的三维瞬变电磁反演方法（英文）

本文、首先,提出了一种基于显式有限差分正演的三维瞬变电磁反演方法。对于正演,先计算磁偶极子源激发的全空间初始场,然后使用改进的DuFort-Frankel方法和交错网格对麦克斯韦方程组进行时间步进。对于反演,采用基于L2范数的模型正则化方法和最小二乘最优化方法。其次,通过模型算例和现场实例对三维反演方法进行了测试。在模型算例中,低阻三维块体得到了较好的恢复。在现场实例中,三维反演结果与实际地质情况一致。模型算例和现场实例都表明,提出的基于显式有限差分正演的三维瞬变电磁反演方法是可靠的。     

基于有限内存拟牛顿法的电阻率法三维主轴各向异性反演研究

基于各向同性假设的电阻率法三维正反演方法成熟并得到广泛应用.由于地下介质普遍存在电阻率各向异性,为提高反演精度,各向异性介质的三维正反演问题有待深入研究.本文将三维正演中总场分为一次场和二次场计算,二次场使用非结构网格有限单元法求解,基于有限内存拟牛顿法,系统研究了电阻率法三维主轴各向异性反演.通过设计低阻异常体与双异常体模型,利用地表、地井、井地与井间多种观测方式的合成数据进行了反演试算.反演结果表明：三维主轴各向异性反演能够可靠恢复异常体的位置与形状.与仅在地表采集数据的反演结果对比,地井、井地与井间多种观测数据的加入,反演结果能更好地恢复异常体的各向异性特征.证明了本文基于有限内存拟牛顿法电阻率三维反演方法的可行性与有效性.     

航空瞬变电磁法一维正反演研究

优化了航空瞬变电磁法一维正演算法,采用新的汉克尔变换系数,理论上提高了正演的精度.提出了航空瞬变电磁法一维反演算法——模型交替调整反演算法,阐述了该算法的原理和计算方法,编写出反演程序,以已知模型正演响应作为实测数据,对若干典型模型进行了反演计算,取得了较理想的反演效果,与Zohdy法相比,该方法有更高的精度.     

隐蔽油气藏地震预测技术研究新进展

本文分析了隐蔽油气藏预测的现状和存在问题,在详细介绍了地震技术预测隐蔽油气藏的研究进展的基础上,阐述叠前保幅地震资料处理、正演模拟、岩石物理参数分析、地震反演、AVO分析和叠前弹性反演等技术的特点,指出了隐蔽油气藏定量描述需在叠前真振幅处理地震资料的基础上,岩石物理参数研究和正演结合探究含油气性地震属性特征,正演与反演相互结合和验证,岩石物理分析技术贯穿地震正、反演的整个过程,是今后隐蔽油气藏勘探发展的必然趋势.     

轴对称地层中高分辨率阵列侧向测井信赖域反演法

本文研究轴对称地层中高分辨率阵列侧向测井(HRLA)的多参数信赖域反演方法.首先对前期HRLA的有限元正演方法进行改进,提出基于叠加原理和并行直接稀疏求解器PARDISO的快速正演方案,更适合于反演计算.将HRLA反演问题转化为非线性最小二乘问题,利用信赖域算法求解.为提高反演速度,推导了目标函数对优化参数偏导数的具体计算公式.对典型地层模型,与已有文献中Jacobi预条件共轭梯度法(JCG)计算结果比较,发现PARDIDO比JCG快10倍以上,验证了本文正演程序的正确性与高效性.利用信赖域算法求解了电阻率四参数反演和传统的三参数反演.研究结果表明:并行直接稀疏求解器PARDISO能有效求解此类HRLA正演问题,对6次不同探测深度的测井模拟,所形成的有限元刚度矩阵完全相同,只须进行一次矩阵分解,大大加快了正反演的速度.信赖域算法收敛速度快,且具有全局收敛性.HRLA的信赖域反演结果几乎不依赖于初值的选取,从较差初值出发仍能得到满意的反演结果.另外信赖域算法抗噪能力比较强,即使对测井数据添加信噪比为10dB(甚至5dB)的高斯白噪声,仍能通过反演得到较为准确的地层参数.     

基于面向对象思想的正演反演统一框架结构

运用面向对象思想分析地球物理正演与反演问题,提出了一种基于有限单元正演与正则化非线性最小二乘反演的统一框架结构.该框架采用稀疏线性系统求解作为正演的基础类;分别建立一维、二维、三维的几何模型类,用于完成模型的剖分与有限单元钢度矩阵的生成,其中与单元物质属性相关的计算采用纯虚函数的形式,在具体解问题中实现;以正则化非线性最小二乘最优化算法作为反演基础类,反演中有关模型的正演数据计算及Fréchet矩阵求解等采用纯虚函数的形式,在具体问题中进行计算.框架结构的建立提高了代码的重用性与程序开发速度;对地质单元采用统一的空间剖分,有利于开展联合反演程序设计.     

时间域航空电磁三维并行反演研究（英文）

为提高复杂条件下时间域航空电磁数据解释精度,本文开展了时间域航空电磁三维并行反演算法研究。该算法中的三维正演是基于有限差分技术,并采用"移动脚印"技术来减小实际计算模型尺寸;三维反演基于Gauss-Newton反演方法,并采用显式灵敏度矩阵计算技术减少反演过程中的正演次数。为提高三维反演的效率,本文基于OpenMP并行库实现了三维反演的并行化。从理论和实测数据的三维并行反演结果可以看出本文的并行化策略明显地提高了三维反演的速度,能够胜任大数据量时间域航空电磁实测资料三维反演解释任务。     

电测深曲线二维反演技术及应用

本文对应用有限元及阻尼最小二乘法进行电测深二维反演解释技术做了进一步的研究。在区域网格剖分方法、有限元系数矩阵的合成、雅可比矩阵的计算及法方程的解法等方面进行了改进。由此在微机和工作站上设计了程序软件，经过对理论电测深曲线及实测电测深曲线进行的二维反演解释，结果表明，在微机和工作站上实现的二维反演解释软件可以用于实际测深资料的解释。     

Large-scale three-dimensional inversion of EarthScope MT data using the integral equation method

In this paper we apply 3D inversion to MT data collected in the Northwestern United States as a part of the EarthScope project. By the end of 2009 MT data had been collected from 262 stations located throughout Oregon, Washington, Idaho, and most of Montana and Wyoming. We used data from 139 MT stations in this analysis. We developed fully parallelized rigorous 3D MT inversion software based on the integral equation method with variable background conductivity. We also implemented a receiver footprint approach which considerably reduced the computational resources needed to invert the large volumes of data covering vast areas. The data set used in the inversion was obtained through the Incorporated Research Institutions for Seismology (IRIS). The inversion domain was divided into 2.7 M cells. The inverted electrical conductivity distribution agrees reasonably well with geological features of the region.     

Out‐of‐plane effects in 2D borehole‐to‐surface resistivity tomography and applications in mineral exploration

In this paper, we discuss the effects of anomalous out‐of‐plane bodies in two‐dimensional (2D) borehole‐to‐surface electrical resistivity tomography with numerical resistivity modelling and synthetic inversion tests. The results of the two groups of synthetic resistivity model tests illustrate that anomalous bodies out of the plane of interest have an effect on two‐dimensional inversion and that the degree of influence of out‐of‐plane body on inverted images varies. The different influences are derived from two cases. One case is different resistivity models with the same electrode array, and the other case is the same resistivity model with different electrode arrays. Qualitative interpretation based on the inversion tests shows that we cannot find a reasonable electrode array to determine the best inverse solution and reveal the subsurface resistivity distribution for all types of geoelectrical models. Because of the three‐dimensional effect arising from neighbouring anomalous bodies, the qualitative interpretation of inverted images from the two‐dimensional inversion of electrical resistivity tomography data without prior information can be misleading. Two‐dimensional inversion with drilling data can decrease the three‐dimensional effect. We employed two‐ and three‐dimensional borehole‐to‐surface electrical resistivity tomography methods with a pole–pole array and a bipole–bipole array for mineral exploration at Abag Banner and Hexigten Banner in Inner Mongolia, China. Different inverse schemes were carried out for different cases. The subsurface resistivity distribution obtained from the two‐dimensional inversion of the field electrical resistivity tomography data with sufficient prior information, such as drilling data and other non‐electrical data, can better describe the actual geological situation. When there is not enough prior information to carry out constrained two‐dimensional inversion, the three‐dimensional electrical resistivity tomography survey is the better choice.     

大斜度井和水平井井地三维电阻率数值模拟和联合反演

井地电阻率成像法利用井套管作电流源向井下供入大功率直流电流,在地表测量由地下介质的电性变化形成的电位分布,通过反演可得到地下介质的电阻率分布.针对大斜度井和水平井开展井地三维电阻率数值模拟和反演研究,对油田注水及压裂效果监测具有重要意义.基于井地电阻率成像法原理,采用有限差分法和不完全切勒斯基共轭梯度法进行了三维正演模拟,研究了大斜度井和水平井的井地电位响应特征.提出了采用层状约束阻尼最小二乘法由浅到深地进行大斜度井和水平井的多层联合反演,并对实际水平井井地电位各个层段数据进行了三维反演.模拟结果表明,倾斜线源和水平线源会对地面电位响应产生明显影响,在反演中需要考虑线源形态.实际水平井井地电位反演成像表明,考虑倾斜线源或者水平线源的联合反演得到了准确的水平井三维注水层成像图,得出注水层的真电阻率分布,能够判断注水运移方向.     

基于不等式约束的最小二乘法三维电阻率反演及其算法优化

基于光滑约束的最小二乘法是三维电阻率反演的主要方法,但该方法在某些情况下存在着多解性较强的问题,且普遍耗时较长,严重制约了三维反演方法的推广与发展.为改善上述问题,将表征模型参数变化范围的不等式约束作为先验信息引入最小二乘线性反演方法中,有效地改善了反演结果的精度,降低了反演的多解性问题.为了解决耗时较长的问题,基于预条件共轭梯度(PCG)算法和Cholesky分解法的特点提出了一套优化三维电阻率反演计算效率的计算方案.在该方案中,Cholesky分解法被用来求解敏感度矩阵计算中的多个点源场的正演问题,Cholesky分解法只需对总体系数矩阵进行一次分解,然后对不同的右端向量进行回代即可.将预条件共轭梯度法引入到三维电阻率反演方程的求解中,将雅可比迭代中的对角阵作为预处理矩阵,其具有求逆方便、无需内存空间的特点,有效地加快了收敛速度.对合成数据以及实测数据的反演算例表明,借助不等式约束和反演效率优化方案,最小二乘反演方法可得到较为精确的反演结果,有效地提高了反演计算效率,具有良好的推广前景.     

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.     

天祝-永登地区大地电磁资料的一维各向异性反演

对分布在甘肃天祝、永登一带的10个大地电磁测点资料进行了一维各向异性介质反演研究，并与二维对称各向异性介质反演结果进行了对比。结果表明在大多数情况下一维各向异性反演有可能揭示出地壳介质电导率各向异性结构的主要特征；同时利用某些平均阻抗和特征阻抗的一维各向同性介质反演亦可获得较为可信的电性分层界面。反演所获得之介质电导率可能为各主方向电导率主值的某种平均。     

井地电法的准解析近似三维反演研究

研究复杂地电模型上的井地电法三维反演一直是一个具有挑战性的课题。本文在准解析近似和重加权正则化的共轭梯度法的基础上,用visualFortran6.5开发了井地电法三维准解析近似反演程序。反演过程中的正演和Frechet导数矩阵计算都应用准解析近似大大提高了计算的速度。通过理论模型的合成数据反演试算,说明基于准解析近似法和加权正则化的共轭梯度法的井地电法三维反演程序有着计算速度快,反演精度高等特点。     

电阻率层析成像非线性反演

本文通过概率成像法、α中心法、遗传算法的有机结合, 实现了2-D电阻率层析成像非线性反演.首先,根据概率成像结果指示出的2-D地质异常体的相对电性和大致分布范围,合理地确定出α中心的位置与强度系数的变化范围.其次,以α中心法作为2-D地电结构的正演手段,采用遗传算法反演出各α中心的强度系数.在此基础上, 应用α中心法重新构建出地下介质电阻率的分布.通过对均匀半空间中赋存2-D地质异常体模型的反演试验, 获得了令人满意的结果.     

An application of three-dimensional electrical resistivity imaging for the detection of an underground waste-water system

A 3D electrical resistivity imaging survey is presented in this paper. The objective was to investigate an underground wastewater system at the University of Malaya, Malaysia. Apparent resistivity data were collected along ten parallel lines using a Wenner-Schlumberger configuration; electrode cables were oriented in the x-direction with 3 m spacing. Roll-along measurements using a line spacing of 3 m were carried out covering a grid of 20 × 10 electrodes. All data sets were merged into a single data file in order to perform a 3D inversion. Two different 3D least squares algorithms, based on the robust inversion method and the smoothness-constrained technique, were used for the inversion of the apparent resistivity data. Both the horizontal and vertical extents of the anomalous zones found by inversion are displayed. The results indicate the superiority of the robust inversion method over the smoothness-constrained technique at this site. The results are in sufficient accordance with previously known information about the investigation area. The results show that 3D electrical resistivity imaging surveys, in combination with an appropriate 3D inversion method, can be highly useful for engineering and archaeological investigations as well as for environmental applications.