重力密度界面反演方法研究进展

重力位场的界面反演是位场处理解释中的重要问题.本文针对重力密度界面的反演问题,较全面的介绍了一些有代表性的方法,包括空间域反演方法和频率域反演方法.重点阐述了当前占主流的频率域中的Parker-Oldenburg迭代方法,在此基础上讨论了重力密度界面反演目前存在的问题和以后的发展方向.     

深部大尺度单一密度界面重力异常迭代反演

对于深部大尺度单一密度界面的重力异常反演,需顾及球形观测面和重力铅垂线变化的影响。为此,本文通过球谐展开,得到重力异常的级数展开式,并推导出积分形式的反演迭代解。该迭代方法要求设法分离出单一密度界面的重力异常,已知界面上、下层的密度差和尽可能多的深度控制点。模型和实例显示其效果良好,可用于莫霍界面、岩石层底界面等深部密度界面重力异常的反演。     

深部大尺度单一密度界面重力异常迭代反演

对于深部大尺度单一密度界面的重力异常反演,需顾及球形观测面和重力铅垂线变化的影响。为此,本文通过球谐展开,得到重力异常的级数展开式,并推导出积分形式的反演迭代解。该迭代方法要求设法分离出单一密度界面的重力异常,已知界面上、下层的密度差和尽可能多的深度控制点。模型和实例显示其效果良好,可用于莫霍界面、岩石层底界面等深部密度界面重力异常的反演。     

变密度界面模型重力异常反演的B样条函数法

重力异常反演是一个求解第一类非线性积分方程的问题。当三维界面起伏满足│Δｈ│〈０．４１４ｈ０和二维界面起伏满足－ｈ０〈Δｈ〈０．４１４ｈ０时，积分方程的被积函数可Δｈ的级级数形式。     

基于Lp范数正则化的V字型密度界面重力反演

V字型密度界面是一类常见的密度界面,如海沟、半地堑以及俯冲带之下的莫霍面,利用重力数据刻画此类密度界面形态对于区域构造研究、油气勘探以及物理海洋学等都具有重要意义.本文首先建立了L_p-范数形式的模型约束函数,并利用正则化原理将其与重力数据误差函数和已知深度约束函数结合形成V字型密度界面反演的目标函数,推导了目标函数的梯度表达式,并以非线性共轭梯度法为核心给出了反演流程.二维简单模型试算结果表明p=5时该方法能准确地刻画V字型密度界面起伏特征,且亦能准确地应用于二维复杂密度界面和三维界面的反演.最后将反演方法应用于挑战者深渊及邻区的实际资料处理之中,利用研究区海底地形数据和沉积层厚度数据对自由空间重力异常逐层剥离而得到莫霍面引起的重力异常,用本文方法对此重力异常进行反演,结果呈现了板块俯冲作用引起的V字型莫霍面起伏特征.     

扩展的倾斜角和倾斜角总水平导数方法

为了突出显示重磁场中地质体分布、断裂构造特征等信息,使图像显示错落有序、层次分明、清楚直观,有利于解释人员从不同角度认识重磁场异常特征.本文通过分析倾斜角概念,根据反余切函数特性,提出了扩展的倾斜角(iTdr)和倾斜角总水平导数(iTdr_Thdr)方法,来增强重磁异常信息,突出异常形状特点,以便于识别重磁异常中地质体边界和提取地质体分布、断裂构造平面展布特征等信息.理论模型和实际资料对比分析表明该方法简单、实用、具有较好的识别效果和较高的分辨能力,能够获取丰富的地质信息,对识别地质体边界、划分大地构造单元、确定断裂带和地质构造走向等具有实际意义.     

归一化总水平导数法在位场数据解释中的应用

本文提出归一化总水平导数法,通过对总水平导数进行空间归一化计算实现了异常体水平位置和深度的估计,此外还推导出基于归一化总水平导数的欧拉反褶积法来估算地下地质体的空间位置,两种方法反演结果的相互验证可有效地提高反演结果的可信度.理论模型试验证明空间归一化总水平导数法和归一化总水平导数欧拉反褶积法均能有效地完成异常体的水平位置和深度的估计,所获得的位置参数与理论值相一致.在利用归一化总水平导数法进行磁异常解释时,对数据进行化磁极计算可得到更加准确的结果.将其应用于实际航磁数据的解释,获得了岩脉的大致分布特征.     

基于深度学习U-net网络的重力数据界面反演方法

重力数据的密度界面反演是位场数据解释中的一项主要工作, 在区域构造演化、深部莫霍面确定等领域的研究中发挥重要作用.近年来, 数据驱动的深度学习方法广泛地应用在地球物理数据处理与反演中, 本文提出一种基于深度学习U-net网络的重力数据密度界面反演方法.首先, 对半椭球体界面模型进行随机抽取和组合进而形成地下起伏界面数据集, 并基于Parker正演理论对界面数据集进行重力异常正演计算, 为深度学习网络模型的训练提供特征完备的数据源; 其次, 设计了基于U-net网络模型的深度学习界面反演算法, 在传统的损失函数基础上增加光滑损失项和过拟合抑制项, 提高重力界面反演结果的光滑性和收敛效率; 最后通过测试样本集进行反演预测, 验证建立深度学习网络模型的泛化性.本文通过理论模型和实际数据试验分析了本文方法在密度界面反演中的有效性和实用性, 基于改进损失函数约束的深度学习界面反演方法有效地提高了密度界面反演的收敛效率和计算稳定性.

     

Detection and interpretation of the Earth’s free oscillations excited by the great Sumatra-Andaman earthquake with GGP station data

The mode serials of the Earth’s free oscillation provide some important information on the Earth’s deep structure and superconducting gravimeters (SG) can investigate the phenomena of the Earth’s free oscillations with high accuracy. The great Sumatra-Andaman earthquake fully excited the Earth’s free oscillations and these signals were perfectly recorded by five superconducting gravimeters in the globe. After the pre-treatment and spectral analysis on the SG observation data, we obtained the experimented mo...     

空-地-井重力异常正则化协同密度反演方法

围绕综合利用空-地-井多源重力异常联合反演提升精度的目标,提出正则化协同密度反演方法,从而有效利用多维数据的横向和纵向变化特征提高反演精度,且无需先验信息的约束.此外,还提出利用奇异值谱和深度分辨率工具评价航空数据观测高度和层数对反演分辨率的影响.通过理论模型试验本文方法在空-地、地-井等不同情况下的应用效果,结果表明空-地-井重力异常正则化协同密度反演方法能获得更高分辨率、高精度的反演结果,且证明不同的钻孔位置对反演结果有较大的影响,从而可指导实际的空-地-井联合勘探.最后,利用文顿盐丘实际勘探数据进行空地和空地井重力数据协同反演,反演结果垂向分辨率明显优于地面观测数据反演结果,盐盖的顶面及中心埋深与前人研究和地质资料解释相吻合,验证了方法正确性及实用性,为推进我国空-地-井立体重磁勘探提供了重要的技术手段.

     

利用2009年日全食的精细重力观测探寻“引力异常”

日全食期间在是否存在"引力异常"现象是一个关系到引力本质的重大问题,也是一个十分具有现实意义的科学问题.近一个世纪来,许多科学工作者作了大量的观测和实验,研究日全食期间的"引力异常"现象.肯定的、否定的结果并存,更多的是难以确定的结果.在学习、总结和发展了前人工作的基础之上,本文利用7台LaCoste-Romberg重力仪和1台SG-053超导重力仪,对2009年7月22日日全食期间的重力变化进行了精细的观测.研究利用了目前最好的观测环境和观测仪器,无论观测规模还是观测质量在近百年来日全食的重力观测研究中都是首屈一指的.在经过详细的数据处理和图像分析后,可以确定,日全食期间不存在现有观测能力之上的引力异常,以往发现的异常现象受剧烈的气象变化影响可能性极大.另外,在处理重力观测数据时,本文合理的利用了最小二乘多项式拟合法去除理论潮汐值,使计算得以简化,结论更加可靠.     

Spherical earth gravity and magnetic anomaly analysis by equivalent point source inversion

To facilitate geologic interpretation of satellite elevation potential field data, analysis techniques are developed and verified in the spherical domain that are commensurate with conventional flat earth methods of potential field interpretation. A powerful approach to the spherical earth problem relates potential field anomalies to a distribution of equivalent point sources by least squares matrix inversion. Linear transformations of the equivalent source field lead to corresponding geoidal anomalies, pseudo-anomalies, vector anomaly components, spatial derivatives, continuations, and differential magnetic pole reductions. A number of examples using 1°-averaged surface free-air gravity anomalies and POGO satellite magnetometer data for the United States, Mexico and Central America illustrate the capabilities of the method.     

Determination of gravity anomaly at sea level from inversion of satellite gravity gradiometric data

Gravity gradients can be used to determine the local gravity field of the Earth. This paper investigates downward continuation of all elements of the disturbing gravitational tensor at satellite level using the second-order partial derivatives of the extended Stokes formula in the local-north oriented frame to determine the gravity anomaly at sea level. It considers the inversion of each gradient separately as well as their joint inversion. Numerical studies show that the gradients T_zz, T_xx, T_yy and T_xz have similar capability of being continued downward to sea level in the presence of white noise, while the gradient T_yz is considerably worse than the others. The bias-corrected joint inversion process shows the possibility of recovering the gravity anomaly with 1 mGal accuracy. Variance component estimation is also tested to update the observation weights in the joint inversion.     

约束变密度界面反演方法

三维密度界面反演具有严重的多解性,已有方法较少利用已知信息约束反演过程,导致界面反演结果可信度降低.本文在反演过程中,利用已有地质信息作为约束条件,有效提高了三维界面反演结果的准确性.该方法具有如下特点:1)利用指数变密度模型,通过已知密度分布计算模型参数,使其更加接近实际密度分布;2)引入已知深度点约束,提高了反演结果的准确性;3)引入深度加权函数,纠正界面畸变,使其适用于界面起伏较大的情况;4)频率域正演与空间域迭代反演相结合,在提高计算速度的同时保证反演收敛.通过模型检验,证实了方法的有效性,并将该方法应用于中蒙边境地区东段莫霍面深度反演中,效果良好.     

普光气田重力异常的视密度反演

普光气田是我国近年发现的最大气田．根据气田储层和盖层的岩石密度,估算普光气田上约有零点几毫伽量级的重力异常．但由于区域场和其他岩石的影响,气田的负异常受到严重的干扰．我们使用基于位场切割分离和位场大深度向下延拓的视密度反演新方法,在普光气田上得到明显的负密度异常．在川东北其他一些气田上,也得到负密度异常．根据视密度反演结果,对川东北的含气远景区做了预测．     

金川—芦山—犍为剖面重力异常和地壳密度结构特征

重力剖面金川—芦山—犍穿越芦山震区,近垂直于龙门山断裂带南段,长约300 km,测点距平均2.5 km,采用高精度绝对重力控制下的相对重力联测与同址GPS三维坐标测量,获得了沿剖面的自由空气异常和布格重力异常,并对布格重力异常进行了剩余密度相关成像和密度分层结构正反演研究.结果表明,芦山地震所在的龙门山断裂带南段存在垂直断裂走向的宽广的巨型重力梯级带,重力变化达252×10-5 m·s-2以上(龙泉山以西),反映出四川盆地与松潘—甘孜地块地壳厚度陡变(约14.5 km)性质;四川盆地与松潘—甘孜地块过渡区(龙门山断裂带与新津—成都—德阳断裂之间)存在(30~50)×10-5 m·s-2的剩余异常"凹陷",可能与上地壳低密度体、山前剥蚀与松散堆积和推覆体前缘较为破碎有关;剩余密度相关成像显示地壳密度呈现分段性特征,在芦山地震位置出现高低密度变化;地壳呈现三层结构,四川盆地上、中、下地壳底界面平缓,反映其稳定阻挡作用,而松潘—甘孜块体上、中、下地壳底界面明显往盆地逐步抬升,反映出青藏高原往东的强烈挤压作用;松潘—甘孜块体往东推覆变形主要集中在上地壳范围内,推覆深度随离龙门山断裂带愈近而越浅.本文通过对密度分布及结构特征的研究,分析了芦山地震及龙门山地区地壳构造背景和当前活动性的深部动力环境特征.     

青藏高原地壳三维密度结构的重力反演

在阻尼最小二乘法的基础上,提出了利用重力进行三维密度反演的选权拟合法,并利用密度分布的特点构造了约束权矩阵.为了改善单一重力反演的非唯一性,利用地震面波层析成像资料进行约束,得到了青藏高原不同深度高分辨率三维密度异常分布图.反演结果显示,青藏高原地壳内密度很不均匀,不同块体具有不同的密度异常特征,拉萨和羌塘地体为低的负密度异常区,松潘-甘孜地体东部存在较低的负密度异常区,塔里木盆地存在较高的正密度异常区.从中部到东部,上地壳物质存在差异,而下地壳物质存在一定连续性.     

On the solution of the boundary problem of the potential theory by means of the vertical derivative of the gravity anomaly

Summary The boundary problem of the potential theory is treated for the case in which the values of the vertical derivative of the gravity anomaly are known. There boundary conditions are derived and alternatives are also treated.Dedicated to RNDr. Jan Pícha, CSc., on his 60th Birthday