矿区重力三维物性反演的参考模型构建方法及应用

矿区重力数据三维约束反演是摸清深部成矿环境的重要技术手段,其关键在于有效地引入先验信息。参考模型是一种简单有效的约束引入方法,可显著提升反演质量。本文探讨实际应用中参考模型的构建方法,将地质图、物性统计以及地层界面信息有效引入到反演中,获得符合地质认识的可靠结果。在张麻井矿区构建参考模型约束并进行重力三维反演,约束反演结果与地表露头信息相符,且与钻孔揭示的层位信息吻合,而无约束结果与实际差异较大。因此,构建参考模型约束有较高的实用价值,对改善重力三维反演结果具有重要作用,值得推广应用。     

直流电阻率测深中二维与三维反演结果的对比与分析

直流电阻率测深中,用二维反演程序对三维地质体进行了反演,并与三维反演结果进行对比和分析。首先,对比二维和三维最小二乘反演在正演模拟算法和先验信息的确定方法;然后,对若干比较典型的模型进行反演实例对比。由于二维程序反演仅考虑单个剖面的电阻率信息,无论是在异常位置、形态及电阻率特性上,其反演精度都比较低;三维电阻率反演综合了多个测深剖面的电阻率信息,其结果与实际模型吻合得非常好。     

基于已知信息约束的重磁三维反演在深部磁铁矿勘查中的应用——以安徽泥河铁矿为例

安徽泥河铁矿是一个典型的玢岩型铁矿,矿体埋深大,在地表产生的重磁异常幅值较小。为评估重磁资料精细处理与三维反演在磁铁矿深部勘查中的应用效果,选择泥河铁矿开展基于已知信息约束的重磁反演试验:首先通过模型试验对比了不同已知信息约束条件下的三维反演效果,然后通过针对性的位场分离方法提取了泥河铁矿的剩余重磁异常,将已知的地表地质信息转化为物性信息,构建了剩余密度和磁化率参考模型,用以约束重磁三维反演。根据反演所得密度体及磁化率体的三维分布模型,结合物性与岩性之间的关系,确定了泥河铁矿体的三维空间形态,该结果与地质勘探结果基本吻合。研究结果表明,基于已知信息约束的重磁三维反演,可以大幅提高反演结果的可靠性,对于高磁高密度的磁铁矿而言,是寻找和刻画深部磁铁矿体的有效方法。     

基于梯度投影法的全变差正则化全波形反演

为降低地震全波形反演的不适定性,常用方法是引入未知模型的先验信息,从而将反演问题正则化。但是,传统正则化方法在包含多个先验信息的情况下,仍然面临挑战。本文提出一种扩展的全波形反演公式,其中包含对模型的凸集约束。本文以慢度平方作为反演的模型参数,展示了如何在施加全变差约束的同时,施加边界约束令其保持在一个物理意义上的可行范围内。为验证本文所提算法的适用性,分别开展简单模型及国际标准地质模型数值实验研究,结果表明,全变差正则化的引入可以提高光滑背景模型下高速扰动体的重构效果。     

瞬变电磁测深数据的灵敏度分析

灵敏度反映了观测数据对模型参数变化的响应情况,灵敏度分析可用于考察某种地球物理探测方法对特定地质异常体的分辨能力,或帮助选择合适的探测方法。灵敏度计算也是迭代反演方法中最为关键的环节,它决定了反演的精度与速度,这里对多例典型地电模型（厚覆盖层、低阻覆盖层和高阻覆盖层）的灵敏度进行了计算,得出了该方法对不同模型的各个参数变化的响应。     

利用小波变换确定电磁测深曲线拐点的应用研究

电磁测深数据是地下地质体对电磁波传输特性的综合反映。由于地下情况的复杂性和地质体对电磁波特性反映的迟钝性,往往由电磁波携带的有用信息非常弱小和复杂,因此,要想通过正演对比和建模反演的方式来准确解释电磁测深资料和正确建立反演模型是相当困难的。电磁波在均匀介质中传播时,其幅度按指数规律单调递减,而随着地下地质体的变化将会改变这一规律。通过寻找测深曲线的拐点,就可以确定地下地质体的基本形态和分界情况,从而为资料定性解释和反演建模提供参考。然而在实际应用中,要直接求出观测曲线的拐点是不可能的。小波变换方法被称为“数学显微镜”方法,用小波变换来处理观测信息后,在不同尺度的小波变换结果中,分析结果是一种非常实用可行的方法。     

时移可控源音频大地电磁法三维反演研究

时移地球物理监测是观测地下物性参数随时间动态变化的有效方法。地球物理反演结果会受到测量误差、测量环境的噪声污染以及地球物理反演多解性等系统性因素的影响。如果对时移地球物理数据进行不同时刻数据的单独反演,可能会导致不同时刻的反演结果可对比性差,从而影响时移地球物理的监测效果。针对可控源音频大地电磁法在监测领域的实际需求,将不同时刻的观测数据放在一起反演,不同时刻的电阻率模型相互约束,实现了时移可控源音频大地电磁法三维反演。设计三种类型模型进行合成数据的单独反演和时移反演对比试算,验证了时移反演算法的有效性。反演结果表明：通过加入相邻时刻模型约束,时移反演可以更好地聚焦异常体的位置,降低噪声以及测量环境变化对反演结果的影响,防止反演伪影掩盖真实的地下变化。研究成果为时移可控源音频大地电磁法的实际应用奠定了良好基础。     

基于贝叶斯理论面波频散曲线随机反演

面波频散曲线反演是获得地下横波速度结构的重要地球物理方法。常规基于迭代最小二乘等线性反演方法依赖于初始模型,且存在多极值、容易陷入局部最小、反演精度低等问题。基于贝叶斯理论的随机反演方法是一种可以融合先验信息的非线性反演方法,该方法无需人为给定初始模型,仅利用先验信息对模型进行随机采样,根据概率分布筛选接受合适的后验概率密度估计结果,可达到对细节信息的准确估计。本文针对瑞利面波频散曲线,提出了基于GPR数据先验资料约束的贝叶斯马尔科夫蒙特卡洛(MCMC)随机反演方法,通过随机改变模型参数并计算其频散曲线与实际频散曲线的似然函数来选择是否接受新的模型参数,不断重复此过程,最终得到与实际频散曲线拟合效果最佳的最优解以及横波速度解的后验概率密度分布。通过理论模型以及实际数据反演测试,验证了该方法与常规无约束的随机反演相比,可以有效地提高反演速度和反演精度。     

二维局部异常体与起伏地形复杂电磁场的畸变矩阵性质研究

在大地电磁(MT/AMT)中,当浅地表存在小尺度的局部异常体时,在其附近的测点会产生电磁场畸变,导致观测阻抗和区域阻抗之间产生较大的偏差,进而给反演带来困难。阻抗张量分解可以用来减小局部异常体所导致的畸变影响,进而获得更为符合实际情况的区域构造信息,因此对局部异常体和起伏地形所造成的畸变规律的研究,对大地电磁数据处理具有非常重要的意义。这里利用基于非结构化网格的大地电磁正演程序进行正演模拟计算,设计了一个二层介质模型,将其计算结果作为区域电磁场响应信息,同时将存在局部异常体和地形起伏时的计算结果作为观测数据,进而求解电磁场畸变矩阵。通过设置具有电性参数差异的局部异常体以及起伏地形模型,研究其对电磁场所导致的畸变影响。研究结果表明,对于类似模型在研究的频率范围内,具有电阻率差异的局部异常体和地形起伏将会导致电场数据产生较严重的畸变,而磁场在该频段几乎不受畸变影响;在高频段电场畸变矩阵不能简单地认为是实数,其虚部数值较大,畸变矩阵性质更为复杂,且与频率相关。     

重力梯度数据协克里金三维反演确定岩脉倾向

采用协克里金法处理重力或重力梯度数据反演地下3D密度时,岩脉倾角的先验信息是否合理决定了反演结果的好坏。为了使协克里金法在先验信息不充足时也能得到理想的反演效果,我们提出角度扫描的方法来获取岩脉倾角信息:在保持其他反演参数不变的前提下,假设模型的倾斜角度未知,每次引入不同角度进行协克里金反演,再根据先验信息剔除不合理密度值,得到密度分布;统计预测数据与测量数据拟合残差的标准差,根据极小值对应的角度估计岩脉的倾角。本文基于4种不同倾斜角度(0°,45°,90°,135°)岩脉模型的重力梯度垂直分量Tzz验证方法有效性,都能够准确地估计出岩脉倾斜角度。这使得协克里金法在岩脉倾角未知的情况下,也能得到较好的反演结果。     

基于柯西先验分布的叠前弹性阻抗反演方法及应用

以贝叶斯反演为代表的概率化反演方法既能考虑观测数据的不确定性,又可以考虑待求解参数的先验信息,在实际地震反演中备受青睐。经研究表明,在柯西先验信息下获取的反演结果更具有稀疏性,且具有高分辨特征。叠前弹性阻抗反演是一种基于多角度部份叠加剖面的叠前地震反演方法,信息量丰富,计算效率高。这里在贝叶斯框架下,实现了基于柯西先验的叠前弹性阻抗反演方法,并提取了对储层流体敏感的弹性参数。实际资料应用表明,基于柯西先验的弹性阻抗反演方法合理可靠,具有较高的分辨能力,且提取的弹性参数能够较好地吻合实际钻遇结果。     

磁总场梯度数据三维反演方法及应用

磁总场三方位梯度数据相对于总场数据包含更丰富的异常信息,将梯度数据应用于三维磁化率反演中,可以更准确地描述异常体。本文采用最小模型结构反演方法进行三维磁化率反演成像,并采用对数障碍法对磁化率的反演取值范围进行约束。通过模型试验,对磁总场异常数据及其三轴梯度数据进行单独反演、联合反演,结果表明三轴梯度联合反演结果可以更好地刻画异常体形态,更有效地分辨邻近异常体,反演物性更合乎实际。将此反演技术应用于大冶铁矿高精度航磁数据反演解释,取得了较好的应用效果。     

有限单元法三维电阻率最小二乘反演中存在问题的研究

针对有限单元法在三维电阻率最小二乘反演中关于深部单元的反演能力、反演稳定性和速度问题进行了讨论与改进.首先构造了全新的"体积因子"作为先验信息加入到电阻率反演中,使地质体赋存区域的电阻率变化更符合实际情况,提高了深度较大的地质体的分辨能力.反演计算中对实测电阻率数据和模型正演数据分别取对数,并改进迭代修正量的计算方法,将以前的加减修正量改为与修正量指数之积,这样,不但可以改进电阻率模型出现负值的缺陷,提高反演计算的稳定性,而且还可减少迭代次数;针对反演时间过长的缺陷,将三维全域反演改为三维局域反演,使每次迭代的时间由4 h减少到目前的15 min;对模型的反演计算表明,以上改进是非常有效的.     

大地电磁测深反演的现状和进展

近十多年来,大地电磁资料的反演工作引起了许多地球物理学家,特别是反演问题专家的极大兴趣。各种反演方法的提出,标志着反演水平的不断提高和反演理论的进一步完善。由于实际大地电磁(下称MT)资料的观测频率点数有限,并且具有误差,不管在理论上还是在实践中都给反演工作带来了一些急待解决的问题。它们主要是:存在性,即给定一组观测数据以后,是否一定存在能拟合观测数据的模型?模型构制,如果对存在性回答是肯定的,如何构制这种模型?非唯一性,是只有一个还是许多个模型都可拟合观测数据?评价,如何从所有能拟合观测数据的模型中提取有用的共同信息?这四人问题是近年来MT反演工作的中心和重点。     

基于井数据约束的高精度层析速度反演

测井数据是一种准确可靠的先验信息。在层析反演方程组中加入井数据信息一定程度上提高了反演精度和效率,但仍无法精确描述微幅构造地质体。针对这一特点,笔者提出了基于井数据约束的高精度层析速度反演方法。首先进行常规的井约束层析速度反演,假定测井处的网格速度不更新,建立井约束反演方程组,更新速度场,得到初步的偏移成像结果;然后在此基础上利用测井速度信息约束偏移深度,对更新后的速度场进行速度分析及精细化建模,提高速度建模精度,同时减少了反演迭代更新次数,提高了反演效率。模型试算及实际资料处理结果表明,该方法具有更高的反演精度和计算效率。     

网格剖分对大地电磁测深反演精度的影响

网格剖分的合适与否,影响着反演结果的精度。用不同模型、不同反演方法,对比验证粗细两种不同的网格对反演精度的影响。研究结果表明,从整体上看两种不同网格剖分方式,粗网格在深部比细网格模拟精度高,但是近地表开始阶段,粗网格与细网格波动幅度都较大,都脱离正常值,粗网格模拟精度不如细网格;粗网格的整体变化幅度比细网格缓和,其中对低阻异常体反演精度较好,但对高阻异常体反演精度较差,与真实值相去甚远。     

一种全新的大地电磁解释法

求得更接近真实的地球物理模型是地球物理工作的最终目的.地球物理学家近几十年来为此作了不懈的努力,其中包括改进和试制新的仪器设备以取得更精确、更完善的观测数据,以及研究更好的反演方法以求得最佳的地球物理模型.大地电磁测深法也不例外.在观测数据的点数和精度一定的情况下,如何获得更好的地球物理模型,就成了地球物理学家,特别是反演问题专家十分艰巨的任务.近十多年来,各种反演方法像雨后春笋拔地而起,层出不穷,在不同的约束或近似条件下,各种方法都取得了能拟合观测数据的特定模型.反演方法之众多,恰好从反面说明解的非唯一性的严重.因此,如何缩小和判断解的非唯一性,提高其可靠性,就成了当今反演问题专家的最为重大的课题.     

在大地电磁二维Occam反演中求取拉格朗日乘子方法改进

Occam反演具有可靠性和加上各种先验信息可行性的优点,但是因为求取拉格朗日乘子需要很长时间,所以前人提出了几个直接选取方法。笔者改进了二维大地电磁测深Occam反演中求取拉格朗日乘子的方法。在搜索过程中加上观测数据拟合差与其期望值的比较。这样,在Occam反演的拟合差下降阶段的最后迭代和模型光滑阶段,能够排除多余的正演计算。这种改进对反演结果没有影响,但却使得反演速度加快并且更符合于Occam思想。根据模型实验和野外数据处理,可以减少正演次数20%~50%。     

重磁异常数据三维人机联作模拟

在研究三角形多面体模型重、磁异常三维正演和反演技术的基础上,吸取人机交互正演模拟的优点,实现了三角形多面体模型重、磁异常数据三维人机联作反演。通过研究三角形多面体模型节点偏导数的计算方法,对目标函数进行线性化处理,形成了计算机自动迭代修改模型体的技术。利用计算机图形技术,在三维空间显示重、磁场和模型体,开发了模型的交互修改技术,使数据解释过程中,可以结合已知信息及人的推断和经验,完成重、磁异常数据的三维模拟,减少了数据解释结果的不确定性。     

1-Norm/2-Norm约束及小波多尺度2D体波走时成像

在对浅地表复杂地下介质层析成像时,由于观测系统局限性及方法本身对特定岩石地球物理属性的不敏感性等因素,造成地球物理反演存在多解性。在地震走时成像中,地震射线数量在低速区域分布较少形成阴影区,造成其对低速区域成像分辨率较低。同时因为观测数据包含干扰信息以及不同反演方法的局限性等因素造成反演结果包含次生假异常。这里主要研究了空间域的L1-norm、L2-norm约束反演及小波域小波系数稀疏约束反演,对比不同反演方式及约束条件对地质模型的分辨能力。通过测试孤立异常模型、层状地层模型、倾斜地层模型,得出三种不同反演方式分别具有对不同特定模型的分辨特性。在实际资料成像中,可以通过使用多种反演方式,对比反演结果合理性以期达到更准确的地质构造解释。