基于欧拉反褶积方法估算华北地区重力变化的等效源参数

利用华北地区2009—2014年绝对重力与相对重力多期重复观测资料, 得到不同时空尺度的华北区域重力场动态变化图像。 采用欧拉反褶积方法, 通过对理论模型试算, 获得最优反演参数, 对引起华北地区重力场变化的场源深度和空间分布规律进行了反演计算和分析。 结果表明: 当构造指数为1时, 适合对流动重力场变化数据进行反演。 实际资料的反演结果在2009—2014年间的场源位置集中于河套断裂带。 本文研究方法可以用于重力场反演和以场求源的定量研究。 本工作为流动重力变化信号的反演和解释提供一条新思路, 也为构建地震重力预报指标体系提供了定量依据。     

华北克拉通地壳三维密度结构与地质含义

利用重力异常揭示地壳三维密度结构是重力资料地质解释的目标和任务,密度反演的好坏至关重要.本文对华北克拉通进行了重力异常多尺度密度反演研究,首先利用小波变换对重力异常进行多尺度分解,接着利用功率谱分析方法估算各层场源的平均深度,然后利用广义密度反演方法进行各层密度反演,对华北地区进行了多层密度反演,得到其密度结构,并进行地质解释和油气藏分析.结果显示了重力场多尺度密度反演方法的有效性,对华北地区密度结构的地质含义进行了初步分析,位于造山带中的低密度异常主要反映沿造山带展布的花岗岩体.对比华北东部区浅层密度扰动与油气坳陷位置,发现油气坳陷都表现为低幅度的低密度异常区.说明利用小波多尺度反演提取的密度信息对油气勘探的部署有一定指导意义.     

稳定正则化参数估计方法及其在盆地基底重力异常反演中的应用

正则化方法通过带有正则化参数的约束项,将不适定问题转换为一个适定问题.如何选取最优正则化参数一直以来都是正则化研究的难点和热点.本文通过定义解的不稳定性度量来直接估算正则化参数μ的最优值,并将这种正则化参数估计方法应用到二维沉积盆地基底重力反演中.测试该方法在通过对一次野外测量的数据加不同噪声得到的多组数据与多次野外测量中得到的多组数据这两种情况中的反演效果.最后将该方法应用到非洲西海岸的北加蓬次盆进行盆地基底反演,测试该方法的实用性.模型测试的结果显示,在这两种情况下获得的反演解非常接近且能够反演得到较为准确的模型基底深度,故该方法适用于一般情况下只进行一次野外测量的实际重力勘探情况且能得到稳定的最优反演解;实际资料的最优反演结果稳定且符合当地的地质构造背景.在模型测试与实际资料测试中,都能够确定最优正则化参数并得到最优反演结果,证明了该方法在重力反演中的正确性和实用性.

     

鄂尔多斯南缘地区重力变化场源特征

以鄂尔多斯南缘地区布格重力异常数据及2014—2017年相对重力观测数据为基础,采用欧拉反褶积方法,对引起重力变化的场源深度进行反演,并对空间分布规律予以解释.通过构建理论模型,反演得到最优模型参数,并对实际数据进行计算和分析.为了减弱和消除欧拉解的发散性,利用水平梯度滤波法优化反演结果.结果表明:①构造指数为1时,适...     

首都圈地区精细地壳结构——基于重力场的反演

本文以地质与地球物理资料作为约束条件,利用小波多尺度分析方法,对首都圈地区重力场进行了有效分离,应用Parker位场界面反演法及变密度模型对莫霍界面进行了反演分析,并构建了两条地壳密度结构剖面模型,对该区精细地壳结构进行了深入研究.研究结果表明首都圈地区受多期构造运动的改造,形成坳、隆相邻,盆、山相间,密度非均匀性,壳内结构与莫霍面埋深相差比较大的地壳分块构造格局.受华北克拉通岩石圈伸展、减薄以及岩浆的上涌底侵作用,首都圈地区莫霍面起伏比较大,莫霍面区域构造方向呈NE—NNE方向,在盆地向太行山、燕山过渡地带形成了莫霍面陡变带;盆地内部莫霍面形成东西向排列、高低起伏的框架,最大起伏约5 km,但平均地壳厚度比较小,北京、唐山地区地壳厚度最小约29 km,武清凹陷地壳厚度最大约34 km.在重力均衡调整作用下,西部太行山区地壳厚度较大,但地壳密度小于华北裂谷盆地内部;中上地壳重力场特征与地表地形及地貌特征具有很大的相关性.受新生代裂谷作用影响,首都圈中上地壳结构非常复杂,形成了NNE方向为主体的构造单元,断层多下延至中地壳;下地壳发生明显的褶曲构造,表现出高低密度异常相间排列的典型特征;首都圈地区地壳密度具有明显的非均匀性.研究认为首都圈地区地震的发生与上地幔顶部及软流层物质的上涌有一定关系.     

东北地区重磁场与地壳结构特征

分析了东北地区的重、磁场特征,同时对研究区的布格重力异常和航磁异常据进行了小波分析计算.根据分析与计算可知,东北地区重力场以北东走向为主,表现出该地区重力场的主要趋势.根据磁场的分布特征,可将研究区分为六个区域:呼和浩特以北磁场相对平静区;赤峰一带正负磁场交互变化区;海拉尔以南磁场缓变区;齐齐哈尔—依春磁场剧烈变化区;长春—沈阳负磁场平缓区;牡丹江—丹东磁场区.利用重力资料,应用调和级数法对研究区的莫霍界面进行了反演计算,得到了该地区莫霍界面深度分布.根据磁力资料采用遗传算法反演计算了研究区居里界面的深度分布.同时对研究区的地壳结构特征进行了探讨.     

基于Slepian方法和地面重力观测确定时变重力场模型: 以2011—2013年华北地区数据为例

时变重力场是研究地球系统内部物质运动和时空演化过程的有效途径.目前广泛使用的GRACE时变重力场模型受限于其空间分辨率（约400 km）,难以探测较小空间尺度的重力变化.本文首次尝试利用Slepian局部谱分析方法和多期地面重力观测确定更高空间分辨率的时变重力场模型.Slepian方法通过构建研究区域内的正交基函数,将信号能量集中在研究区域内部,是构建球面局部重力场模型的理想方法.本文根据Slepian方法的特点给出了区域重力场建模及参数优化的步骤,以我国华北地区为例,基于2011—2013多期地面观测确定了区域时变重力场模型,并与同区域由Slepian方法和GRACE卫星数据确定的重力变化进行了对比分析.结果表明：（1）贝叶斯信息量准则可作为确定Slepian展开最佳截断数的有效手段;（2）基于研究区域内现有重复测点数据,能够恢复120阶时变重力场,空间分辨率（半波长）约150 km;（3）2011—2013年间研究区域内GRACE估计结果与120阶地面结果在时空分布的显著趋势上存在较好的对应,证明了本文利用Slepian方法和地面观测所得时变重力场模型的可靠性.本文研究结果可为区域重力场建模提供新的参考,也可为华北地区水资源变化监测、构造活动分析以及地震风险性评估等研究提供高分辨率的时变重力场模型支撑.

     

华北中部重力场的动态变化及其强震危险含义

基于绝对和相对重力观测获得的区域重力场时、空动态变化,结合区域GPS测量资料与活动构造分析,本文研究了华北中部地区2009-2011年的重力场变化特征,讨论了该区域重力场动态变化的强震危险含义.结果主要表明:(1)华北中部的活动地块边界及部分重要活动断裂带两侧存在较大差异的重力场空间变化;其中,以山西断陷带北东段所在的晋冀蒙交界地区为中心,形成较大面积的重力负值变化区,且沿该区西北缘的NE向岱海-黄旗海断裂带以及东南缘的NNE向太行山山前断裂带附近分别形成重力变化的高梯度带,可能反映这些部位近年的构造或断裂活动显著.(2)不同时段的重力场差分动态演化图像可能反映了近年山西断陷带北东段(京西北盆-岭构造区)及其附近的重力场整体经历了"准均匀→非均匀→断陷带北段侧向显著变化→局部"硬化"的演化过程.(3)研究区重力场的时间累积变化图像可用"区域应力场增强→区域断裂与断块差异运动及变形增强→局部运动受阻"的过程进行解释.(4)研究区的一些重力异常部位存在中-长期强震危险背景.     

重力及其垂直梯度交叉约束联合密度结构反演方法

重力垂直梯度能突出浅部地质目标, 具有较高的水平分辨率, 而重力异常则可以更好地保留较深场源的信息, 重力与重力梯度联合勘探常用来获取不同深度场源的异常特征.本文提出重力及其垂直梯度交叉约束联合密度结构反演方法, 其采用交叉梯度实现重力与重力梯度数据联合反演, 并将二者单独反演结果作为归一化权函数约束联合反演过程.该方法可有效改善不同参量反演结果集中于异常变化较大区域的缺点, 提升不同深度场源的分辨率, 更加准确地揭示深部场源的分布.模型试验结果表明该方法能清晰恢复不同深度场源的密度结构分布特征, 且具有良好抗噪能力.针对辽源采空区勘查开展重力与其垂直梯度联合测量, 利用本文数据联合反演圈定出了6个采空区, 与以往已知矿点位置完全一致, 且与高密度电阻率法解释结果吻合良好, 为区域规划建设提供了准确的依据.此外, 我们还对长白山火山地区卫星重力及其梯度数据进行反演, 估计了岩浆囊的位置和范围, 且与前人地球物理勘探结果较为吻合, 进一步证明了本文方法的实用性.

     

华北时变重力场离散小波多尺度分解

利用华北地区地震重力监测网的绝对重力与相对重力多期重复观测资料,处理获取不同时空尺度的华北区域重力场动态变化图像.利用二维小波分解技术,将不同场源深度异常进行了分离,并对不同时空尺度的重力变化给出了解释,提高了对华北地区重力场变化趋势的认识水平.在此基础上,通过对小波细节的功率谱分析,可以获得各阶小波变换逼近及小波细节分析图所对应的场源深度.研究结果表明,不同时空尺度的重力场变化对于深入认识华北地区潜在地震危险性具有一定的科学意义.     

华北地区重力场变化特征与孕震模型研究

本文采用基于贝叶斯原理的重力平差方法对华北地区2009—2017年的16期陆地流动重力观测资料进行了统一处理,结合研究区内2009年以来4次M≥4.5 地震活动,分析区域重力场动态演化特征。基于华北地区均衡重力异常、布格重力异常、沉积层重力异常和莫霍面重力异常,研究华北地区三维密度结构特征,分析区域重力场变化与深部密度结构之间的关系。结果表明:研究区内近年来M≥4.5地震均位于区域差分重力场和累积重力场“零值”等值线附近、异常变化剧烈的梯度带及梯度带转弯部位,以及深部结构中理论均衡厚度与实际地壳厚度存在差异的非均衡区和三维密度结构的高低密度过渡带内。      

华北中部地区重力场时空动态演化特征

以2009—2013年获取的9期流动重力资料为基础,系统分析华北中部地区的重力测量资料,研究重力场的时空动态演化特征。资料显示华北中部地区重力异常变化十分剧烈,整个测区呈现大面积负值变化,在局部地区形成重力变化梯度带。重力场变化与断裂活动密切相关,近期出现的反向变化表明该地区地震危险性进一步加大,这对地震预报工作具有重要的现实意义。     

华北地区重力场变化特征研究

通过对1992~2008年间各期观测资料进行全时空扫描,分析华北地区网区重力场的演化特征,总结震前异常的形态、持续时间和变化幅度,指出重力场空间变化易于发生地震的部位,并对一些问题进行讨论。结果显示:华北地区重力场总体变化不具明确规律性;大量测点存在明显的背景性趋势性异常变化;重力场变化与网区及周边地区中强地震的活动联系密切,较明显的重力场异常反应多发生在震前2年左右时间,且常伴有大面积高值异常区出现。重力变化"0"线、高梯度带、异常中心(含极值)附近是重力场空间变化易于发震的部位。     

基于时变重力数据的川滇地区场源模型反演和解释

时变重力信号能反映地球内部介质迁移引起的不均衡变化,本文利用三维欧拉反褶积方法,通过建立合适的场源模型获得最佳反演参数,并采用水平梯度滤波法消除部分虚假发散解,优化反演结果。在此基础上,利用川滇地区2015—2019年流动重力重复观测资料,分析了不同时空尺度的区域重力场动态变化特征,开展对川滇地区重力变化场源特征的定性和定量研究。结果表明:欧拉反褶积方法能有效反演重力场变化异常的场源三维空间分布特征,反演结果与2018年12月16日四川兴文县M_S5.7地震, 2019年6月17日长宁县M_S6.0地震及同年7月4日珙县发生的M_S5.6地震位置相对应,揭示了区域内的构造活动特征,为地表时变重力数据的反演和解释提供了思路和方法,同时也对捕捉与深部构造相关的地震前兆信息、开展强震中长期预测的应用研究具有现实意义。     

基于垂向一阶导数与解析信号比值的欧拉反演方法

常规欧拉反褶积法中构造指数的选取以及分散解存在较多的问题,提出了基于联立垂向一阶导数与解析信号的欧拉齐次方程的RDAS-Euler反演方法。该方法可以更为精确的估计场源的范围及埋深,且不需考虑构造指数N的影响,避免了因构造指数不当而引起的反演误差。通过对单一地质体及组合地质体模型的实验证明本文方法能有效地完成目标体的反演工作,反演结果与理论值之间的误差小于10%,且相对于常规欧拉反褶积法更加稳定准确,能够更好的得到地质体边界及深度信息。将RDAS-Euler法应用于黑龙江省虎林盆地实测布格重力异常数据,获得了丰富的断裂信息,说明RDASEuler法增强了对断裂平面位置的识别能力。     

基于模型降阶的贝叶斯方法在三维重力反演中的实践

三维重力反演是地质工作者了解地球深部构造,认知地下结构的重要手段.按照反演单元划分,三维重力反演有离散多面体(Discrete)反演和网格节点(Voxels)反演两种方式.离散多面体反演由于易于吸收先验地质信息得到的理论场能够很好地拟合观测场,因此,在实际重力反演中更受欢迎.目前离散多面体重力反演中初始模型的建立方法繁杂不一,实际应用受到很大的限制.本文本着充分挖掘利用先验信息和重力观测数据得到丰富可靠的反演结果这一原则,以离散多面体反演技术为基础,改进建模过程.在初始模型的建立中,吸收贝叶斯算法优势,采用隐马尔科夫链改善朴素贝叶斯方法的分类效果,通过最大似然函数算法求解,再采取模型降阶技术,固定所建模型中几何体的形态或密度,达到在几何体形态(x,y,z)、密度(σ)和重力值(g)五个参数中降低维数目的,从而减小高维不确定性和正演的计算量,由此反演计算的地质体密度和分布范围相对更准确,更利于重现重力模型结构.通过单位球体和任意形态几何体模拟实验,以及安徽省泥河矿区三维重力反演实践,得到非常接近实际的密度或重力值,大幅提高了三维重力反演的精度和效率,说明该方法是有效、实用的.     

贝叶斯同化重力反演方法构建龙门山地壳密度模型

重力异常对地壳横向密度变化敏感,而无约束重力反演得到的密度模型其垂向分辨能力往往不理想.为了改善反演结果的垂向分辨率,本文参考已有先验分层模型,基于贝叶斯原理,提出了一种重震联合反演的新策略,可实现多种参考模型和复杂加权参数条件下的最大后验概率估计.理论模型测试结果表明,对于深度加权、多参考模型约束等多种问题,本文提出的新方法都可以稳健地获得最优化的模型参数.本文同时以中国地震科学台阵在龙门山地区及周边的一维接收函数分层模型和地震层析成像结果为参考,通过此方法对该区的重力异常进行反演,获得了该区的高精度三维密度结构,其水平分辨率优于10 km,垂直分辨率优于5 km.结合四条通过汶川和芦山地震震中的剖面进行分析后发现,反演得到的密度结构模型在过强震震源区位置横向变形显著,其揭示的分层地壳结构和变形模式与地表已知断裂构造具有相关性.本文提出的重震联合反演新策略,可为研究潜在强震风险源区的地壳结构和物性特征提供有效的科技方法支撑.

     

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.

     

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．     

Focusing iterative migration of gravity gradiometry data acquired in the Nordkapp Basin,Barents Sea

Geological interpretation based on gravity gradiometry data constitutes a very challenging problem. Rigorous 3D inversion is the main technique used in quantitative interpretation of the gravity gradiometry data. An alternative approach to the quantitative analysis of the gravity gradiometry data is based on 3D smooth potential field migration. This rapid imaging approach, however, has the shortcomings of providing smooth images since it is based on direct integral transformation of the observed gravity tensor data. Another limitation of migration transformation is related to the fact that, in a general case, the gravity data generated by the migration image do not fit the observed data well. In this paper, we describe a new approach to rapid imaging that allows us to produce the density distribution which adequately describes the observed data and, at the same time, images the structures with anomalous densities having sharp boundaries. This approach is based on the basic theory of potential field migration with a focusing stabilizer in the framework of regularized scheme, which iteratively transfers the observed gravity tensor field into an image of the density distribution in the subsurface formations. The results of gravity migration can also be considered as an a priori model for conventional inversion subsequently. We demonstrate the practical application of migration imaging using both synthetic and real gravity gradiometry data sets acquired for the Nordkapp Basin in the Barents Sea.