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。     

CSAMT自适应正则化一维全资料反演

相比于传统反演算法对初始模型依赖性强的弱点,自适应正则化对初始模型要求较低,正则化因子可以根据每次迭代的数据目标函数和模型目标函数的关系,快速计算得到.这里采用自适应正则化反演算法尝试对一维全资料CSAMT的层状介质进行反演,通过三层和五层模型及其使用近场视电阻率数据的反演计算,表明了CSAMT自适应正则化一维全资料反演算法稳定,也发现该方法不仅能够避免传统CSAMT近场校正带来的误差,而且由于不用反复搜索正则化因子,加快了迭代收敛速度.     

井间电阻率层析成象的平滑度约束反演

井间电阻率层析成象是一种探测地下浅部精细结构的物探方法，它主要用于解决工程地质问题。本文采用２．５－Ｄ有限元法，针对井间电阻率层析成象中的ＡＭ观测系统进行了反演成象计算。文中首先计算了灵敏度矩阵，然后给出了一种电阻率层析成象反演算法—平滑度约束反演，理论模型的计算和实际资料的处理，都证明了该算法的有效性     

基于结构约束的三维电阻率和重力法联合反演

电阻率和重力法是两种重要地球物理勘探方法,为了充分发挥这两种方法各自的优势,并且减少单一方法反演多解性的问题,笔者采用一种基于交叉梯度约束的重力和电阻率法联合反演算法。通过惩罚项的形式将交叉梯度约束条件加入到联合反演目标函数中,并通过高斯牛顿法对目标函数进行数值求解。模型试算结果表明,联合反演相比于单独反演获得了结构相似性更高的模型,电阻率模型对密度模型的纵向约束较为有效,密度模型纵向分辨率明显改善,联合反演能够获得更加准确的异常体空间结构分布。     

大定源瞬变电磁一维自适应正则化反演

自适应正则化反演对初始模型要求较低,直接对瞬变电磁响应数据进行反演。正则化因子通过计算每次迭代的数据目标函数和模型目标函数自适应的得到,从而快速获得地下的地电结构。本文采用自适应正则化反演算法对大定源回线瞬变电磁一维层状模型进行反演,使用均匀半空间作为初始模型,首次采用模型对深度的二阶导数极小的模型约束,通过典型理论模型的反演计算,证明了TEM自适应正则化一维反演算法拟合效果好、精度高,由于不用反复搜索正则化因子,并且收敛速度快,体现了良好的稳定性和可靠性。     

带地形的ZTEM倾子资料三维正反演研究

Z轴倾子电磁法(ZTEM)是一种新型频率域航空天然场源电磁法,该方法采用倾子作为研究参数,可用于起伏地形下的大规模地质勘探。本文在对TEM三维有限差分正演和数据空间OCCAM反演算法研究的基础上,考虑地形起伏的影响,研究了带地形的频率域三维ZTEM正反演算法。首先,对起伏地表下ZTEM正演算法的准确性进行了验证,计算和分析了纯地形的ZTEM三维异常响应特征。其次,通过对山峰和山谷地形下低阻棱柱体合成算例的反演分析,表明带地形的ZTEM数据空间OCCAM反演算法能够获得比较接近真实导电性结构的地电模型,尤其对地下目标体的横向边界具有理想的约束效果。最后,与不带地形的ZTEM反演结果对比,验证了所开发的带地形ZTEM倾子资料反演算法的有效性。     

定源回线TEM数据的约束反演方法及应用效果

为消除TEM定源回线装置增大接收区域后明显的边框效应,且提高TEM的分层能力,达到提高对不同电性地层精细分辨的目的,采用带约束的正则化反演方法。在反演算法中,拉格朗日因子采用CMD正则化因子的自适应调节方案,自主调整。为保证反演过程的高效、稳定且结果收敛性,使反演模型每一层的厚度按照等对数间隔进行离散,减少矩阵方程的病态性;同时对反演电阻率值采用可行的上下限约束,使迭代的结果不至于出现极值或错值,降低反演的多解性。通过对多层理论模型的计算,证明了约束反演算法的正确性和可靠性,将其用于实测瞬变电磁法勘探数据的反演计算中,反演电阻率纵向分布规律与已知地层电性资料吻合,解释的异常区得到了钻探验证,结果可靠。      

3维电磁跨孔反演

有效利用电磁法圈定和监测油气储，要求在其他方法的数据，臂如象地震数据和测井记录约束下的大的跨孔数据组的快速计算机化反演。理想条件下，一种反演算法可以对３维模型数据反演而不需要对模型的几何或电阻率分布有理论上限制。     

考虑激发极化效应的瞬变电磁一维Occam反演

大地的感应激发极化效应有时会在瞬变电磁晚期响应上产生负值变号现象。常规实电阻率瞬变电磁反演由于没有考虑激发极化效应,对于观测数据负值部分的解释一直存在问题,这影响了反演解释的真实性和可信度。对此,本文首先将Cole-Cole复电阻率模型加入正演计算,并验证了计算的准确性。然后在阻尼最小二乘法的基础上加入Occam平滑约束来构建反演方程,能够同时反演出零频电阻率、充电率、时间常数以及频率相关系数,实现了一维瞬变电磁复电阻率反演算法。最后,建立具有不同程度激发极化效应的典型层状理论模型进行反演试算与结果分析,结果表明,在激发极化效果明显的低阻高极化地层中,复电阻率反演效果更好。与实电阻率反演结果的对比说明,瞬变电磁复电阻率反演既可以达到实电阻率的常规反演效果,也能解决实电阻率无法实现的负值拟合问题。     

起伏地形下复电阻率法25维反演研究

复电阻率法以岩、矿石的频谱参数特性为勘探依据,多种参数的组合解释能为评价异常源的性质提供更为丰富的信息。但其反演问题一直没有得到较好地解决,已经严重地影响和制约了该方法的应用和发展。本文由频率域电磁场的偏微分方程出发,结合Cole-Cole数学模型进行公式推导,并利用有限单元法实现了复电阻率2.5维正演模拟,能够计算起伏地形条件下包含电磁效应的复电阻率响应。在此基础上,提出了利用多个排列的视电阻率和视相位数据的复电阻率反演方法,并在反演方程中加入了Occam法的光滑模型约束,能够对复电阻率参数直接进行大规模的全区反演,有效减弱了SIP反演中欠定性严重的问题。通过理论模型的反演算例表明,该方法能够快速、准确地反演出二维地质断面上所有单元的4种复电阻率参数,从而验证了该反演算法的正确性与稳定性。     

基于时延三维电阻率反演的岩溶地下河管道空间分布识别物理模拟研究

岩溶地下河管道空间分布的识别对岩溶区的各类地球科学工作意义重大,文章阐述了采用时延三维电阻率反演技术,开展对地下河管道空间分布识别的研究,在室内灰岩介质下的物理模拟实验结果表明:对雨季管道充水和枯季管道干涸时采集的电阻率数据进行时延反演后,地下河管道的模拟三维空间分布被很好地突显出来,时延反演效果大大地优于对单次采集数据的反演效果,管道充填水时的反演效果次之,管道充填空气时的反演结果很难有效识别地下河管道的空间分布情况。物理模型试验成果可指导野外实践中对岩溶地下河管道的探测研究。      

电阻率法监测地下地质变化的数值模拟

通过有限元数值模拟方法,研究了电阻率法监测地下地质变化的可行性,提出了基于多期次观测的地下电阻率监测方法,应用二维电阻率正、反演程序对模型进行了数值模拟。结果表明,电阻率相对变化率可以较好地指示电阻率变化的区域和位置。高精度、大数据量的地电阻率观测,以及基于2D或3D的电阻率正、反演计算使得应用电阻率法监测地下地质变化成为可能。     

A Critical Comparison of Three Methods for Time-Lapse Time-Shift Calculation

Time-shift, one of the most popular time-lapse seismic attributes, has been widely used in dynamic reservoir characterization by linking it with pressure and geomechanical changes. Therefore, it is important to select appropriate calculation methods according to different time-lapse seismic data quality and time-shift magnitude. To date, there have been various published works comparing different time-shift calculation methods and discussing their advantages and disadvantages. However, most of these comparisons are based only on synthetic tests or single field applications. As the quality of time-lapse seismic data and time-shift magnitude can vary in different fields, one method may not work consistently well for each case. In this paper, a critical comparison of three different time-shift calculation techniques (Hale’s fast cross-correlation, Rickett’s non-linear inversion, and Whitcombe’s correlated leakage method) is provided. The three methods are applied to a set of synthetic data sets that are designed to account for various seismic noise and time-shift magnitudes. They are also applied to four real time-lapse seismic data sets from three North Sea fields. The calculated time-shift results are compared with the input (in synthetic tests) or the real observations from information such as seabed subsidence and compaction (in field applications). Both qualitative and quantitative comparisons are performed. At the end, each of the time-shift methods is evaluated based on different aspects, and the most appropriate method is suggested for each data scenario. All three time-shift methods are found to successfully measure time-shifts. However, Rickett’s non-linear inversion is the most outstanding method, as it gives smooth time-shifts with relatively good accuracy, and the derived time strains are more stable and interpretable.

     

Influence of shallow infiltration on time-lapse ERT: Experience of advanced interpretation

Previous time-lapse Electrical Resistivity Tomography (ERT) studies have experienced difficulties in reconstructing reliable calculated resistivity changes in the subsurface. Increases or decreases of resistivity appear in the calculated ERT image where no changes were noted in the subsurface, leading to erroneous hydrological interpretations of the geophysical results. In this article, we investigate how a variation of actual resistivity with time and at shallow depth can influence time-lapse ERT results and produce resistivity artefacts at depth. We use 1 and 2-D numerical modelling to simulate infiltration scenarios. Using a standard time-lapse inversion, we demonstrate the resistivity artefact production according to the electrode spacing parameter. We used an advanced inversion methodology with a decoupling line at shallow depth to attenuate or remove resistivity artefacts. We also applied this methodology to a field data set obtained in a semi-arid environment in Burkina Faso, West Africa. Here, time-lapse ERT shows several resistivity artefacts of calculated resistivity if a standard inversion is used. We demonstrate the importance of a dense sampling of shallow resistivity variations at shallow depth. Advanced interpretation allows us to significantly attenuate or remove the resistivity artefact production at intermediate depth and produce reliable interpretation of hydrological processes.     

时间域航空电磁数据加权横向约束反演

传统的单点一维反演技术处理时间域航空电磁数据得到的电阻率和层厚度容易呈现横向不连续性,导致层界面不光滑。即使相邻测点的反演结果也会出现突变现象,与实际地质情况不符,给解释工作带来困难。笔者针对时间域航空电磁数据空间采样密集、在沉积岩地区工作时地下电性结构横向连续性较好的特点,研究了时间域航空电磁数据参数加权横向约束反演方法。反演时同时考虑数据拟合、相邻测点电阻率和层厚度横向约束以及深度横向约束,利用参数加权来调整对各层模型参数和深度横向光滑度的约束强度。通过对理论和实测数据反演并与传统的单点一维反演结果进行对比,验证了拟二维横向加权约束反演是处理时间域航空电磁数据的有效方法。横向约束反演结果电阻率和层厚度横向光滑连续,层界面清晰。引入参数加权实现对不同参数横向光滑度和连续性的制约,可进一步提高反演解的稳定性。加权因子对反演结果有较大影响,在实际应用中,应该综合考虑地质资料选择合适的加权因子。     

直流电阻率最小二乘间歇反演

为了解地下介质物理特性随时间的变化,采用地球物理监测数据的成像方法已经逐渐得到应用。一种常用的途径就是通过独立反演不同时刻采集的地球物理数据,来重构间歇影像,这使得实测的数据信息得不到充分利用。因此,这里提出了一种同时反演所有不同时刻观测数据的新方法,即通过一次反演过程来获得所有不同时刻的地下模型。在反演过程中,通过引入时间和空间正则化因子来改善反演的稳定性,减少反演的多解性。最后,以直流电阻率监测数据反演为例,验证所提算法的有效性。     

全空间瞬变电磁法资料解释方法中的平移算法

全空间视电阻率公式及全区求解方法是地下瞬变电磁理论的重要组成部分。为探讨全空间全区视电阻率求解方法,笔者将半空间全区视电阻率的平移算法引入至全空间并对其进行了研究。同时,分别采用理论数据、正演模拟数据及实测数据对该方法在全空间资料处理与解释中的有效性和精确性进行了分析。结果显示,平移算法与常规的全区视电阻率解法具有相同的理论基础,但前者避免了传统全区计算方法中的多解性;此外,采用由截距参数绘制的时间剖面图和视电阻率断面图进行联合解释产生了较好的应用效果。     

基于探地雷达的路基地下异常体全波形反演

路面塌陷及地下空洞隐患往往较为隐蔽且事发突然,造成了人们生命和财产的巨大损失,对于道路塌陷及地下空洞隐患的检测分析显得至关重要。探地雷达(Groud Penetrating Radar, GPR)因其具有精度高、效率快、连续无损、实时成像等优点,是目前城市道路塌陷隐患探测的主要方法。针对GPR传统目标函数全波形反演(Full Waveform Inversion, FWI)中激励源子波估计不准确而导致反演准确性和可靠性降低的问题,提出了一种褶积型目标函数FWI算法。对于路面塌陷及地下空洞2种情况,通过建立合成数据模型,与传统目标函数FWI的反演结果进行对比,说明了褶积型目标函数FWI算法在激励源子波估计不准确的情况下依然可以得到良好的反演结果,验证了该算法的有效性;最后将该算法用于2组不同灾害类型的GPR实测数据中,分析反演得到的地下介质相对介电常数分布情况,验证了褶积型目标函数FWI算法对于实测数据的实用性,从而为路基地下异常体探测提供理论依据。