模拟退火算法在江苏及邻区地震定位中的应用

使用模拟退火算法,以2019年4月6日江苏溧水M_L 3.3地震为典型震例,进行地震定位反演试算,确定适用于江苏及邻区地震定位的最佳初始温度、降温策略和扰动函数。设置初始温度为25,降温策略为T = 0.96T,选用效率较高的局部收敛加强型方法产生随机模型,对2019年江苏及周边地区105次M_L≥1.8地震进行重新定位,结果表明,76%的事件震中经、纬度定位误差绝对值在0.1°以内,但深度定位误差较大。鉴于该算法对P波到时信息及地震台站空间分布的依赖性,认为模拟退火算法在江苏及邻区陆地地震定位中效果较好,对于海域地震,则定位误差较大。     

青藏高原中东部地壳和上地幔顶部P波层析成像

为获取青藏高原中东部地壳和上地幔顶部的精细结构,本文基于1万4 484条天然地震的P波（Pg和Pn）到时数据,对青藏高原中东部地壳和上地幔顶部进行P波三维速度结构层析成像,获取了该区域内地壳P波、上地幔顶部Pn波的速度结构和地壳厚度信息。层析成像结果显示,青藏高原中东部地壳P波速度范围为5.2—7.2 km/s,上地幔顶部Pn波速度范围为7.7—8.4 km/s,地壳厚度范围为48.0—68.6 km,地壳和上地幔顶部存在强烈的横向不均匀性,与地质块体分布有较好的对应关系。地壳P波速度结构显示,研究区中、下地壳分布有较大范围的低速区,上地壳与中下地壳P波分布存在明显的差异:羌塘地块和巴颜喀拉地块在上地壳主要表现为高速异常,随着深度增加逐渐表现为低速异常;而柴达木地块在上地壳主要表现为低速异常,下地壳则表现为高速异常;柴达木地块和拉萨地块在上地幔顶部表现为较高的Pn波速度,最高约为8.4 km/s,而在巴颜喀拉地块和羌塘地块东部,Pn波总体上表现为低速,最低约为7.7 km/s。研究区内地壳厚度的总体特征表现为南厚北薄,其中羌塘地块东部和拉萨地块的地壳较厚,而柴达木地块和巴颜喀拉地块东部的地壳相对较薄,羌塘地块西部存在局部的地壳变薄现象,反映了印度板块对欧亚板块北向俯冲作用下的岩石圈变形特征。      

改进的模拟退火算法及其在叠前储层参数反演中的应用

快速模拟退火算法中,要求扰动后新的模型参数必须在取值范围内,对此,人们通常采用两种方法:(1)反复扰动直到新的模型参数满足要求;(2)当新的模型参数超过最大值时,参数等于最大值;新的模型参数小于最小值时,参数等于最小值.研究发现,方法1在计算过程中增加了寻找新模型参数的时间开销,计算效率明显降低;方法2当目标函数在边界或边界的小邻域存在多个极小值时,在有限的时间内,其陷入局部极小的概率大大增加,优化效果明显下降.本文在前人研究的基础上提出了改进的模拟退火算法,同时利用改进的算法反演了地层泊松比、纵波速度和密度.结果表明,改进的算法加快了模拟退火算法的收敛速度,提高了模拟退火算法的效率和精度.     

华北地区三维地壳上地幔结构

本文用均等显示滤波频时分析方法分析了长周期瑞利面波资料,获得了路经中国大陆及邻区的238条混合路径的面波群速度频散,其周期范围为10.5—113s.用改进的分格反演方法从混合路径频散中提取出位于华北地区的12个4°×4°网格单元的纯路径频散并反演其地壳上地幔结构.所得结果表明,华北地区地壳上地幔结构横向变化显著;从东向西地壳逐渐变厚;位于华北东部的分格在地壳中20km深处普遍存在低速层,整个华北地区上地幔低速层埋藏较浅,一般为55—100km之间.各个网格上地幔低速层的速度不尽相同.     

重力与地震资料的模拟退火约束联合反演

联合反演是综合地球物理研究的重要定量解释手段.本文在总结和分析重力与地震资料联合反演的研究现状基础上,利用改进的全局寻优的快速模拟退火算法,实现了重力和地震资料的约束同步联合反演.针对性地设计了密度和速度界面不完全一致的模型,理论模型的试验说明了方法的效果和适用性.结合最近完成的广东徐闻地区实际资料的处理和解释,表明该方法可准确确定复杂构造物性界面的密度和速度结构,在该地区的油气勘探中发挥了作用.在先验信息约束下,该联合反演方法要明显优于单独的重力反演.     

重震反演中国东北地壳上地幔三维密度结构

本文利用重力和地震P波到时数据反演得到了中国东北地区地壳上地幔三维密度结构.与单一的重力或地震反演相比,重震反演一方面有效地克服了重力反演结果垂向分辨率低的问题,另一方面也提高了地震反演结果的可靠性.结果显示:中国东北地区的地壳及上地幔剩余密度异常分布与构造单元具有明显的相关性,造山带对应低密度异常,盆地对应高密度异常;区域内火山下方有明显的低密度体存在,可能是由于太平洋板块俯冲进入上地幔并部分滞留,在滞留板块深部脱水和软流圈热物质共同作用下产生了上涌岩浆,喷发后形成了火山.     

MT-重力模拟退火联合反演研究

为了合理互补不同地球物理场的优势和特点,本文研究了MT与重力模拟退火联合反演的技术.在分析MT与重力联合反演的必要性和可行性后,讨论并研究了主要技术难点及解决方法.重点解决了模型扰动、MT与重力界面不一致的处理、目标函数的加权联合问题,提出MT-重力模拟退火反演(MT-GSA)算法.在此基础上进行了理论模型试验和实际资料处理,取得了较好的效果.     

华北地区三维地壳上地幔结构

本文用均等显示滤波频时分析方法分析了长周期瑞利面波资料,获得了路经中国大陆及邻区的238条混合路径的面波群速度频散,其周期范围为10.5-113s.用改进的分格反演方法从混合路径频散中提取出位于华北地区的12个4°×4°网格单元的纯路径频散并反演其地壳上地幔结构.所得结果表明,华北地区地壳上地幔结构横向变化显著;从东向西地壳逐渐变厚;位于华北东部的分格在地壳中20km深处普遍存在低速层,整个华北地区上地幔低速层埋藏较浅,一般为55-100km之间.各个网格上地幔低速层的速度不尽相同.     

福建地区地壳上地幔顶部三维速度 结构及构造意义

地壳介质的非均一性对反演上地幔顶部速度和地壳厚度具有重要影响。文中对福建地区地壳上地幔顶部的速度结构进行联合反演,结果显示福建地区地壳浅层主要以高速异常特征为主,与区域内山脉特征相对应,而在中下地壳主要以低速异常为主,区域内速度异常与区域断裂构造密切相关。该结论进一步证实沿政和-大埔断裂带存在低速带,但低速异常主要出现在深20～30km的中下地壳部分,与前人所得的低速异常区相比范围更大,出现深度更深。联合反演结果显示福建陆域地壳厚度为28～35km,地壳在沿海地区偏薄,向内陆逐渐变厚,与接收函数的结果较为一致,且发现沿永安-晋江断裂东侧存在显著的地壳减薄特征。上地幔顶部速度结果显示在政和-大埔断裂带西侧以高速异常为主,在福州盆地及沿海区域表现为低速异常。     

遗传算法在上地幔速度结构研究中的应用

遗传算法是近年来发展较快的一种求解非线性优化问题的有效方法。本文通过对遗传算法基本原理的介绍，对该方法的特点进行了分析。我们采用ＷＫＢＪ理论地震图作正演，遗传算法作反演，对用体波波形反演上地幔速度结构的方法进行了研究。在ＷＫＢＪ理论地震图的计算中，通过计算主要射线的平均吸收特征时间，考虑了衰减随距离的变化，通过对不同震源引入不同的虚拟界面，同时对多个地震的波形记录进行反演。探讨了观测误差对反演结果的影响。对理论记录的反演表明，用遗传算法研究上地幔速度结构具有较好的效果。     

基于网格搜索与模拟退火算法的地震定位数值模拟反演

地震定位是地震监测、预测和其他地震学研究工作中最基础的工作之一,高效率和高精确度的地震定位工作对于地震预警工程等各项防震减灾工作的开展都具有重要的意义。本文通过模拟退火方法反演震中位置,并对模拟退火的温度、降温方式、扰动方式和收敛阈值等进行改变,分析各种参数对模拟退火法反演结果的影响。也对模拟退火法的优缺点进行了总结和分析。     

Two attempts of study of seismic source from teleseismic data by simulated annealing non-linear inversion

Two seismic source studies usingteleseismic data are performed by Simulated Annealing(SA), a non-linear inversion method. The Very FastSimulated Annealing (VFSA) algorithm is used and onlyteleseismic data are inverted. We have designed a fastand efficient way of multiple direct problemevaluation, which is based on pre-calculating theelementary Green's function. During the process we setthe values of the inversion control parameters(temperature, number of iterations) and modified thecooling schedule. In the current version, theinversion seeks for the point source mechanism, thedepth of the source, the scalar moment and the sourcetime function (STF). The method is applied to twoearthquakes: 18 Nov. 1992 in Greece, M 5.9 and 14 Sep.1995 in Mexico, M7.3. The calculation is performed ona simple 1D model of the structure. For the firstearthquake the inversion recovered the solution fairlywell; for the second the solution was less acceptable.However, we do not consider this fact to be a failureof the method, but a consequence of an inadequatemodel of the source and of the medium structure. Acasual attempt of reliability determination was alsoperformed; the obtained values of errors arereasonable, except for a few cases when the methodfailed.     

Modified genetic algorithm with simulated annealing applied to optimal load dispatch of the Three Gorges Hydropower Plant in China

A method is presented for optimal load dispatch in large-scale hydropower plants using a genetic algorithm integrated with simulated annealing. The genetic algorithm overcomes dependence on an initial value and provides parallel processing and fast convergence, whereas simulated annealing prevents prematurity and retrieving of the local instead of the global optimum. Thus, the integrated genetic-simulated annealing algorithm improves efficiency and robustness to obtain solutions close to the global optimum. We evaluated the proposed algorithm to determine the optimal load dispatch of 32 units of the Three Gorges Hydropower Plant in China. Test results show that the minimum water consumption obtained using the proposed algorithm is similar to the optimum obtained from a previously proposed “improved” genetic algorithm when the total load of the plant is relatively high. However, for reduced load, the proposed algorithm clearly outperforms the “improved” genetic algorithm.     

Using a hybrid genetic algorithm–simulated annealing algorithm for fuzzy programming of reservoir operation

We present a novel approach for optimizing reservoir operation through fuzzy programming and a hybrid evolution algorithm, i.e. genetic algorithm (GA) with simulated annealing (SA). In the analysis, objectives and constraints of reservoir operation are transformed by fuzzy programming for searching the optimal degree of satisfaction. In the hybrid search procedure, the GA provides a global search and the SA algorithm provides local search. This approach was investigated to search the optimizing operation scheme of Shihmen Reservoir in Taiwan. Monthly inflow data for three years reflecting different hydrological conditions and a consecutive 10‐year period were used. Comparisons were made with the existing M‐5 reservoir operation rules. The results demonstrate that: (1) fuzzy programming could effectively formulate the reservoir operation scheme into degree of satisfaction α among the users and constraints; (2) the hybrid GA‐SA performed much better than the current M‐5 operating rules. Analysis also found the hybrid GA‐SA conducts parallel analyses that increase the probability of finding an optimal solution while reducing computation time for reservoir operation. Copyright © 2007 John Wiley & Sons, Ltd.     

基于模拟退火算法的设计反应谱标定方法

反应谱的标定是抗震设计的基础工作之一,模拟退火算法是基于模拟固体退火过程而提出的多参数优化组合方法。本文提出将模拟退火算法应用于设计反应谱的标定,并概述了模拟退火算法的基本原理及特点,介绍了运用MATLAB基于模拟退火算法对反应谱进行标定的过程。检验了将模拟退火算法应用于场地相关谱标定的可行性和合理性,给出了将其应用于工程场地地震安全性评价中设计反应谱标定实例。通过检验和实例分析可以看出,基于模拟退火算法的反应谱标定方法所给出的设计反应谱谱形真实地反映了原地震反应谱的特征,较客观的反映了场地相关反应谱的峰值和周期特征。     

用转换函数研究那木错站地壳结构

青藏高原是研究地球动力学问题天然的试验场,也是研究全球变化的关键地区之一,中国科学院青藏高原研究所于2004年在西藏那木错建立了圈层相互作用综合观测研究站.为了解那木错站下方的地质构造,于2005年8月在本站布设了宽频带地震仪(记录器为Reftek130,摆为STS2),并于2006年5月取得首批数据.本文利用宽频带地震仪提供的三分量地震波形记录,应用转换函数及快速模拟退火算法对那木错站下的地壳横波速度结构进行了反演.反演结果表明,那木错站Moho面深度在85公里左右,地壳结构复杂,尤其在中上地壳,明显呈高低速互层结构,反映了该地区构造活动、物质交换活跃,表明这些地区还未达到均衡;同时,为了便于研究该地区地壳结构,还对IRIS提供的临近地区的地震宽频带进行了处理,为研究那木错地区圈层结构提供地球物理依据.     

基于改进Parker-Oldenburg界面反演方法计算青海省居里面深度

居里面深度的起伏可以大致反映地壳深部温度场的分布特征,从而间接指示干热岩的赋存情况,因此研究居里面的起伏特征十分重要.本文针对经典的Parker-Oldenburg界面反演方法存在的计算不稳定、结果精度低的问题,通过公式推导,将界面反演公式与向下延拓公式进行类比,利用稳定的波数域正则-积分迭代下延法对经典的Parker-Oldenburg界面反演方法进行改进.这种迭代算法不仅有效地解决了反演迭代过程中的发散问题,而且对噪声也有很好的压制效果.模型试验说明了该方法在磁界面反演中的良好效果,最后利用青海省航磁数据对进行了居里面深度反演,反演结果可以看出青海省居里面表现为隆起和凹陷相间的条带状或块状构造,初步预测了青海省可能存在干热岩的两个地区,为今后地热资源的勘探、开发和利用提供参考.