变密度声波方程多参数全波形反演策略

多参数全波形反演中各参数之间的相互耦合增加了反演的非线性程度.通过分析各参数之间的相互影响,提出合理的多参数反演策略是解决该问题的有效途径.本文从变密度声波方程出发,首先研究了密度在速度反演中的重要作用,然后分析了速度对密度反演的影响程度,进而提出了一种有利于速度、密度分步联合反演的策略.第一步,利用给定的初始模型对速度、密度进行同时反演,得到比较可靠的速度反演结果;第二步,利用第一步反演得到的速度和给定的初始密度作为初始模型,继续进行双参数同时反演,这样可以同时得到比较可靠的速度、密度反演结果.为了进一步提高反演精度,将第二步反演得到的速度、密度作为初始模型,再进行下一轮双参数联合反演.二维理论模型实验结果充分说明了本文提出的这种反演策略的有效性.     

利用地震数据反演海水温盐结构

利用地震剖面获取海水层温度、盐度、密度等物理参数成为地震海洋学研究的一个重要问题.本文提出了以CTD(Conductivity-Temperature-Depth)温盐深剖面仪观测资料为约束的波阻抗、温-盐结构反演方法.该方法包括两个步骤:首先把少量的CTD作为"约束井"进行地震数据的波阻抗反演;然后利用从CTD资料获得的研究海区的温-盐关系式,结合波阻抗数据反演得到温度和盐度剖面.通过合成数据的试算表明,基于少量的CTD资料控制,利用地震数据可以反演得到高分辨率的二维温度、盐度结构.基于地震数据的温-盐结构反演方法有望弥补传统物理海洋学观测方法的不足,为海洋学研究提供大量的基础数据,有广泛的应用前景.     

基于瑞利波高阶模式反演的实验研究

通过超声实验研究了沿分层介质,特别是含有低速层的分层介质传播的瑞利波频散特征. 分别对有机玻璃/钢构成的两层速度递增的半空间和铝/有机玻璃/钢构成的含有低速层的三层半空间进行了超声探测实验,采用频率波数分析方法分析了多模式的瑞利波频散曲线,对于速度递增的两层半空间,得到了第一和第二个模式的频散曲线; 对于含有低速层的三层介质,实验得到的频散曲线在不同频段对应不同的模式,从而在模式之间产生跳跃, 分析表明模式跳跃是由各个模式在表面位移幅度的不同分布引起的. 文中明确指出了低速层存在时,反演研究不仅要考虑各模式的频散特性,同时还要考虑不同模式在表面的位移分布情况,给出了低速层存在时的反演方法,避免了模式的误判. 利用遗传算法对两种实验模型的介质参数进行了反演,得到了和实际参数吻合的反演结果.     

基于平均速度分析的近地表纵波速度反演

面波频散曲线对于横波速度、纵波速度、层厚等近地表地球物理参数的敏感度相差较大,现阶段通过频散曲线可以获得较为精确的近地表横波速度与厚度信息,但无法直接对纵波速度进行反演.研究表明,泊松比对于波长(W)-探测深度(D)关系较为敏感.基于这一发现,本文根据频散曲线与反演获取的横波速度结构计算平均速度,获取W-D关系曲线.但合成数据测试证明,因近地表浅层对应的W-D曲线变化较小,且浅层纵波速度反演不准确会使误差累积,直接反演W-D曲线无法获取可靠的纵波速度剖面.本文改进了基于平均速度分析的近地表纵波速度反演方法,在目标函数中加入了对浅层信息较为敏感的W/D-D信息,同时对W-D曲线与W/D-D曲线进行联合反演.合成数据测试证明可以获取较为准确地浅层与深层纵波速度.将该方法应用于实际地震数据中,联合反演得到的纵波速度剖面与微测井数据较为吻合,证明本文提出的方法可以不借助其他信息,仅通过面波频散信息,获取更为准确地近地表纵波信息.     

用平面波延拓方程进行地震数据的叠前速度反演

本文讨论地震勘探数据的叠前速度反演方法及其在海洋地震勘探数据上的反演试验.反演主要的计算步骤是:1.采用Fourier-Hankel变换把球面波分解为平面谐波;2.用平面谐波的延拓方程将上行波与下行波同时向下延拓,并计算每一层底部的反射系数和下一层的波阻抗;3.用最小二乘法从波阻抗中确定该层的声波速度.重复第2步与第3步,直到某一预定深度时结束.通过反演试验,对地震振幅比例的改变,子波变形,以及第1层速度和密度的误差对反演方法的稳定性及其精度的影响进行了分析.还通过实际海洋地震勘探数据的反演试验,对这一方法在地震勘探中的应用前景作了论述.     

小生境遗传算法求解多峰问题在反演中应用

基于反演问题的不确定性和目标函数的多峰性，引入改进的小生境遗传算法，求解出目标函数的若干个局部峰（或全局峰），然后利用先验知识，判定得到满意解，并利用褶积模型进行层速度反演，通过理论速度与反演速度的比较，验证了进行多峰优化的有效性。     

基于位场分离与延拓的视密度反演

由于目前计算机内存和速度的限制,在对大面积重力资料进行三维密度反演时,已有的反演方法很难奏效.文中提出了一种基于位场分离与延拓的视密度快速反演方法：首先应用场分离的切割法对平面上的重力场进行不同深度层源的切割分离;然后运用大深度向下延拓方法将各层的场延拓至相应的深度;最后反演出各深度层的密度.反演得到的密度是各深度层密度的近似分布,称为视密度反演.本反演方法克服了传统已有方法计算时间特别长、解稳定性差的缺点,在主频1.99 GHz的微机上,反演128×128×10个密度值的计算时间小于20 s,理论模型和实际资料的应用表明反演具有较好的效果.     

叠前多级优化联合偏移速度建模

推导了基于角度域共成像点道集的叠前深度层析速度建模公式,提出了一种叠前多级优化联合偏移速度建模方法.通过基于共散射点(CSP)道集的叠前时间偏移速度分析获取初始速度,利用基于角度域共成像点道集(ADCIGs)的叠前深度层析速度反演进行速度更新建模.实现步骤可以概括为:首先,将叠前地震数据映射为CSP道集,利用CSP道集的叠加速度谱进行速度分析得到均方根速度场;其次,通过Dix公式将均方根速度场转换为层速度场,以此进行层析初始速度建模,基于ADCIGs实现叠前深度层析速度反演,最终得到高精度的叠前偏移速度场.断层模型和实际资料试算结果验证了该方法的正确性和有效性.     

井间电磁场的一维、二维联合反演方法

提出了针对轴对称二维井间模型的一维、二维联合反演方法.该方法基于纵向成层背景地层的Green函数,以一维反演结果作为联合反演的迭代初始值,同时反演一维背景地层和二维异常剖面的电导率.采用递推技术计算Green函数的系数,可以很方便地同时得到Green函数对空间坐标的积分和对背景层电导率的微分,大大加快了计算雅可比矩阵〖WTHX〗M〖WTBZ〗的速度并使计算方便、准确.反演实例说明了该方法的有效性.反演实例还显示,背景层电导率较二维成像剖面的电导率收敛速度要快,测量数据的精度对二维剖面电导率成像质量的影响大于对背景层电导率分布的影响.     

反射地震数据的逐层波形反演

本文针对层状介质并结合梯度法波形反演,提出逐层波形反演的方法. 首先给出介质扰动响应的概念,并在此基础上分析了梯度法波形反演方法. 波形反演实质上是将实测地震记录和预测地震记录的波形残差信息转化为实际地质模型和预测地质模型的模型残差信息. 波形反演的优点是利用大量振幅相位信息得到高分辨率的反演结果, 其缺点是运行耗时大;当初始模型和实际模型相差较大时,迭代算法容易陷入局部极小点,这是因为目标函数和初始模型同实际模型间的差异是非线性的关系. 逐层波形反演方法是使自上而下每一层的目标函数最小,这样总的目标函数也是最小的. 利用二分法速度扫描确定每一层速度不仅提高了运算速度也避免了迭代算法陷入局部极小点的问题. 结合介质扰动响应和目标函数值变化可以更为准确迅速地确定每一层速度和该层界面位置.     

The Improved Simulated Annealing Algorithm and Application in the Surface Wave Dispersion Inversion

The velocity distribution of layers from surface wave dispersion curve is a severely nonlinear program. Base on the Metropolis rule,we improved the simulated annealing algorithm to simultaneously inverse the velocities and thicknesses using the dispersion data and identified the Moho and the bottom of lithosphere. The application to the numerical examples with 5% noise shows the velocity RMS is 1. 56% between the non-linear results and the original models when the condition of selecting method for temperature parameters and initial temperature are satisfied. Using the pure dispersions of Rayleigh wave,the nonlinear inversion has been carried out for S-wave velocities and thicknesses of the vertical profile crossing the Indian Plate,the Qinghai-Tibetan Plateau,and the Tarim Basin. It indicated that the crustal thickness is about 70 km in the Qiangtang block,while in the hinterland of the Qinghai-Tibetan Plateau the lithosphere is relatively thin(～ 130 km)from the velocity values and their offsets.     

场地土层模型参数的地震动记录反演方法

考虑场地土层不同物理参数的综合反演,改进了水平与竖向谱比(Horizontal-to-Vertical Spectral Ratio,简称HVSR)混合全局优化反演方法,进一步通过土层的S、P波波速、厚度、泊松比、密度和S、P波品质因子等土层参数反演的敏感性分析,形成了可同时反演场地土层厚度及剪切波速的混合全局优化反演方法.以美国GVDA和日本IWTH27竖向强震动观测台阵为例,分别以理论HVSR及加速度观测记录获得的HVSR曲线为目标,反演获得了场地浅层速度结构,并与观测台阵场地钻孔揭示的土层模型进行比较,验证了发展的反演方法的合理性和适用性.本文研究表明,基于地震加速度记录的HVSR全局优化反演方法是获取场地土层速度结构的一种有效的途径.     

中国南北带地壳上地幔三维面波速度结构和各向异性

本文用长周期763地震仪面波群速度资料反演了中国南北带及邻区的三维速度结构.其中采集238条瑞利波和358条勒夫波混合频散曲线,使用均等显示滤波方法,并以4°×4°为一格将我国境内分为147格.用随机逆反演方法得到了研究区16格的纯路径频散.面波速度结构及演结果表明:1.莫霍界面深度一般在40-50km之间,最深达65km.总趋势是从东到西加深,且在南北带西侧南北两端向中部明显加深,东侧变化小.2.地幔顶部普遍出现很厚的低速层,上界面一般埋深60-80km.上地幔顶盖厚度一般为20-60km,速度为4.30-4.50km/s.3.研究区普遍存在各向异性,而且勒夫波和瑞利波速度的差值(V_SV-V_SH)的绝对值随深度有增大的特点,在南北带南部和西北部V_SV-V_SH各向异性现象更为明显.     

Shear wave velocity and crustal thickness in the Pannonian Basin from receiver function inversions at four permanent stations in Hungary

Receiver functions of teleseismic waveforms recorded at four Hungarian permanent broadband stations have been analyzed using semilinearized and stochastic inversion methods to estimate the crustal thickness and S wave velocity structure in the Pannonian Basin. The results of both inversion methods agree well with the crustal thicknesses obtained by previous seismic refraction and reflection studies in the regions which are densely covered with seismic lines (28 and 27 km in westernmost and southern Hungary, respectively) and suggest a thicker crust compared to what was known before beneath the Transdanubian and Northern Ranges (34 and 33 km, respectively). The comparison of the one-dimensional shear wave velocity models derived by the different inversion methods shows that, in case of simple, smoothly varying structures, the results do not differ significantly and can be regarded as absolute velocities. Otherwise, the recovered velocity gradients agree, but there are differences in the absolute velocity values. The back-azimuthal variations of both radial and tangential receiver functions are interpreted as dipping structure and as waves sampling different geological areas. The signature of the deep structure on low-frequency receiver functions suggests a strong velocity contrast at the 670-km discontinuity. The vanishing 410-km boundary may be attributed to the remnant of a subducted oceanic slab with increased Poisson’s ratio in the transition zone.     

A joint inversion algorithm to process geoelectric and surface wave seismic data. Part II: applications

Seismic and geoelectric methods are often used in the exploration of near-surface structures. Generally, these two methods give, independently of one other, a sufficiently exact model of the geological structure. However, sometimes the inversion of the seismic or geoelectric data fails. These failures can be avoided by combining various methods in one joint inversion which leads to much better parameter estimations of the near-surface underground than the independent inversions. In the companion paper (Part I: basic ideas), it was demonstrated theoretically that a joint inversion, using dispersive Rayleigh and Love waves in combination with the well-known methods of DC resistivity sounding, such as Schlumberger, radial dipole-dipole and pole-pole arrays, provides a better parameter estimation. Two applications are shown: a five layer structure in Borsod County, Hungary, and a three-layer structure in Thüringen, Germany. Layer thicknesses, wave velocities and resistivities are determined. Of course, the field data sets obtained from the ‘real world’ are not as complete and as good as the synthetic data sets in the theoretical Part I. In both applications, relative model distances, in percentages, serve as quality control factors for the different inversions; the lower the relative distance, the better the inversion result. In the Borsod field case, Love wave group slowness data and Schlumberger, radial dipole-dipole and pole-pole (i.e two-electrode) data sets are processed. The independent inversion performed using the Love wave data leads to a relative model distance of 155%. An independent Schlumberger inversion results in 41%, a joint geoelectric inversion of all data sets in 15%, a joint inversion of Love wave data and all geoelectric data sets in 15% and the robust joint inversion of Love wave data and the three geoelectric data sets in 10%. In the Thüringen field case, only Rayleigh wave group slowness data and Schlumberger data were available. The independent inversion using Rayleigh wave data results in a relative model distance of 19%. The independent inversion performed using Schlumberger data leads to 34%, the joint and robust joint inversion of Rayleigh wave and Schlumberger data gave results of 18% and 20%, respectively.     

基于群体搜索的串行蒙特卡罗反演方法的并行算法(英文)

随着并行计算技术的发展,非线性反演计算效率在不断提高,但对于基于单点搜索的非线性反演方法,其并行算法的实现则是一个难题。本文将群体搜索的思想引入到基于单点搜索的非线性反演方法,构建了并行算法,以量子蒙特卡罗方法为例进行了二维地震波速度反演及实际资料波阻抗反演,并测试了使用不同节点数进行计算的效率。计算结果表明:该并行算法在理论和实际资料反演中是可行的和有效的,具有很好的通用性;算法计算效率随着使用节点数的增加而提高,但算法计算效率的提高幅度随着使用节点数的增加逐渐减小。     

A new method for dynamic inversion of anisotropic equations

ＡｎｅｗｍｅｔｈｏｄｆｏｒｄｙｎａｍｉｃｉｎｖｅｒｓｉｏｎｏｆａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃｅｑｕａｔｉｏｎｓＤＩＮＧ－ＨＵＩＹＡＮＧ１）（杨顶辉）ＪＩ－ＷＥＮＴＥＮＧ２）（滕吉文）ＺＨＯＮＧ－ＪＩＥＺＨＡＮＧ２）（张中杰）１）ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＧｅ...     

背景噪声面波与布格重力异常联合反演:山西断陷带三维地壳结构

讨论了利用面波与布格重力异常联合反演三维地壳速度结构的新方法,并利用该方法联合反演获得山西断陷带地壳S波速度结构.通过建立速度与密度之间的经验关系,利用非线性迭代反演方法获得最终速度模型.结果显示,联合反演获得的速度模型可以同时提高对面波及重力数据的观测拟合程度,而面波单独反演得到的速度模型则无法很好的拟合重力观测数据.相比较,联合反演速度模型中的大同火山区中下地壳的低速异常幅值小于面波单独反演模型中低速异常体的幅值.联合反演速度模型结果揭示,吕梁山地区在中下地壳存在低速异常,并且和北部的大同火山区低速异常相连接,说明可能导致新生代以来大同火山区岩浆活动的上地幔构造活动(上地幔局部上涌,地幔柱)可能对山西断陷带的形成和构造活动起到了一定的控制作用,并且导致了吕梁山地区中下地壳的低速异常.     

Experimental determination of Rayleigh-wave mode velocities using the method of wave number analysis

A method is presented to determine experimentally phase and group velocity dispersion curves of propagating Rayleigh-wave modes. Through the application of the Fourier transform method wave number spectra of surface displacements due to wave propagation along a line are constructed. The dominant peaks in the wave number spectra together with their corresponding wave numbers are identified. From the latter the phase velocities, which correspond to the wave modes present, are calculated. The phase and group velocity dispersion curves of wave modes are determined from repeated experiments with different frequencies of excitation. This method to determine the frequency-dependent Rayleighwave velocities solves the problem of non-linear phase changes between surface points in contrast to the conventional phase difference methods which assume linear phase changes.     

解耦纵横波反射波走时反演

基于常规弹性波动方程的反射波走时反演结合走时和反射波信息可以有效的摄取模型参数中的低波数成分,然而纵横波之间的耦合效应以及纵横波速度对波场的敏感性差异,导致反演的非线性问题增强.为此本文研究了基于解耦波动方程的反射波走时反演,并提出改进的时移互相关目标函数,分别隐式计入射波场快照与反传波场快照的时移量,很大程度的降低了纵波、横波之间的耦合关系,并提高纵横波速度低波数信息的反演质量.最后模型测试证明了本文方法的正确性.