基于Cokriging的三维重力张量随机反演

重力张量是重力位的二阶导数,与传统的重力测量相比,重力张量具有更高的分辨率。协同克里格法是地质统计学中常见的一种方法,使用协同克里格法对三维重力张量各分量数据进行随机反演。由于位场数据在深度方向上的分辨率较低,因此需通过使用深度加权函数和钻孔数据来解决这一问题,对比了带深度加权和带钻孔数据的协同克里格反演结果。反演结果表明,协同克里格法能够较好地反演重力张量各分量数据,两种方式都能够较好地反演出地下异常位置,带深度加权的协同克里格法反演出来的密度值与实际值有一定的偏差,而带钻孔数据的协同克里格法能够较好地反演出剩余密度值,并且对于不同埋深的异常体都能很好地反映。     

复杂条件二维重力场及重力张量场空间波数域正演方法

随着传感器技术的发展,重力场与重力张量场测量技术发展迅速,为实现地下密度分布精细反演提供了数据保障。正演是反演的基础,解决任意密度分布复杂地质体重力场与重力张量正演高效、高精度计算问题,是实现重力高效、精细反演、人机交互反演解释的关键。针对起伏地形和任意密度分布这种复杂条件下二维重力场及重力张量场高效高精度正演问题,这里提出了一种空间波数混合域正演算法,其关键环节包括:①结合新的矩形二度体组合模型波数域表达式和一维Gauss-FFT算法,提出了一种任意密度分布和起伏地形下重力场及重力张量高效、高精度正演算法;②采用新的二维正演算法,计算观测最高点和最低点之间多个不同高度水平网格重力场及重力张量,结合三次样条插值方法,实现了起伏地形上重力场及重力张量场高效、高精度正演。模型算例结果表明,新方法具有高效、高精度的显著特点。     

球坐标系密度界面反演方法及在华南大陆的应用

密度界面反演方法在油气勘探、推断区域构造、获取地壳结晶基底面、莫霍面起伏形态等方面具有重要意义。现有的密度界面反演方法大多基于笛卡尔坐标系统,当涉及到大区域乃至全球尺度的密度界面反演时,地球曲率的影响将不可忽视,需考虑基于球坐标系Tesseroid模型的密度界面反演方法。然而,受计算精度和效率制约,已有的基于Tesseroid模型的密度界面反演方法并不能很好地适用于地表重力观测数据的反演计算。笔者基于前人研究,给出了一种适用于地表观测数据的球坐标系密度界面反演方法。该方法首先将常规的球坐标系高斯—勒让德重力积分公式进行简化,提高了重力正演计算效率。随后,引入并改进了前人的自适应剖分方案,提高了重力正演计算精度。在此基础上,采用Cordell迭代优化算法,得到了适用于地表观测数据的球坐标系密度界面反演方法。通过模型数据试验,对本文球坐标系密度界面反演方法进行了验证。结果表明,笔者对高斯—勒让德积分公式加以改进和引入改进的自适应剖分方案后,很好地克服了计算精度和效率对地表观测重力计算的掣肘,并且,基于球坐标系的密度界面反演结果优于基于笛卡尔坐标系的密度界面反演结果。在华南大陆实际数据试验中,利用文中方法得到的华南大陆的莫霍面深度与前人得到的莫霍面深度具有较高的吻合度,莫霍面自西向东逐渐抬升,西部抬升剧烈,东部抬升平缓,沿武陵山—贵桂交界一带呈现明显的NNE向莫霍面梯级带,验证了文中方法的科学有效性。     

基于粒子群算法的重力张量反演研究

重力梯度张量的定义是对重力位求二阶导数,相比于传统的布格重力异常,它在反映地下密度异常分布上有着更高的灵敏度,且能够进一步准确直接地反映目标体的边界.但对单个张量分量作反演时,可能会丢失一部份有用的信息,从而造成反演结果的误差.而全张量反演是将重力的五个梯度张量联合起来进行反演,这样做可以综合更丰富的场源信息.相比于传统做法中的布格重力异常反演和单重力张量分量反演,得到的反演结果不仅有了更高的分辨率,在识别目标体特征上也有更好的效果.粒子群算法是一种基于群体智能的优化迭代算法,这里利用粒子群算法对重力张量单分量、布格重力异常和全张量分别进行反演,并对结果进行简要分析.     

应用改进的遗传算法反演多层密度界面

利用具有全局优化功能的遗传算法直接反演多层密度界面.首先根据重力反演的特点对遗传算法进行改进, 使遗传算法基因交换过程中交换位置的确定同重力异常的拟合情况相结合, 给出适合于重力反演特点的遗传算法.然后利用改进后的遗传算法直接反演多层密度界面.理论模型和实际剖面的计算表明改进是有效的.      

空间域密度界面反演方法及其进展

利用重力数据反演密度界面一直是重力学研究的重要内容,其在区域构造研究和油气勘探等领域发挥着越来越重要的作用。按照计算域的不同,密度界面反演方法可分为频率域方法和空间域方法。简要介绍了空间域方法中研究和使用较多的直接迭代法、脊回归法和正则化方法的基本原理及改进措施,3种方法的应用效果对比表明,直接迭代法和脊回归法反演结果均为光滑形态的密度界面,而正则化方法可反演非光滑形态密度界面,并且方便施加先验约束信息。密度界面反演结果受位场分离精度的影响较大,应尽量利用已知信息作为约束进行位场分离或采用逐层分离技术。待反演界面上下的密度差对反演结果影响亦很大,需充分利用研究区密度资料构建符合构造特征的三维密度差变化模型以提高反演的精度。在反演方法原理方面,需要结合先验约束信息(可通过钻井、地震资料等获得)来提高反演的准确性。更重要的是,需明确反演密度界面与地质构造界面的对应关系,以正确评价反演结果。最后提出了密度界面反演方法将来的研究重点和发展方向:随着重力观测技术的快速发展以及研究目标的多样化,今后需研究适用于大区域或全球尺度的密度界面反演方法;随着地质目标勘探难度的增大,亦亟需研究符合构造特征的精细的单密度界面反演方法,并发展多层密度界面反演技术。     

基于非结构化网格的重力梯度张量反演

由于重力梯度张量是重力位的二阶导数,与传统的重力测量相比,重力梯度张量具有更高的分辨率,并且重力梯度张量具有5个相互独立的分量,包含了更多的地下空间信息和密度信息,因此将重力梯度张量数据应用到反演中可以得到较好的反演结果。非结构化网格具有很强的几何适应性,能够较好地拟合复杂异常体的边界,通过非结构化网格对反演目标区域进行离散,可以降低剖分误差,从而提高计算精度。为了降低反演过程中的多解性问题,将地球物理反问题的广义正则化目标函数应用于基于非结构化网格的三维重力梯度张量反演中,推导了相关公式,实现了各分量的独立反演,并阐述了深度加权函数在反演过程中的作用。为了充分利用重力梯度张量各分量所携带的密度、空间信息,将5个独立的分量进行了联合反演,反演结果表明,基于非结构化网格的三维重力梯度张量反演能够较好地反映地下异常源的物性分布和赋存位置。通过与长方体网格反演结果对比,本反演方法突出了非结构化网格反演的优越性;最后,通过较复杂组合模型的计算证实了方法的实用性。     

三维密度界面反演的一个近似方法

在区域地球物理研究工作中,应用重力资料反演密度界面,尤其是计算莫氏面的深度,已被广大学者所重视。目前某些计算方法,如线性公式法、压缩质面法等已被应用。我们认为,在利用小比例尺区域重力资料反演密度界面时,现有的一些方法各有其一定的局限性。     

非迭代,非线性二维重力反演计算方法

本文叙述了非迭代、非线性二维重力反演方法的原理、模型计算及应用效果等。与以往诸多的求界面重力反演方法相比,该法的主要特点是：将界面的深度用一幂级数的形式表示,且幂级数系数的计算与界面上下地层的密度差无关。因此,一旦求出了幂级数的系数,由界面的密度差可直接得到界面的深度,且幂级数收敛的速度很快。     

天津市重力数据反演解释

重力数据反演是获取地下地质信息的有效手段。本文通过对天津市全区密度和电性参数的统计分析,了解天津市地层的物性分布规律。在对研究区布格重力异常数据采用归一化总水平导数垂向导数（NVDR-THDR）技术处理的基础上,对断裂构造进行了识别,对构造单元进行了划分。然后结合研究区地质资料,应用Geosoft软件中的密度界面反演模块对各构造单元内的密度界面起伏进行反演。并以GOCAD软件为平台,构建了天津市三维可视化地质模型,借助大地电磁（MT）测深点虚拟钻孔,实现了对主要地质界面和构造的标定。最后利用布格重力异常数据拟合同位置地质剖面,验证了模型的可靠性。应用上述反演成果,结合区内地质认识,推断宝坻断裂（F₁）、蓟运河断裂（F₂）、F₃、杨柳青断裂（F₄）、F₇在中生代后活动性较强,沧东断裂（F₆）和天津断裂（F₃₀）在古近纪后活动性较强。     

基于深度加权的重力梯度张量数据的3D聚焦反演

针对重力梯度数据聚焦反演结果中存在的"上漂"现象,在经典Tikhonov正则化理论框架下,引入最小支撑泛函数对反演模型进行约束以避免反问题解的不稳定,并针对重力梯度数据聚焦反演中存在的趋肤效应,在模型目标函数中引入指数深度加权函数。通过理论模型,对部分重力梯度张量分量进行了单独以及联合聚焦反演,验证了基于深度加权的聚焦反演方法的有效性,并将该反演方法运用到涩北一号气田区的实际数据中,反演结果较好地反映出气田位置。     

全张量重力梯度数据垂直分量噪声滤除方法研究

全张量重力梯度数据中含有高频成分,为了在去除高频噪声的同时,保留浅部小异常体信息,本文利用最小二乘原理,求解重力梯度垂直分量与重力数据联合约束下的超定方程组。结果表明,随着计算窗口的增大,去噪效果越来越好,对于本文所设计的模型,当计算窗口增大到32×32时,重力数据中99%以上的噪声被去除,张量数据Vxz、Vyz中,分别有大约40%、50%的噪声被去除;同时,浅部小异常体信息几乎全部保存。     

航空重力梯度测量飞行姿态影响及误差校正

在石油和金属矿勘探中,相对于重力异常数据,航空重力梯度数据含有更多的高频信号成分,能更好的描述小的异常特征。为了得到地下异常体的真实重力梯度数据,需要全张量梯度测量数据中有效地去除飞机自身梯度值的影响。针对这一影响,提出线性的校正方法。考虑飞行姿态的改变引起的空间坐标系的变化,在校正过程中给出旋转矩阵和张量转换矩阵来实现坐标系的统一。通过模型实验分析了自身梯度值随姿态角变化情况,用实际梯度数据计算证明了该方法能够减小几个E的姿态误差,有效提高数据的精度。     

鞍山—本溪地区太古宙结晶基底埋深

利用鞍山—本溪地区1∶20万重力资料及航磁资料、钻孔数据,结合实测岩石密度数据,采用地质剖面约束下的二维人机交互反演方法,完成了14条剖面的深部地质结构反演,确定了太古宙结晶基底的埋深。鞍山—本溪地区结晶基底的最大埋深约为4 500 m,在下辽河盆地埋深最大;埋深较浅的地区主要位于本溪市以南地区。推测在田师付镇和平顶山镇以南可能存在隐伏铁矿。     

利用实测重力垂直梯度反演长白山地区一剖面的深部构造

针对重力梯度高分辨率的特点,利用在长白山地区实测的重力垂直梯度数据,采用梯度空间参量图反演其深部构造。台阶模型试验表明: 重力梯度空间参量图能给出构造倾角和倾面的信息,结合重力梯度剖面和梯度空间参量图可以构建出地下构造的几何模型,进而对一些复杂构造进行解释。通过对比实测布格重力异常和实测重力梯度异常,重力梯度比重力异常的分辨率更高; 将梯度法应用到实测重力梯度数据的处理中,结果表明: 该方法对确定密度变化界面的水平位置和深度具有非常好的效果。     

移动平台全张量重力梯度数据的噪声抑制

全张量重力梯度仪器测量数据中包含了大量的白噪声和有色噪声。传统的数字滤波器只能滤除某一频段外的噪声,对于混叠在重力梯度有用信号频段范围内的有色噪声不能很好的对其进行分离。为了同时滤除白噪声和有色噪声,笔者利用卡尔曼滤波器采用增广矩阵法将全张量重力梯度数据中的有色噪声进行估计,在抑制白噪声的同时将有用信号和有色噪声分离,并利用数字滤波器与卡尔曼滤波器的优点,将其结合生了更好的滤波效果,得到了更高质量的梯度信号。通过模型试验验证了本方法对噪声的滤波能力,并满足高精度重力梯度数据处理要求。     

重磁联合反演解释在长白山天池深部构造中的应用

重磁联合反演可以解决火山岩强反射屏蔽作用导致地震深层反射能量弱的问题。为了解译长白山天池深部断裂构造并描述地层形态,笔者依托Oasis Montaj重磁拟合平台,参考地震地质资料建立原始重磁模型,并利用岩性参数作为约束条件进行联合反演解释。根据布格重力异常与地磁法异常分布特点,成功反演了地下8 km基底范围内的地层分布特征,解译了7处断裂分布位置。其中深大断裂位置与地质、遥感研究结果能够良好吻合,并更加精确。     

The Rapid Inversion of 3-D Potential Field and Program Design

The application of three-dimensional inversion of gravity and magnetic fields is very important not only in geophysical researches, but also in the study of geological structures. A formula of potential field in frequency-domain, developed by Parker in 1973, can be used as a rapid and effective algorithm in gravity and magnetic inversion. The technique has been improved then by Oldenburg, Sprenke, Feng and others.In addition to a brief introduction of Parker's algorithm and its applications, this paper includes the following five parts: basic computational techniques, inversion of single layer, convergence and constraints, simultaneous inversion for density and topography as well as inversion of multilayers. The authors present relevant practical iterative formulas and its varieties when density distribution varies with depth in linear or exponential relation. In order to maintain computation stability and speed up iteration convergence, some approaches are taken in the program design, for instance shifting lower interface of the studied layer, inverting corrections of topography, reducing grid boundary effects and utilizing low-pass filter. With the consideration of the nonuniqueness of the inversion, a method of using seismic data to constrain the range ofpossible models is discussed. It is pointed out that the density variation generates less effects than those of topography on the spectrum of gravity anomaly in second order. Therefore density contrast and topography can be inverted simultaneously by an alternative weighting iteration. By analogy, the inversion of multilayer model can be done in the above procedure. An approach of model decomposition is useful in the computation of multilayer model. The techniques discussed in the present paper for gravitational field are also valid for magnetic field.