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.     

重力和重力梯度数据联合聚焦反演方法

重力数据包含较多的低频信息,重力梯度数据包含较多的高频信息,将重力数据和重力梯度数据进行联合反演得到的结果更加可信.本文基于聚焦反演方法,实现了这一过程.因为联合反演中分量种类增加,所以计算灵敏度矩阵所需要的时间增加,为此,本文提出了一种快速计算灵敏度矩阵的方法.因为联合反演对内存的要求增大,本文选择有限内存BFGS拟牛顿法求解反演问题.本文通过再加权的方法实现深度加权.文中利用单一分量的反演结果来预测异常体的埋深信息,随后将埋深信息结合到深度加权函数中,将其用于多分量组合反演计算.给出了模型试验,发现预测得到的异常体的埋深信息与其实际埋深存在偏差,但是将这一信息应用到反演计算,能够得到与真实模型一致的结果.之后,本文通过模型试验来探究重力和重力梯度联合反演的优势,发现将重力和重力梯度数据联合,能够识别出额外的噪声,反演得到的模型更加合理.但是,对于不同分量组合得到的反演结果是相近的,反演模型的提高很小.最后,将联合反演方法应用到美国路易斯安那州Vinton岩丘的实际数据中,结果显示,将重力和重力梯度数据联合反演,反演模型得到了提高,反演得到的结果与地质资料吻合.     

Gravity and magnetic data inversion for 3D topography of the Moho discontinuity in the northern Red Sea area, Egypt

The main goal of our study is to investigate 3D topography of the Moho boundary for the area of the northern Red Sea including Gulf of Suez and Gulf of Aqaba. For potential field data inversion we apply a new method of local corrections. The method is efficient and does not require trial-and-error forward modeling. To separate sources of gravity and magnetic field in depth, a method is suggested, based on upward and downward continuation. Both new methods are applied to isolate the contribution of the Moho interface to the total field and to find its 3D topography. At the first stage, we separate near-surface and deeper sources. According to the obtained field of shallow sources a model of the horizontal layer above the depth of 7 km is suggested, which includes a density interface between light sediments and crystalline basement. Its depressions and uplifts correspond to known geological structures. At the next stage, we isolate the effect of very deep sources (below 100 km) and sources outside the area of investigation. After subtracting this field from the total effect of deeper sources, we obtain the contribution of the Moho interface. We make inversion separately for the area of rifts (Red Sea, Gulf of Suez and Gulf of Aqaba) and for the rest of the area. In the rift area we look for the upper boundary of low-density, heated anomalous upper mantle. In the rest of the area the field is satisfied by means of topography for the interface between lower crust and normal upper mantle. Both algorithms are applied also to the magnetic field. The magnetic model of the Moho boundary is in agreement with the gravitational one.     

重磁数据三维物性反演方法进展

综述了重磁数据三维物性反演方法中的几个关键问题.主要包括正演快速算法、反演框架、约束因子讨论、反演算法实现等方面.正演快速算法主要讨论了等效存储几何格架技术、基于GPU加速的并行计算技术以及小波压缩技术.三维物性反演则是在最小二乘意义下使目标函数达到极小的线性或非线性反演.指出,对于特定地质问题需要谨慎选择不同且合适的约束方法乃至反演算法,才能达到好的效果.最后讨论了重磁数据三维物性反演较好的应用前景及发展方向.     

Parameter optimization of gravity density inversion based on correlation searching and the golden section algorithm

For density inversion of gravity anomaly data, once the inversion method is determined, the main factors affecting the inversion result are the inversion parameters and subdivision scheme. A set of reasonable inversion parameters and subdivision scheme can, not only improve the inversion process efficiency, but also ensure inversion result accuracy. The gravity inversion method based on correlation searching and the golden section algorithm is an effective potential field inversion method. It can be used to invert 2D and 3D physical properties with potential data observed on flat or rough surfaces. In this paper, we introduce in detail the density inversion principles based on correlation searching and the golden section algorithm. Considering that the gold section algorithm is not globally optimized, we present a heuristic method to ensure the inversion result is globally optimized. With a series of model tests, we systematically compare and analyze the inversion result efficiency and accuracy with different parameters. Based on the model test results, we conclude the selection principles for each inversion parameter with which the inversion accuracy can be obviously improved.     

重磁异常三维物性反演随机子域法方法技术

本研究针对三维物性反演中存在的困难和问题,提出三维物性反演的随机子域方法技术,首先是将正反演中保持不变的几何格架分离计算并存储,避免重复计算,从而提高正反演计算速度;其次是利用对称性等实现等效计算,明显降低格架计算和存储要求;再通过随机子域方式,降低反演的维数问题;另外,通过概率方式控制子域生成的分布,实现约束新机制. 模型和实例计算表明了方法技术的效果,为大面积重磁数据的三维反演提供了有效的途径.     

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.     

重磁异常解释的归一化局部波数法

局部波数法是进行重磁数据解释的常用方法之一.本文提出归一化局部波数法,该方法在不需要任何关于地质体信息的前提下能有效地完成异常的反演工作,且给出了不同归一化方式的应用效果.理论模型试验表明归一化局部波数法能准确地完成异常的反演,且通过对比发现其他归一化方式（中值、几何平均和调和平均）的计算结果相对算术平均归一化结果具有更高的分辨率.将该方法应用于实测磁异常的解释,获得了未知地质体的空间位置.     

双层界面重磁联合反演方法研究

Based on the synchronous joint gravity and magnetic inversion of single interface by Pilkington and the need of revealing Cenozoic and crystalline basement thickness in the new round of oil-gas exploration, we propose a joint gravity and magnetic inversion methodfor two-layer models by concentrating on the relationship between the change of thicknessI and position of the middle layer and anomaly and discuss the effects of the key parameters. Model tests and application to field data show the validity of this method.     

New advances in regularized inversion of gravity and electromagnetic data

The interpretation of potential and electromagnetic fields observed over 3D geological structures remains one of the most challenging problems of exploration geophysics. In this paper I present an overview of novel methods of inversion and imaging of gravity and electromagnetic data, which are based on new advances in the regularization theory related to the application of special stabilizing functionals, which allow the reconstruction of both smooth images of the underground geological structures and models with sharp geological boundaries. I demonstrate that sharp-boundary geophysical inversion can improve the efficiency and resolution of the inverse problem solution. The methods are illustrated with synthetic and practical examples of the 3D inversion of potential and electromagnetic field data.     

Interactive 3D forward modeling of total field surface and three-component borehole magnetic data for the Daye iron-ore deposit (Central China)

The ground magnetic response of deep ore bodies in the Daye iron-ore deposit is relatively weak, and sometimes concealed by the strong magnetic background of shallower sources. Apart from the low-quality ground magnetic data, another critical problem for reconstructing the deep skarn-type ore bodies is developing a versatile inversion scheme that can simultaneously resolve 3D sources with arbitrary shapes. In this case, we resort to interactive 3D forward modeling solution with the joint use of two data sets-total field surface and three-component borehole magnetic data. Joint inversion of the two data sets is expected to help resolve the ambiguity associated with either data set and greatly reduces the nonuniqueness of the magnetic inversion. Such nonuniqueness is especially severe when a 3-D distribution of magnetic susceptibility, instead of a simple body, is sought from the inversion.In this paper, we calculate the magnetic field on the surface and in the borehole caused by 3D arbitrarily-shaped bodies with the triple integral method. The complex 3D magnetic sources having arbitrary shapes are constructed with cross-sections, termination points and facets in our visualization technology. We specify, interactively and in a user-friendly environment, the outline of the sources in terms of geometric elements and their magnetic parameters. The method automatically fits the observations within a prescribed precision. If dissatisfied, the user can redefine the model parameters and proceed to a new inversion. The method's ability to interpret a complicated 3D geologic environment is demonstrated on synthetic models and real data profiles in the Daye iron-ore deposit in central China. The interactive forward modeling results in all tests demonstrate a good correlation of estimated magnetic sources with corresponding known geologic features.     

基于共轭梯度算法的重力梯度数据三维聚焦反演研究

重力梯度数据相对于传统重力数据,能够更细致、准确地描述地球浅部构造和研究矿产资源分布等信息.本文采用共轭梯度算法,在加权密度域求解重力梯度数据三维聚焦反演最优化问题,以恢复地下三维密度分布,目标函数包括数据不拟合函数和最小支撑稳定函数.首先,在推导目标函数对加权密度的一阶导数时,为了得到更合理的计算公式,我们考虑变加权函数中含有密度变量;此外,本文通过密度上下限约束,改善了传统聚焦反演中聚焦因子选取困难的问题.新算法获得的反演结果,对聚焦因子的选择约束较少,相比传统聚焦算法,能够更容易的获得理想结果.将方法应用于理论模型验证其有效性和正确性,并应用本文方法处理文顿盐丘地区的航空全张量重力梯度数据,得到了与已知地质信息匹配的密度分布,表明本文方法具有处理实际数据的能力.     

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.     

应用全张量重力梯度数据优化密度和速度模型

重力梯度全张量数据具有高灵敏度反映探测目标局部微弱变化的特点,可以对单一地震数据在建立速度模型过程中的不确定性,尤其是各向异性速度模型建立过程中的精细结构进行补充修正.本文主要研究重震两类数据与各自所反映的物理模型关系以及密度模型与速度模型之间的相互联系和制约关系,从而建立重力全张量数据与地震速度模型间的信息互补关系和模型参数间的解析表达式.在此基础上,提出多参数加权正反演算法流程,逐层异常分离技术和约束条件下迭代反演模型修正方法,并实现模块编程和验证.实验数据和结果表明,重力全张量数据和地震数据多参数融合能够明显提高地震速度建模精度,减小模型解释的不确定性.     

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.     

基于深度学习的重力异常与重力梯度异常联合反演

高效高精度的反演算法在重力大数据时代背景下显得尤为重要,受深度学习卓越的非线性映射能力的启发,本文提出了一种基于深度学习的重力异常及重力梯度异常的联合反演方法.文中首先提出了一种基于网格点几何格架的重力异常及重力梯度异常的空间域快速正演算法,这为本文深度学习反演算法的实现奠定了基础;其次对大量的不同密度模型进行正演计算获得样本数据集;然后设计了一种端到端的深度学习网络结构(GraInvNet),再利用样本数据对该网络结构进行训练;最后进行反演预测.组合模型试验表明,多维度数据联合反演相比单一分量反演其结果更“聚焦”,且与模型边界高度吻合,并且对于复杂模型的姿态与物性预测具有极为显著的优势,以及对于含噪声数据的反演,其质量也不会降低;Vinton岩丘实测重力数据也验证了文中方法的有效性;从而证明了深度学习在重力数据的高效高精度反演方面具有的巨大潜力.     

分析研究基于小波分析与谱分析提高重力异常的分辨能力

重力数据是所有地下场源产生的重力场的叠加,探测对象经常被淹没在区域背景场之中,因此剩余异常的分离对于重力资料研究至关重要,而近来被引入位场领域的小波算子作为了滤波器和场源分析工具,在这里我们分析研究基于小波分析与谱分析的二维离散小波变换用于提高重力异常的分辨能力,再现出由简单形状场源描述密度不均匀的几何特征.本文先介绍二维多分辨率分析小波的基本理论及其提升算法,利用对数功率谱估计平均深度方法理论,接着对理论模型数据进行多尺度异常分解,估计地质体的形状、大小和深度,最后又对实测重力数据进行分析,并与传统常规方法进行比较分析,结果表明对于实际数据分析其方法也是具有可行性的.     

用于区域重力场定量解释的多尺度刻痕分析方法

本文介绍一个把小波多尺度分析、表面刻痕分析以及位场频率域解释理论和反演方法结合起来的数据处理、反演解释和信息提取的方法系统.这一方法系统简称为区域重力场多尺度刻痕分析方法,应用于刻画地壳分层的三维密度结构、地壳变形带分布和构造单元分区.多尺度刻痕分析包含频率域重力场场源分层、重力场小波变换多尺度分解、场源分层深度及密度扰动反演、分层刻痕分析和构造边界定位四个子系统.文中扼要地介绍这四个子系统基本原理、方法技术及应用效果.从地球物理探测到大地构造学发现,是一个多学科综合研究的探索过程.要取得重大研究成果,必须研发和组合来自不同学科的多个新方法技术,使多学科综合研究有宽厚的理论支撑.本文介绍的四个子系统组合的理论支撑分别来自应用数学、地球物理学和信息科学.     

九瑞矿集区重磁三维约束反演及深部找矿意义

研究九瑞矿集区成矿地层和岩体的三维分布特征可为区域成矿背景和成矿规律研究提供新的信息,实现研究区深部及外围找矿突破.本文首先综合分析研究区区域地质及地层和岩石密度和磁化率特征,然后将区域地质和12条地质剖面信息利用自行开发的GIF2UBCmodel程序构建剩余密度和磁化率参考模型和上下边界约束模型,实现了带约束重磁数据三维反演.反演结果揭示九瑞矿集区剩余密度和磁化率三维分布特征,解译了矿集区主要地层和岩体分布特征.该区存在邓家山—东雷湾以及武山—丁家山两个大型岩体;盖层褶皱与结晶基底隆起方向一致,是深部基地隆起的继承.通过与矿集区已知矿床对比发现,高磁性岩体边缘和基底隆起(高密度体)两翼为成矿有利区.     

21世纪重力与磁法勘探的展望

对21世纪重力与磁法勘探的仪器，数据处理技术，解释理论与方法，应用领域等方面的发展方向进行了分析与展望，发展航空标量，矢量，梯度重力测量和航空全梯度磁力测量，三分量磁力测量，提高综合信息采集能力；开展卫星重磁测量，综合卫星，航空，地面重磁测量资料研究地球结构与构造；发展高精度数据处理技术；重磁异常弱信号的提取，不同深度重磁异常的划分，低纬底变倾角化磁极以及位场面延拓；发展复杂条件下三维重磁场多参数综合反演可视化技术以及快速自动反演技术；探索磁性多参数的应用新领域，充分发挥磁法在环境污染调查中的作用并开拓应用新领域。