地震层析成像反演中解的定量评价及其作用

对地震层析成像非线性问题线性化处理之后,各种反演算法归纳成为对不适定方程的求解。地震层析成像反演算法的解的物理意义是给出地质结构,因此对于解的可信度产生怀疑。本研究根据解估计的分辨率矩阵的原理,提出ＬＳＱＲ（Ｌｅａｓｔ Ｓｑｕａｒｅ ＱＲ）算法解协方差矩阵的评价算法,用相关分析可以为那些求解过程中得不到分辨率矩阵的反演方法提供解的定量评价。并用本文提出的解的定量评价方法试评了一个实际地壳模型的地震     

基于交叉梯度约束的时间域激发极化法二维同步反演

时间域激发极化法(Time-domain induced polarization method,简称为TDIP)已有的反演算法采用的是分步反演的思路,即先由视电阻率资料反演电阻率,固定电阻率再由视极化率资料反演极化率,这样就存在极化率结果严重依赖于电阻率反演结果的问题.为了有效解决这一问题,本文实现了TDIP二维数据空间分步反演算法,提出了基于交叉梯度约束的TDIP二维同步反演策略,实现了交叉梯度约束的电阻率和极化率二维同步反演算法.分别用电阻率和极化率结构一致和不一致的二维模型合成数据进行了分步和同步反演试算,对不同模型试算结果进行了对比分析.结果表明:对于电阻率和极化率结构一致和不一致模型,同步反演结果比分步反演结果能更好地确定异常体的空间分布范围,反演得到的电阻率和极化率值更接近真值.理论模型算例表明本文提出的同步反演算法有效解决了分步反演的问题,优于分步反演算法,具有更好的实用性.     

基于MPI的时间域激发极化法2.5维正则化并行反演

时间域激电法2.5维正反演算法相对较成熟,但当实测数据量较大,正反演网格剖分较精细,以及傅氏反变换波数选取较多时,常规的反演算法计算效率低,影响了算法的实用性.本文讨论如何提高时间域激电法2.5维正反演计算效率问题.以"等效电阻率"为基础,利用有限单元法实现了激电法2.5维正演;采用正则化反演方法实现了2.5维激电数据反演;讨论了正反演算法的并行性,实现基于MPI的正反演并行计算;对正则化反演中拉格朗日乘子搜索方案进行了优化.经理论地电模型算例测试表明,所实现的正反演算法运行稳定,结果可靠,计算效率高.     

基于最小二乘正则化的自然电场场源反演成像

自然电场对多种地下污染物敏感,开展相应的场源反演成像研究可帮助有效监测污染源活动.把目标区域内的多种自然电场场源进行统一处理,利用有限单元构建二维地电模型,实现自然电位正演的高精度计算.采用最小二乘正则化反演迭代,实现自然电场场源的二维反演.在设计二维自然电场场源反演算法的基础上,利用加入高斯噪声的合成模拟数据,对反演算法进行测试.测试结果表明:基于有限单元二维模型的最小二乘正则化反演算法能有效地实现对自然电场场源的反演成像,并能准确地确定自然电位异常源的位置和深度,且算法收敛快速稳定,具有一定的抗噪声能力.     

起伏地形下大地电磁L-BFGS三维反演方法

为推进大地电磁三维反演的实用化,本文实现了基于L-BFGS算法的带地形大地电磁三维反演.首先推导了大地电磁法三维反演的Tikhonov正则化目标函数以及Hessian矩阵逆矩阵近似表达式和计算方法,然后设计了一种既能保证空气电阻率固定不变又能保证模型平滑约束的协方差矩阵统一表达式,解决带地形反演问题.在反演算法中采用正则化因子冷却法以及基于Wolf条件的步长搜索策略,提升了反演的稳定性.利用开发的算法对多个带地形地电模型（山峰地形下的单个异常模型、峰-谷地形下的棋盘模型）的合成数据进行了三维反演,并与已有大地电磁三维反演程序（ModEM）进行对比,验证了本文开发的三维反演算法的正确性和可靠性.最后,利用该算法反演了华南某山区大地电磁实测数据,得到该区三维电性结构,揭示了研究区以高阻介质为基底,中间以低阻不整合面和相对低阻介质连续分布,浅部覆盖高阻介质的电性结构特征,进一步验证了本文算法的实用性.     

地震层析成像反演中解的定量评价及其应用

对地震层析成像非线性问题线性化处理之后,各种反演算法归纳成为对不适定方 程的求解．地震层析成像反演算法的解的物理意义是给出地质结构,因此对于解的可靠性及 分辨率研究非常重要．然而许多反演算法不能给出解的评价方法,因而对解的可信度产生怀 疑．本研究根据解估计的分辨率矩阵的原理,提出ＬＳＱＲ（Ｌｅａｓｔ Ｓｑｕａｒｅ ＱＲ）算法解协方差矩 阵的评价算法,用相关分析可以为那些在求解过程中得不到分辨率矩阵的反演方法提供解的 定量评价．并用本文提出的解的定量评价方法试评了一个实际地壳模型的地震层析成像的 速度重建结果．     

电阻率二维神经网络反演

由于非线性特性地球物理反演一直以来都是一个比较困难的问题. 近十年来,非线性反演方法如人工神经网络、遗传算法在地球物理数据解释中得到越来越多的应用,但目前基本仍限于一维反演问题. 对于二维反问题,反演参数较多,神经网络反演运用较少. 本文利用BP神经网络优化方法,实现了电阻率二维非线性反演. 与传统线性化的迭代反演比较,神经网络反演能够克服传统方法的不足、获得更好的反演结果.     

2.5维复电阻率反演及其应用试验

自复电阻率法被提出以来,其区分矿与非矿方面的潜力就引起了人们的广泛关注,但反演问题一直没有得到较好的解决,已经严重影响和制约了该方法的应用和发展.对此,本文提出并实现了利用多个排列视电阻率和视相位数据的2.5维SIP联合反演方法.算法利用最小二乘原理构建了反演目标函数,为提高反演的稳定性,在反演方程中加入了Occam法的光滑模型约束.通过借助电场的偏导数形式,推导出了灵敏度矩阵的解析表达式,并应用互换定理对其进行精确求取.反演算法充分利用了电磁感应和激电效应中的异常信息,能够同时反演出二维地质断面上所有单元的四种复电阻率参数.最后,利用该反演程序对安徽某地区的SIP实测数据进行了反演成像,通过与已知钻井资料及CSAMT反演结果的对比分析表明,该反演算法具有良好的应用效果.     

频率域航空电磁法2.5维正反演研究（英文）

频率域航空电磁法具有经济、高效和适应能力强等特点,广泛应用于矿产普查、地质填图、地下水资源调查等领域。目前,实测数据处理技术以电阻率深度转换成像技术以及一维反演方法为主。然而,对二、三维复杂地电模型,一维反演往往难以达到满意的结果。虽然三维正反演能较好的解决该问题,但其计算效率难以满足海量实测数据的计算要求。因此,本文在前人研究的基础上开展了三维源二维地电模型(2.5维)的频率域航空电磁法正反演算法研究。将总场分解为一次场和二次场来消除源的奇异性,一次场在均匀全空间或层状介质中求得,二次场用等参有限元方法计算得到,利用大规模系数矩阵并行直接求解器计算线性方程组,有效提高了计算效率。在正演的基础上,实现了基于奇异值分解(SVD)的阻尼最小二乘反演算法,通过"拟正演"和互换定理来计算雅克比矩阵。通过理论模型计算和实测数据很好的验证了本文方法在频率域航空电磁数据正反演应用中的准确性和有效性。     

时间域航空电磁2.5维非线性共轭梯度反演

对于时间域航空电磁法二维和三维反演来说,最大的困难在于有效的算法和大的计算量需求.本文利用非线性共轭梯度法实现了时间域航空电磁法2.5维反演方法,着重解决了迭代反演过程中灵敏度矩阵计算、最佳迭代步长计算、初始模型选取等问题.在正演计算中,我们采用有限元法求解拉式傅氏域中的电磁场偏微分方程,再通过逆拉氏和逆傅氏变换高精度数值算法得到时间域电磁响应.在灵敏度矩阵计算中,采用了基于拉式傅氏双变换的伴随方程法,时间消耗只需计算两次正演,从而节约了大量计算时间.对于最佳步长计算,二次插值向后追踪法能够保证反演迭代的稳定性.设计两个理论模型,检验反演算法的有效性,并讨论了选择不同初始模型对反演结果的影响.模型算例表明:非线性共轭梯度方法应用于时间域航空电磁2.5维反演中稳定可靠,反演结果能够有效地反映地下真实电性结构.当选择的初始模型电阻率值与真实背景电阻率值接近时,能得到较好的反演结果,当初始模型电阻率远大于或远小于真实背景电阻率值时反演效果就会变差.     

大地电磁法三维快速松弛反演

实现大地电磁法快速三维反演的关键在于找到快速计算灵敏度矩阵的方案. 本文在对大地电磁三维张量阻抗表达式进行深入分析的基础上，获得了三维快速松弛反演算法的灵敏度函数表达式，解决了三维快速松弛反演的核心问题；为了减小反演解的多解性，针对三维问题定义了最小构造函数，实现了求最小构造的三维快速松弛反演算法. 对二维棱柱体、三维棱柱体理论模型的大地电磁合成数据进行了反演试算，反演结果与理论模型相吻合. 对日本Kayabe地区实测资料进行了XY模式反演，反演得到的地电模型较好地反映了地热资源的分布. 反演试算结果表明大地电磁三维快速松弛反演具有计算速度快、结果稳定可靠等特点；使三维快速松弛反演在普通微机上得以实现.     

地震资料约束下大地电磁资料反演

应用地震资料约束下大地电磁资料反演古潜山或基底内部结构的新方法. 首先利用地震及井资料,反演得到古潜山或基底之上各层的厚度及电阻率,建立了古潜山或基底以上的地电模型;并利用大地电磁一维反演资料,建立了古潜山或基底及其以下的地电模型. 在初始模型建立的基础上,应用高效快速的二维大地电磁正演算法——模式匹配方法,进行正演计算. 利用共扼梯度迭代方法,进行正反演迭代计算. 通过对胜利油田南北618剖面反演, 基底以下在地震资料没有显示的构造信息,在反演结果中得到了较好地反映.      

大地电磁一维连续介质反演的曲线对比法

根据电磁波的传播特性，把视电阻率随周期变化的曲线转化为电阻率随深度变化的曲线，并以此作为初始反演的地电模型．通过初始地电模型得到的视电阻率曲线与真实模型的视电阻率曲线的对比，对初始地电模型的电阻率值进行校正．校正后的反演模型的视电阻率曲线与真实模型的视电阻曲线的拟合程度有所提高．然后如此反复进行多次校正，获得与真实模型更为接近的反演模型，反演的拟合误差一般小于ｌ％．模型试验和实际例子表明，该方法的拟合程度优于Ｂｏｓｔｉｃｋ法．     

基于矢量有限元的带地形大地电磁三维反演研究

研究了基于矢量有限元方法的大地电磁带地形三维反演算法并开发了三维反演计算程序代码.在大地电磁场正演数值模拟方面,采用并行直接稀疏求解器PARDISO且无需进行散度校正的快速正演方案,对典型地形模型,在中等规模计算条件下,与双共轭梯度法(BICG)计算结果比较,发现PARDISO比BICG快10倍以上;通过理论模型试算,并与前人的有限元法计算结果对比,验证了带地形三维正演计算程序的正确性.在反演方面,本研究基于共轭梯度方法编写了大地电磁带地形三维反演代码,为了避免直接求取雅可比矩阵,将反演中的雅可比矩阵计算问题转为求解两次“拟正演”问题,进而将PARDISO的快速正演方案应用于“拟正演”问题的求解,以提高反演计算效率.利用开发的反演算法对多个带地形地电模型的合成数据进行了三维反演,反演结果能很好地重现理论模型的电性结构,验证了本文开发的三维反演算法的正确性和可靠性.最后,利用该算法反演了某矿区大地电磁实测数据,反演得到的三维电性结构清晰地反映了研究区的地电特征,将反演结果与该区已有地质资料结合进行解释,应用效果明显,进一步验证了本文算法的有效性.     

二维孔间电阻率成像中钻孔效应

为了定量分析孔间电阻率成像中钻孔大小及钻孔中填充介质对反演计算结果的影响,本文基于建立的三维地电基准模型,首先根据野外的实际情况选取了典型情况下不同钻孔直径大小及不同电阻率特性的钻孔填充介质组合状况设定基准模型参数,然后分别对设定的地电模型进行正演计算合成二维孔间电阻率数据模型,并对获得的数据模型进行反演计算,计算结果...     

大地电磁测深二维反演对“准二维”地质构造的适应性研究

受计算机硬件水平限制,大地电磁(MT)三维反演难以在实际中推广应用,MT数据解释仍以二维反演为主.地质构造具有一定的二维性特征,但不同的地质构造走向往往不同、MT测线无法与每个构造的走向垂直,这使得实际MT数据并不满足严格的二维反演条件.因此,有必要开展大地电磁测深二维反演对"准二维"地质构造的适应性研究.本文设计三个理论地电模型,通过三维正演计算获得各测点大地电磁响应,以此模拟实际观测数据.对MT数据进行相位张量分析,结果表明设计的地电模型主要表现为二维性特征.利用非线性共轭梯度(NLCG)反演算法对理论MT数据进行二维反演研究,重点讨论了测线方向、电性主轴旋转策略及反演模式选择,对反演结果的影响.对比分析反演结果,得到如下认识:1.测线方向对反演结果影响较小;2.电性主轴旋转角度对反演结果影响较大;3.TE+TM联合模式及单独TM模式的反演效果较好.研究结果表明:当一条测线下方在横向与纵向上存在走向不同的多个异常体时,对整条剖面分测点、分频段进行电性主轴旋转,反演所得结果最可靠.     

井间电阻率层析成象的某些进展

用有限元法作电阻率层析成象的核心问题是Ｊａｃｏｂｉ矩阵的求取和反演成象算法的研究。本文主要论述了这两方面的最新进展，即求取Ｊａｃｏｂｉ矩阵的格林函数法，用于反演成象计算的平滑度约束反演。文中通过理论模型的成象计算，比较了两种反演算法的成象效果。     

基于遗传神经网络的大地电磁反演

为进一步提高大地电磁非线性反演的稳定性、运算效率及准确度,将遗传神经网络算法引入大地电磁反演.首先针对大地电磁二维地电模型建立BP（Back Propagation）神经网络基本框架进行学习训练,网络输入为已知地电模型的视电阻率参数,输出为该地电模型参数;再利用遗传算法对神经网络学习训练过程进行优化,计算出多种地电模型网络连接权值和阈值的最优解;最后将最优连接权值和阈值对未知模型进行反演测试,网络输入为未知地电模型的视电阻率参数,输出为该地电模型参数.模型实验表明：遗传神经网络算法充分结合了遗传算法的全局寻优性和神经网络的局部寻优性,相比单一神经网络算法,在网络学习训练中提高了解的收敛成功率和计算速度,在反演测试中能更准确地逼近真实模型.将遗传神经网络算法与最小二乘正则化反演进行对比,理论模型和实测数据都验证了遗传神经网络算法在大地电磁反演中的可行性和有效性.     

固定翼时间域航空电磁数据拟二维整体反演

航空电磁探测数据量大,二维、三维反演算法复杂、计算速度慢,通常采用一维反演,利用层状模型拼接描述地下复杂结构,但航空电磁数据信噪比低,容易引起一维反演结果横向连续性差等问题.本文针对上述问题,基于一维反演算法,通过整合测线观测数据,建立了测线数据整体的目标函数,并根据Tikhonov正则化反演理论,引入包含空间粗糙度和先验信息的模型参数约束项,确定了拟二维整体反演的目标函数,推导了反演迭代方程组,利用超松弛共轭梯度算法,求得由于整条测线整体反演所致的大型稀疏矩阵的极小化解,实现了对整条测线数据同时反演的固定翼航空电磁数据的拟二维整体反演算法.在反演迭代过程中,正则化因子采用线性搜索自适应迭代的方法自动选取,提高了反演结果的稳定性.对比分析了仿真数据的一维反演与拟二维整体反演结果,得出拟二维整体反演算法横向连续性较好,对高导覆盖层下的导体分辨率优于一维反演,同时受高斯噪声的影响较小.最后,将直升机飞行实测噪声加入仿真数据中,拟二维整体反演结果平均相对误差较一维反演结果降低了31.6%,进一步验证了拟二维整体反演算法的有效性.     

ABP法在高密度电阻率法反演中的应用

非线性反演方法作为地球物理反演的一个重要分支,在地球物理反演中发挥着特有的作用.近年来学者对非线性联合反演研究较多,但目前仍未有实质性的研究进展;本文尝试利用BP(Back Propagation)神经网络优化方法与蚁群算法联合演算,实现高密度电阻率法的电阻率二维非线性反演.通过两组模型的结果比较,BP与ABP 法的反...