三维复杂地壳结构非线性走时反演

中国大陆中西部乃至全球造山带普遍具有复杂地壳结构.随着矿产资源勘探和深部探测研究的深入,探测造山带及盆山耦合区下方地壳精细结构正逐渐成为当前面临的巨大挑战.人工源深地震测深方法正越来越清晰地揭示出不同构造域地壳速度结构的基本特征,然而传统的层状结构模型参数化方法难以准确描述复杂地质模型,通常情况下多忽略速度结构的精细间断面且采用层边界平滑处理,难以满足地壳精细结构成像的发展要求.针对上述困难,本文采用最近发展的块状结构建模方案构建三维复杂地壳模型,基于逐段迭代射线追踪正演走时计算方法,推导了走时对三角形界面深度以及网格速度的偏导数,开展了非线性共轭梯度走时反演方法研究.发展了利用直达波和反射波等多震相走时数据对界面深度和网格速度的多参数联合反演方法,并引人不同种类震相数据的权系数和不同类型参数偏导数归一化的方法.数值算例表明,基于块状结构的非线性共轭梯度走时反演方法适用于复杂地壳结构模型,在利用人工源走时数据反演复杂地壳精细结构领域具有良好的应用前景.     

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.

     

基于FCM聚类约束的直流电阻率法与地震走时成像法二维联合反演

通过引入模糊均值聚类(FCM)模型约束函数对电阻率与速度进行约束,开展二维直流电阻率法与地震初至波走时成像法联合反演研究.在地下浅层结构勘探中,通常低电阻率的地质体具有低速特征,较高电阻率的地质体表现为较高的地震波速度.直流电阻率法因为低电阻率区域吸引电流而对其敏感,地震走时成像法因为射线集中在高波速区而对高速体敏感,因此,两者联合成像能够大幅度提高反演效果.合成数据反演表明,直流电阻率法和地震初至波走时联合反演对于两类地质体的分辨能力均有提升,能够优势互补.尤其是引入FCM模型约束进行联合反演,根据已知物性进行监督学习,进一步提高了反演质量,改善了成像模型的分辨率.

     

不连续走时曲线的反演

本文系统地求解了不连续走时曲线的反演问题.所得到的解答表明,除了在低速层(若存在)内,其余各处的速度分布以及低速层的厚度均可唯一地确定.本文指出Slichter(1932)关于低速层厚度上界的推导和Gerver-Markushevich(1966)的反演公式是不合理的.     

高斯波包反射走时速度反演方法

扰动高斯波包理论指出,在Gabor域描述模型的扰动成分,且入射波场为短时宽带信号时,扰动波场可在时间域通过高斯波包算子描述.在此基础上通过拟合反射波的走时,提出一种速度反演方法.反射波走时残差利用地震道局部波形的互相关函数表示,以走时残差的二范数作为目标函数,优化目标函数实现对速度场的反演.基于一阶Born近似,利用扰动高斯波包理论推导出目标函数对速度场的梯度是本文理论部分的核心内容.梯度包括两部分：正传的背景波场与反传的扰动高斯波包之间的互相关,反传的背景波场和正传的扰动高斯波包之间的互相关.梯度表达式中背景波场和扰动波场均利用高斯波包算子模拟.计算梯度的具体算法中,如何模拟扰动波场,以及如何计算反射波的走时残差是两个要点,文中对此做了详细的讨论.数值实验进一步阐述了反演的实现策略,实验结果表明高斯波包反射走时速度反演方法和实现策略有效可行,并得到了理想的反演结果.

     

用体波走时反演地壳结构

本文将反演理论用于由体波观测走时反演匀速水平层的地壳模型参数,探讨了基本原理,提出了两种反演地壳结构的方法,同时还对假设的模型进行了验算,表明所用方法是有效的。     

用体波走时反演地壳结构

本文将反演理论用于由体波观测走时反演匀速水平层的地壳模型参数,探讨了基本原理,提出了两种反演地壳结构的方法,同时还对假设的模型进行了验算,表明所用方法是有效的。     

VSP直达波和反射波波动方程走时联合反演

地面资料全波形反演采用低波数回折波敏感核和高波数偏移等时线恢复地下模型的长波长和短波长分量.当回折波的穿透深度有限时,很容易陷入局部极值.波动方程反射波走时反演采用反射波的透射敏感核更新速度模型.当浅层速度存在较大误差时,仍无法得到满意的反演结果.VSP资料中直达波是一种透射波,穿透深度大,可用于井旁背景速度场建模.本文发展了针对VSP观测方式的波动方程走时联合反演（直达波和反射波）方法.采用全局优化参数反演法实现VSP上下行波和纵横波分离,构建了基于下行直达波和上行反射波走时残差的混合目标函数,推导了相应的伴随状态方程和梯度公式,给出了背景速度和反射系数分步反演流程.理论和实际VSP资料应用表明：直达波和反射波走时联合反演可以得到运动学特征精确的速度模型,为后续全波形反演提供可靠的初始模型;联合反演比单独直达波/反射波走时反演的精度高,比直达波和反射波走时级联反演的耗时少.

     

三维走时反演与青藏高原南部深部构造

利用中法合作布设在青藏高原南部的51个临时地震台数据，提取了来自80个地震事件的2 312个P波到时和部分S波到时，分析了不同方位P，PKP，以及S-P走时差的变化以及其构造含义．最后利用ACH方法对研究区进行了三维速度反演．通过研究，对青藏高原深部构造取得以下初步认识:① 青藏高原上地幔速度较正常大陆上地幔速度要低，羌塘地块上地幔速度更低．PKP走时残差沿剖面往北变小（早到），说明剖面北部(桑雄以北)有较浅的莫氏面；② S-P走时差自雅江（ITS）向北突然增加，同时反演结果显示雅江以北至当雄为低速地壳，说明该区地壳深部存在局部熔融；③ 喀拉昆仑嘉黎断裂(KJFZ)可能是班公——怒江缝合线的南支，推测为羌塘地块的南界；④ 反演结果显示雅江以南上地幔存在高速体，可能是俯冲的印度岩石圈物质．剖面中部上地幔的低速体可能是物质热状态变化的反映．      

水平层状介质中的快速两点间射线追踪方法

提出了一种快速准确的水平层状介质中两点间的射线追踪方法. 该方法对任意复杂的水平层状速度结构、 任意大小的入射角都能稳定、 快速、 准确地收敛. 将本方法分别与伪弯曲法和Kim方法进行了比较. 结果表明： 本方法比伪弯曲法的计算效率和计算精度更高, 但是只适用于一维速度结构; 在入射角不大的情况下, Kim方法与本方法效果相当. 在大入射角的情况下, Kim方法失效, 但本方法能快速稳定地收敛到真解. 本文提出的射线追踪方法为很多实际地震问题提供了强有力的工具, 但适用范围仅限于水平层状介质.     

多尺度逐次逼近遗传算法反演大地电磁资料

遗传算法是一种随机全局搜索算法,与常规的基于局部线性化的最优化方法相比对初始模型的依赖性大为减弱,但是存在着有效基因丢失和早熟收敛问题．采用多尺度逐次逼近反演思想而建立的多尺度逐次逼近遗传算法,能有效地解决上述问题．用该算法对大地电磁资料进行反演,理论曲线和实测资料的试算结果表明多尺度逐次逼近遗传算法能够自动反演地电参数．     

多尺度逐次逼近遗传算法反演大地电磁资料

遗传算法是一种随机全局搜索算法,与常规的基于局部线性化的最优化方法相比对初始模型的依赖性大为减弱,但是存在着有效基因丢失和早熟收敛问题．采用多尺度逐次逼近反演思想而建立的多尺度逐次逼近遗传算法,能有效地解决上述问题．用该算法对大地电磁资料进行反演,理论曲线和实测资料的试算结果表明多尺度逐次逼近遗传算法能够自动反演地电参数．     

地面γ能谱测量中连续测量的理论基础和实验结果

在物化探方法中,地面γ能谱测量过去主要用于大比例尺异常检查,采用的是定点测量方式。理论分析表明,如果将其应用于1:5万地质填图,这种测量方式取样代表性差,工效较低,不能满足地质工作的要求。为了解决这一问题,充分发挥地面γ能谱测量的作用,本文提出了步行连续测量方式。 步行连续测量就是将探测器提在手上或背在身上,沿测线以一定速度边走边测的工作方式。     

地面γ能谱测量中连续测量的理论基础和实验结果

在物化探方法中,地面γ能谱测量过去主要用于大比例尺异常检查,采用的是定点测量方式。理论分析表明,如果将其应用于1:5万地质填图,这种测量方式取样代表性差,工效较低,不能满足地质工作的要求。为了解决这一问题,充分发挥地面γ能谱测量的作用,本文提出了步行连续测量方式。 步行连续测量就是将探测器提在手上或背在身上,沿测线以一定速度边走边测的工作方式。     

线性连续变化非弹性介质中地震波射线轨迹与走时研究

地球内部非弹性介质广泛存在,垂向线性连续变化非弹性介质模型具有重要理论与实际意义,本文利用复速度概念推导得到了复速度随深度线性连续变化的非弹性介质中地震波射线轨迹与等时线方程.理论结果表明:在线性连续变化非弹性介质中,射线轨迹呈圆形,等时面的形状为椭圆.最后对射线轨迹与等时线方程的适用性条件进行了讨论.     

波形反演遗传算法及其在地震测深数据解释中的应用

为了更好地利用地震测深波形数据,提出了地震体波波形反演的遗传算法. 正演使用能精确快速计算互层结构响应的广义反、透射系数理论地震图算法;反演采用遗传算法,实现了地震体波波形反演的遗传算法. 数值试验表明,该算法具有分辨壳内低速层、高低速薄互层结构和一定的抗噪能力. 青藏高原东北缘泽库、夏河、临洮3炮地震测深P波波形反演,得到了上地壳底部低速层和中、下地壳,以及上地幔顶部薄互层的细结构图象.      

地震-重力联合反演中的非块状一致性模型

完善地震-重力联合反演的一个重要措施是建立一致性模型.本文按照地震测深的常用办法,采用二维四边形非块状模型,通过网格节点的密度值来刻划连续性或间断性的物性分布.四边形单元内部的密度分布为双线性函数,本文给出了重力异常的严谨解析式.计算中可采用模型分解技术,将四边形化为矩形与直角三角形的组合,简化程序设计.算法的实施有两种途径:独立单元法和整体模型法.在联合反演的数值模拟中,还推出了剪切模量μ模型以及纵波速度V_P,与密度ρ的分布关系.     

地震-重力联合反演中的非块状一致性模型

完善地震-重力联合反演的一个重要措施是建立一致性模型.本文按照地震测深的常用办法,采用二维四边形非块状模型,通过网格节点的密度值来刻划连续性或间断性的物性分布.四边形单元内部的密度分布为双线性函数,本文给出了重力异常的严谨解析式.计算中可采用模型分解技术,将四边形化为矩形与直角三角形的组合,简化程序设计.算法的实施有两种途径:独立单元法和整体模型法.在联合反演的数值模拟中,还推出了剪切模量μ模型以及纵波速度V_P,与密度ρ的分布关系.     

地震静校正全局最优化问题的求解

针对地震静校正存在的非线性和多参数性等问题,本文提出了一种全局优化的剩余静校正方法.在模型更新规则上,把模拟退火方法和均匀优化设计方法结合在一起,使模型的更新更为合理,从而加快了搜寻全局最优解的速度.同时提出了模型的不同分量的温度参数和退火过程的选取方式,把温度参数的选取与地震剖面的能量联系起来,使温度参数的选取具有自适应的特点.该方法克服了常规模拟退火方法所具有的寻优空间不均匀以及退火参数需通过多次试验选取的缺陷.通过实际地震资料的计算证明,本文提出的方法对地震静校正问题合理而有效.