含激电效应的航空瞬变电磁数据横向约束反演

受激电效应影响,航空瞬变电磁响应曲线经常出现异常快速衰减和符号反转现象,使用Cole-Cole模型的等效电阻率代替原模型实电阻率能很好的解释该现象,但由于激电多个参数的引入,使得反演多解性问题更加严重.本文基于Cole-Cole模型实现了航空瞬变电磁一维正演,采用横向约束反演同时计算激电参数及层厚,增加约束条件改善多解...     

地面与半航空瞬变电磁法三维联合反演

半航空瞬变电磁法(SATEM)因其具有工作效率高、探测成本低等优势, 成为了一种发展迅速的新兴地球物理探测技术.基于一维反演的SATEM数据处理方法难以满足复杂地质条件下精细解释的需求.同时, 采用单一的探测方式, 存在探测能力有限、反演多解性强等问题.本文开发了适用于地面瞬变电磁法和SATEM的三维反演及联合反演算法.正演采用基于非结构化四面体网格的矢量有限元法, 可以精确模拟地形和复杂地电结构.反演采用具有较高收敛速度的高斯-牛顿法.通过对理论模型分别进行地面瞬变电磁、半航空瞬变电磁单独反演及其联合反演, 验证了反演算法的有效性.通过对比不同装置的单独反演结果, 以及单独反演与联合反演结果, 分析了不同装置的探测能力, 并展示了联合反演可以有效压制反演多解性、提高反演结果分辨率的优势.

     

多道瞬变电磁法共中心点道集数据联合反演

多道瞬变电磁法是目前地面资源勘查领域的研究热点,开展该方法观测数据的一维反演对完成装备研发及技术推广具有积极的推动作用.针对多道瞬变电磁法特殊的源波形和数据采集方式,本文对多道瞬变电磁数据的响应提取和一维反演进行了研究.首先,采用反卷积方法从伪随机二进制序列全波形响应数据中提取大地脉冲响应.为了避免脉冲响应中空气波的干扰,提出采用反向积分算法,把脉冲响应转换成下降沿阶跃响应,并将其整理成共中点道集.最后,为充分利用各个偏移距下的响应数据对不同深度范围目标体的分辨能力,采用基于OCCAM算法的联合反演方法对共中心点道集数据进行联合反演.结果表明在不同目标体深度以及有噪声干扰的情况下,共中心点道集数据联合反演计算均可获得较好的结果.     

三维瞬变电磁近似反演

根据烟圈理论,将发射源在地球中感应的电流线看成是随时间向下扩散的烟圈,称之为发射源象．将源象在地表的磁场和源附近测得的响应磁场相对比,确定源象深度,由此用三次样条插值法求出源象扩散速度,并与均匀半空间中烟圈向下扩散的速度进行对比,从而近似估算出随深度变化的电阻率．本文主要讨论圆形回线发射源情形,编制出相应的近似反演程序,并对一维层状理论模型和实测资料进行反演试验．     

频率域航空电磁数据的加权横向约束反演

传统的一维反演技术已经被广泛应用于航空电磁数据解释中.然而,利用单点水平层状介质模型模拟地下复杂地电结构有时会遇到困难.突出表现在反演参数的横向不连续性,即使相邻测点的反演结果也会出现突变.本文针对航空电磁直升机吊舱系统可进行密集采样,相邻测点地下电性结构应具有某种程度连续性的特点,研究航空电磁数据横向约束反演理论,并提出参数加权约束方法.首先阐述频率域航空电磁正演和加权横向约束反演理论,着重介绍这种拟二维反演方法的基本原理和实施步骤,以及将该方法成功应用于频率域航空电磁数据反演处理的方法技术.最后,通过对理论和实测数据反演处理,并与传统的一维反演结果进行对比,验证加权横向约束反演方法的有效性.     

瞬变电磁数据L-PSO反演方法

本文针对粒子群优化算法(PSO)搜索步长短的问题,提出将Lévy flight搜索策略引入其中.利用Lévy flight兼具短距离搜索与偶尔长距离游走的特点,在不降低PSO算法收敛效率的情况下赋予其大步长游走能力,提高了PSO算法搜索全局最优的能力,极大增加了PSO算法飞出局部最优的概率.最后本文将L-PSO算法应用于实际资料的反演中,结果表明L-PSO算法适用于瞬变电磁法的一维反演.

     

航空瞬变电磁数据光滑拟二维反演

航空瞬变电磁法适用于浅表地层的大面积探测,由于实测数据量巨大,一维反演作为一种快速高效的方法被广泛应用.在层状地电条件下,横向约束反演能有效的改善传统单点阻尼最小二乘反演结果中界面横向不连续的情况,但其存在反演过程依赖初始模型,且在复杂层状情况下迭代不稳定的问题.本文提出一种基于OCCAM反演并在正则化项中引入横向光滑约束的光滑拟二维反演方法,在保持OCCAM方法对初始模型依赖性小优势的同时,也使得相邻测点电性横向连续.在反演过程中采用令满足迭代误差的测点不再参与后续迭代的策略,以此减少不必要的正演和雅可比计算,提高反演效率.通过对三个不同地电情况的理论模拟数据进行光滑拟二维反演,并与其他传统反演方法对比,验证了该方法能有效的提高反演稳定性,得到与理论模型高度吻合的反演结果.     

大地电磁与地震资料仿真退火约束联合反演

在对仿真退火算法研究的基础上,将非常快速仿真退火的连续模型空间改为可变的离散化形式,理论模型试算表明,使用本文方法可提高工作效率5-10倍. 为适应联合反演的需要, 对非常快速仿真退火的误差"单判断"检验准则改为误差"双判断"检验准则,避免Metrop olis接受准则的判断失误. 在此基础上,实现了一维及二维起伏地形条件下大地电磁与地震资料多参量信息的联合反演. 理论模型的试算及实例说明了约束联合反演的有效性.     

大地电磁与地震资料仿真退火约束联合反演

在对仿真退火算法研究的基础上,将非常快速仿真退火的连续模型空间改为可变的离散化形式,理论模型试算表明,使用本文方法可提高工作效率5-10倍. 为适应联合反演的需要, 对非常快速仿真退火的误差"单判断"检验准则改为误差"双判断"检验准则,避免Metrop olis接受准则的判断失误. 在此基础上,实现了一维及二维起伏地形条件下大地电磁与地震资料多参量信息的联合反演. 理论模型的试算及实例说明了约束联合反演的有效性.     

大地电磁与接收函数结构约束联合反演

本文基于拟牛顿法对大地电磁与接收函数进行联合反演,提出了新的联合约束算子,实现了电阻率模型和速度模型之间的相似度约束.该方法给予两种模型足够的变化自由度,同时又约束两种模型向耦合方向演化.根据联合约束算子在反演迭代中的变化趋势,以及两种模型的空间梯度分布,可以判断电阻率模型和速度模型是否耦合.合成数据和野外实测结果表明,联合反演相对于单独反演可以提高电阻率和速度模型之间耦合程度,同时也能保持较好的数据拟合.联合反演提高了大地电磁的纵向分辨率,一定程度降低了大地电磁的非唯一性.

     

基于自适应遗传算法的MRS-TEM联合反演方法研究

地面磁共振法(MRS)因具有定性、定量分析地下水能力,而备受关注.传统磁共振地层含水量反演多采用均匀半空间模型,忽略电阻率分布信息对结果的影响.针对这一问题,本文基于多层电介质中磁共振响应理论,提出MRS与瞬变电磁(TEM)联合反演方法,通过电阻率分布信息对含水量反演过程的实时修正,提高了解释结果的准确度.反演算法采用自适应遗传算法(AGA)进行,基于繁殖规则,动态调整交叉概率和变异概率,解决了标准遗传算法易未成熟收敛而难以得到全局最优解问题.模型数据表明,含噪10%情况下,联合反演仍能较准确地反映地下含水单元模型结构,对比MRS单独反演优势明显.同时,内蒙古白旗野外观测数据联合反演结果与钻井资料基本一致,充分验证了AGA反演算法的实用性及MRS-TEM联合反演的实际意义.     

井地磁异常模量联合反演

三维反演是磁测数据定量解释的重要方法,在金属矿勘探中扮演着重要的角色.但是在实际矿区的应用中,传统的磁总场异常反演方法依然存在两个问题：一是地面磁异常反演的深度分辨率较低,深部场源体的成像效果差;二是金属矿中可能包含强剩磁,反演结果可能是完全错误的.尽管前人对上述两个问题分别进行了广泛的研究,但尚未尝试同时解决这两个问题.本文在前人研究的基础上,提出了一种井地磁异常模量联合反演方法,该方法需要的控制参数少,无需加入额外的地质信息,且可用于多场源复杂磁异常的反演,具有较强的适用性.本文方法首先将地面和井中磁异常转化为模量数据,然后利用基于核函数或距离的加权函数将井地模量数据结合起来,使得该方法适用于联合反演.我们利用井地多种异常参量进行反演的模型试验表明,在强剩磁存在时,本文方法的效果优于其他方法,在减少剩磁影响的同时,也改善了深部成像效果,具有良好的应用前景.

     

空-地-井重力异常正则化协同密度反演方法

围绕综合利用空-地-井多源重力异常联合反演提升精度的目标,提出正则化协同密度反演方法,从而有效利用多维数据的横向和纵向变化特征提高反演精度,且无需先验信息的约束.此外,还提出利用奇异值谱和深度分辨率工具评价航空数据观测高度和层数对反演分辨率的影响.通过理论模型试验本文方法在空-地、地-井等不同情况下的应用效果,结果表明空-地-井重力异常正则化协同密度反演方法能获得更高分辨率、高精度的反演结果,且证明不同的钻孔位置对反演结果有较大的影响,从而可指导实际的空-地-井联合勘探.最后,利用文顿盐丘实际勘探数据进行空地和空地井重力数据协同反演,反演结果垂向分辨率明显优于地面观测数据反演结果,盐盖的顶面及中心埋深与前人研究和地质资料解释相吻合,验证了方法正确性及实用性,为推进我国空-地-井立体重磁勘探提供了重要的技术手段.

     

Joint inversion of high-frequency surface waves with fundamental and higher modes

Joint inversion of multimode surface waves for estimating the shear (S)-wave velocity has received much attention in recent years. In this paper, we first analyze sensitivity of phase velocities of multimodes of surface waves for a six-layer earth model, and then we invert surface-wave dispersion curves of the theoretical model and a real-world example. Sensitivity analysis shows that fundamental mode data are more sensitive to the S-wave velocities of shallow layers and are concentrated on a very narrow frequency band, while higher mode data are more sensitive to the parameters of relatively deeper layers and are distributed over a wider frequency band. These properties provide a foundation of using a multimode joint inversion to define S-wave velocities. Inversion results of both synthetic data and a real-world example demonstrate that joint inversion with the damped least-square method and the singular-value decomposition technique to invert high-frequency surface waves with fundamental and higher mode data simultaneously can effectively reduce the ambiguity and improve the accuracy of S-wave velocities.     

Piecewise 1D laterally constrained inversion of resistivity data

In a sedimentary environment, layered models are often capable of representing the actual geology more accurately than smooth minimum structure models. Furthermore, interval thicknesses and resistivities are often the parameters to which non‐geophysicist experts can relate and base decisions on when using them in waste site remediation, groundwater modelling and physical planning. We present a laterally constrained inversion scheme for continuous resistivity data based on a layered earth model (1D). All 1D data sets and models are inverted as one system, producing layered sections with lateral smooth transitions. The models are regularized through laterally equal constraints that tie interface depths and resistivities of adjacent layers. Prior information, e.g. originating from electric logs, migrates through the lateral constraints to the adjacent models, making resolution of equivalences possible to some extent. Information from areas with well‐resolved parameters will migrate through the constraints in a similar way to help resolve the poorly constrained parameters. The estimated model is complemented by a full sensitivity analysis of the model parameters, supporting quantitative evaluation of the inversion result. Examples from synthetic 2D models show that the model recognition of a sublayered 2D wedge model is improved using the laterally constrained inversion approach when compared with a section of combined 1D models and when compared with a 2D minimum structure inversion. Case histories with data from two different continuous DC systems support the conclusions drawn from the synthetic example.     

Joint inversion of Rayleigh‐wave dispersion data and vertical electric sounding data: synthetic tests on characteristic sub‐surface models

In the traditional inversion of the Rayleigh dispersion curve, layer thickness, which is the second most sensitive parameter of modelling the Rayleigh dispersion curve, is usually assumed as correct and is used as fixed a priori information. Because the knowledge of the layer thickness is typically not precise, the use of such a priori information may result in the traditional Rayleigh dispersion curve inversions getting trapped in some local minima and may show results that are far from the real solution. In this study, we try to avoid this issue by using a joint inversion of the Rayleigh dispersion curve data with vertical electric sounding data, where we use the common‐layer thickness to couple the two methods. The key idea of the proposed joint inversion scheme is to combine methods in one joint Jacobian matrix and to invert for layer S‐wave velocity, resistivity, and layer thickness as an additional parameter, in contrast with a traditional Rayleigh dispersion curve inversion. The proposed joint inversion approach is tested with noise‐free and Gaussian noise data on six characteristic, synthetic sub‐surface models: a model with a typical dispersion; a low‐velocity, half‐space model; a model with particularly stiff and soft layers, respectively; and a model reproduced from the stiff and soft layers for different layer‐resistivity propagation. In the joint inversion process, the non‐linear damped least squares method is used together with the singular value decomposition approach to find a proper damping value for each iteration. The proposed joint inversion scheme tests many damping values, and it chooses the one that best approximates the observed data in the current iteration. The quality of the joint inversion is checked with the relative distance measure. In addition, a sensitivity analysis is performed for the typical dispersive sub‐surface model to illustrate the benefits of the proposed joint scheme. The results of synthetic models revealed that the combination of the Rayleigh dispersion curve and vertical electric sounding methods in a joint scheme allows to provide reliable sub‐surface models even in complex and challenging situations and without using any a priori information.     

基于宽范围岩石物性约束的大地电磁和地震联合反演

岩石物性约束是地球物理联合反演重要的实现方式.在以往联合反演研究中,这种约束通常以点对点的映射方式出现,要求经验性的岩石物性关联是相对精确的,无形中提高了岩石物性约束应用于联合反演的条件.基于此,本文结合全局寻优的模拟退火算法,提出了宽范围岩石物性约束技术.该技术将岩石物性约束与模拟退火模型扰动、模型接受准则相结合,实现了空间对空间的映射,将电阻率和速度耦合在一起.文章以MT和地震正则化同步联合反演为例,检验了不同的先验信息条件下的宽范围岩石物性约束技术的适用性.模型试验表明:新技术容易实现,容错性高,可降低"不精确"岩石物性关联信息引入带来的风险,提高岩石物性约束应用的灵活性.     

三维井地磁测联合约束反演

井中磁测在铁矿等磁性金属矿床勘查中具有举足轻重的作用.针对磁性金属矿床深部资源勘查中存在的有效信号弱、矿体形态复杂等技术难题,本文利用井中三分量磁测资料和地面磁测资料直接反演地下空间磁化率的分布情况,充分发挥纵、横向分辨率高的优势,通过磁化率的变化来确定矿（化）体的范围.分析了磁化率和磁场H_ax、H_ay、Z_a、ΔT各参量之间的关系,导出了磁化率反演方程;将钻孔编录、磁化率测井等结果作为约束条件构建了目标函数.以组合倾斜板状体模型为例,验证了方法的有效性,并在青海野马泉铁多金属矿区开展应用试验,试验结果与已有地质资料基本一致.该方法有效抑制了因反演数据源单一、缺乏约束条件而造成反演结果的多解性,实现了磁测资料的精细反演解释,为查明地下矿体空间位置、形态及规模,提高找矿效果,提供了一种新的解决方案.