Analysis of gravity source moment inversion. Part I: Using noa priori information about the source

A generic gravity source moment is an integral, over the source volume, of the product of the density distribution by a polynomia in the Cartesian coordinates of a point belonging to this volume. We obtained a formal expression for a generic moment in terms of integrals involving the gravity anomaly and the gravity potential. By analyzing the conditions under which this expression is valid, we conclude that, without usinga priori information regarding the sources, it is possible to determine, from the gravity anomaly, any moment or linear combination of moments whose associated polynomial has null Laplacian and depends only on the coordinates defining the measurement plane. Additionally, no moment whose associated polynomial has a nonnull laplacian can be determined without usinga priori information of the source.     

地震动旋转分量用于矩张量反演的数值试验

地震动旋转分量可以提供传统平动分量所欠缺的空间梯度信息,理论上可以提升对震源参数的约束.本文对旋转分量用于矩张量反演进行了较为全面的数值试验.首先分析了均匀无限空间中位错点源产生的旋转波场与平动波场在辐射花样上的互补性,由此推测旋转分量用于矩张量反演能提供额外的约束.随后基于层状介质模型合成的平动和旋转记录,开展了地震矩张量反演测试研究.我们通过对比反演得到的矩张量、矩张量差异角Δφ和地震矩,定量评估在矩张量反演中引入旋转分量的作用,发现在合适的条件下,在原平动记录基础上加入旋转记录来联合反演会显著提升反演结果的可靠性,可减小矩张量差异角Δφ30%以上,极端条件下70%以上;如保持总记录数量不变（即在部分台站添加旋转分量替换其他台站的平动分量）,某些矩张量元素反演效果会变好,但某些元素可能会变差.整体而言,在多数台站分布的情况下加入旋转都能起到强于增加同等数目平动台站的作用.同时,我们还发现在低频情况下,旋转分量对于深度非常敏感,引入旋转分量对于约束矩心深度有非常显著的效果.此外,还尝试了不同的试验条件,发现在低频、震中距较小、信噪比较低、速度结构模型较为准确的情况下,加入旋转分量对结果的提升更明显.整体而言,尽管旋转分量的使用需要满足一定的条件,将旋转用于矩张量反演是可行的,它能为矩张量反演提供与平动分量互补的信息,在稀疏台站和密集平动的台站的情况下加入旋转观测将显著增强对地震的监测能力.

     

On the limits of linear moment tensor inversion of surface wave spectra

Some theoretical and practical limits to linear moment tensor inversion of surface waves are analyzed in detail, in particular when one or few stations are used for rapid determination of source parameters. The theory is briefly outlined and steps of preprocessing, especially corrections for source history and propagation, are discussed in order to guarantee the validity of the moment tensor inversion. The inverse problem is first studied from a theoretical point of view. Then the feasibility of the moment tensor inversion is tested from synthetic computations and the formalism is improved in order to obtain a better system conditioning. Finally, some cases of practical nonuniqueness of the solution are shown and possible restrictions to the applicability of the method are discussed. All steps are illustrated with the example of theM _s =6.9 Erzincan (Turkey) earthquake of March, 13, 1992.     

基于地质统计先验信息的储层物性参数同步反演

本文提出的储层物性参数同步反演是一种高分辨率的非线性反演方法,该方法综合利用岩石物理和地质统计先验信息,在贝叶斯理论框架下,首先通过变差结构分析得到合理的变差函数,进而利用快速傅里叶滑动平均模拟算法（Fast Fourier TransformMoving Average,FFT-MA）和逐渐变形算法（Gradual Deformation Method,GDM）得到基于地质统计学的储层物性参数先验信息,然后根据统计岩石物理模型建立弹性参数与储层物性参数之间的关系,构建似然函数,最终利用Metropolis算法实现后验概率密度的抽样,得到物性参数反演结果。并将此方法处理了中国陆上探区的一块实际资料,本方法的反演结果具有较高的分辨率,与测井数据吻合度较高;由于可以直接反演储层物性参数,避免了误差的累积,大大减少了不确定性的传递,且计算效率较高。     

地震走时与重力数据的联合反演

对目前的地震走时与重力数据联合反演发展进行了简要的概述。首先,从两类数据单独反演的基本原理出发,对两者进行了分析比较,并由两者参数间存在的相互关系,可将两类数据归并、统一到一个系统,合理地进行联合反演。其次,根据目前国内外的相关研究,介绍了当前联合反演的两种算法:依次反演和同时反演。最后,对联合反演中存在的问题进行了讨论。     

垂直重力梯度反演Moho面的频谱域公式及其应用

通过求解引力相等原则下的Fredholm积分方程,可以得到不规则单一密度界面(Moho面)的起伏.本文充分参考了前人的理论研究,推导出扰动垂直重力梯度确定Moho面深度的频谱域表达式,该式具有二次项迭代精度.运用此公式进行了全球Moho面的恢复计算,并将该结果与CRUST1.0模型和GEMMA Moho模型进行了对比和验证.     

一种矩张量反演新方法及其对2008年汶川Ms 8.0地震序列的应用

本文利用全球地震台网（GSN）的宽频带与长周期地震波形资料,采用矩张量反演的新方法,反演得到了2008年5月12日四川省汶川县MS8.0地震及其7个较大余震（MS5.0-6.0）的矩张量解与震源时间函数等震源参数.文章首先简要叙述矩张量反演新方法的理论背景和技术途径,并以汶川大地震的一个余震为例阐述了具体的实现过程;然后给出包括主震在内的8次地震的矩张量解和震源时间函数;最后分析探讨这些结果的构造意义.本文提出的矩张量反演新方法,不但与全球矩心矩张量（GCMT）一样,可以给出点源矩张量解,而且还可以给出点源的震源时间函数. 反演得到的汶川大地震的7个较大余震的震源时间函数表明,即使是中等强度的地震也可能有复杂的震源过程;汶川大地震的多数余震发生在以逆冲为主、兼具小量走滑分量的龙门山断裂带的主断裂上,但很可能有些余震则发生在主断裂附近的次级走滑断裂上.      

岩石裂纹扩展微观机制声发射定量反演

岩石受载内部微裂纹扩展及其震源机制反演有助于认识宏观裂纹扩展过程的非线性断裂力学行为.借助声发射监测手段,本文建立了仅涉及微裂纹张开/闭合和剪切滑移的位移不连续震源模型,通过各位置处传感器耦合质量标定及点源远场P波矩张量反演获得了含预制裂纹砂岩受载过程的震源机制解及时变响应特征,在全局坐标系下分析了微裂纹的三种断裂力学行为.结果表明:在位移不连续模型中,震源矩张量特征值与试样泊松比之间必须满足特定约束条件,该约束条件下的优化问题可采用拉格朗日乘子和Levenberg-Marquardt迭代法求解;受载砂岩裂纹扩展过程中,声发射震源以剪切滑移机制占优,微裂纹空间取向及运动方向与试样宏观主裂纹夹角平均值分别为40.9°和17.7°;对微裂纹体积分解表明岩体微观破裂机制以沿X方向I型张开为主,而沿Y方向的II型断裂滑移方向与试样全局变形方向相一致,由于试样内部晶粒分布非均质性造成了少量沿Z方向的III型平面外微裂纹滑移行为;受载砂岩裂纹扩展过程中微裂纹模式角与震源极性值变化趋势一致、利用震源震级评估的局部应力降值与实验观测结果相吻合,这两者均表明了位移不连续模型在震源机制定量反演中的适用性.     

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.     

基于Lp范数稀疏优化算法的重力三维反演

三维密度反演已经成为重力数据定量解释的常规方法,但由于重力数据本身并没有深度分辨率,为了减少由此引起的重力反演的非唯一性,常用的手段是引入额外的先验信息.本文提出了一种重力三维稀疏反演（以下简称稀疏反演）方法,该方法通过求解物性上下界约束时的L_p范数（0 ≤ p ≤ 1）稀疏优化问题,来获得具有尖锐边界的解.与传统的L₂范数反演方法相比,稀疏反演方法可以更加有效地利用已知的物性信息,获得深度分辨率更高的反演结果.此外,我们也分析了稀疏反演方法与二值、三值反演算法的等价性以及在实际应用中需要注意的问题.最后,通过模型试验以及矿区实测数据反演验证了稀疏反演方法的有效性.

     

基于约束三维重力反演的南极大陆地壳密度结构研究

地壳密度是表征其物质组成以及结构特征的一个基本参数,是深入理解构造演化、地球动力学等问题的重要基础.本文利用最新发布的布格重力异常数据,以现有的三维S波速度模型、地表热流以及岩石学数据作为约束条件,采用引入深度加权函数的三维重力反演算法,获取了南极大陆三维精细密度结构模型.研究结果显示,南极大陆地壳尺度范围内密度异常在-0.25~0.20 g·cm^-3之间.大致以南极横断山脉为界,受中生代与新生代多期拉张活动的影响,西南极上地壳密度异常以低值为主,与东南极克拉通的高密度异常呈现明显对比关系.通过对比发现,反演的密度结构与岩石圈强度信息存在较好的相关性.进一步分析西南极裂谷系统的密度结构与岩石圈强度,认为受新生代拉张活动和岩浆活动影响的局部地区除外,热沉降作用很可能使得地壳趋于冷却.此外,西南极的低密度特征延伸到南极横断山脉,结合现有的研究结果认为可能需要多种机制来解释南极横断山脉的隆升过程.

     

青藏高原地壳三维密度结构的重力反演

在阻尼最小二乘法的基础上,提出了利用重力进行三维密度反演的选权拟合法,并利用密度分布的特点构造了约束权矩阵.为了改善单一重力反演的非唯一性,利用地震面波层析成像资料进行约束,得到了青藏高原不同深度高分辨率三维密度异常分布图.反演结果显示,青藏高原地壳内密度很不均匀,不同块体具有不同的密度异常特征,拉萨和羌塘地体为低的负密度异常区,松潘-甘孜地体东部存在较低的负密度异常区,塔里木盆地存在较高的正密度异常区.从中部到东部,上地壳物质存在差异,而下地壳物质存在一定连续性.     

An alternative method for density variation modeling of the crust based on 3-D gravity inversion

In this paper we are proposing an alternative method for determination of density variations of the crust from constrained inversion of the terrestrial gravity data. The main features of the method can be summarized as follows: (i) Constructing a band-pass filter to remove the long and short wavelength signals from the terrestrial gravity data. (ii) Using an iterative method for stabilization and solution of the inverse problem. The mentioned regularization method is first validated by simulated gravity data and next the methodology is used for development of a new regional density variation model of the crust in three layers based on real gravity data in geographical area of Iran. Application of the band-pass filter to the latter data resulted the residual gravitation variations in the range of − 300 to 50 (mGal) which next based on the iterative method resulted following ranges for residual densities: −120 to 40 (kg/m³) in first layer, −40 to 40 (kg/m³) in second layer, and − 40 to 40 (kg/m³) in third layer.     

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.

     

南北地震带南段地壳厚度重震联合最优化反演

重力反演方法是研究地壳结构和物性界面起伏的有效地球物理手段之一.本文收集了南北地震带南段67个已有的固定台站接收函数反演的Moho面深度结果,并使用基于EGM2008重力异常模型计算的布格重力异常,验证了本文提出的重震联合密度界面反演方法的有效性.利用接收函数对台站下方Moho面深度估计作为先验约束,定义了一类评价函数,通过对重力反演算法中尺度因子,平移因子和稳定性因子的最优选择,最小化重力反演结果与接收函数模型之间的差异.结果表明,本文提出的方法,可以有效地同化不同地球物理方法获得的反演模型,且通过重震联合反演可以改进由于对空间分布不均匀的接收函数结果插值可能而引起的误差.本文还通过引入Crust1.0的Moho面深度为初值,同时考虑地壳密度的横向不均匀分布,通过模型之间的联合反演有效改善了地球物理反演模型间的不一致性问题.本文反演得到的最优化Moho面深度模型与已知67个台站位置接收函数模型之间的标准差约1.9 km,小于Crust1.0与接收函数结果模型之间标准差为3.73 km的统计结果.本文研究结果对于同化重震反演结果、精化地壳密度界面模型,都具有十分重要的参考意义.     

重力及重力梯度联合反演青藏高原及邻区岩石圈三维密度结构

本文利用GOCE L2观测重力梯度的五个独立分量（Txx,Tzz,Txy,Txz,Tyz）,联合EGM2008地球重力场模型计算垂直重力,反演计算了青藏高原及邻区0~120 km深度岩石圈三维密度结构.将经过低阶项改正、地形效应改正、沉积层界面起伏效应改正得到的剩余重力及重力梯度异常值作为观测值,以改正剩余量归一化权重作为观测权重,基于Tikhonov正则化理论建立反演目标函数.反演过程中,利用地震层析S波速度转换密度作为初始约束,通过非等权最小二乘迭代法计算得到最终反演密度.反演结果表明：（1）40 km深度,青藏高原内部为中地壳,表现为低密度,邻区为中下地壳,表现为高密度.青藏高原内部中地壳强低密度层主要分布在高原边界.其成因是印度板块俯冲和周围坚硬块体阻挡作用导致在高原边界形成的高应变积累闭锁区,为壳内低密度软弱物质的形成提供了条件.（2）80 km深度,青藏高原上地幔顶部显示出低密度的特征.高原内部东、中、西密度特征差异明显,低密度以95°E为中心线呈东西对称分布.以班公—怒江缝合带为中心,在拉萨块体和羌塘块体内从北向南出现了"低-高-低"的密度分布起伏特征.该特征与GRACE得到的莫霍面起伏特征一致,结合大地构造结果,这种起伏特征验证了印度、羌塘块体从南北两侧分别向喜马拉雅、拉萨地块挤入的双向俯冲模式.（3）四川盆地和鄂尔多斯盆地内,地壳高密度异常较地震波速异常明显偏低,表明古老的四川盆地和鄂尔多斯盆地比想象中更冷、更坚硬.塔里木盆地和柴达木盆地内壳、幔高密度的结构特征,对应地幔物质上涌.     

基于地质体空间位置优化约束的航空重力梯度数据三维物性反演

重力数据的物性反演面临着严重的多解性问题,降低多解性的有效手段是加入约束条件.而边界识别、深度估计及成像方法可获取地质体的水平位置、深度范围等几何参数信息,本文将基于数据本身挖掘的地质体几何参数信息约束到物性反演中,以降低反演的多解性.通过引入基于深度信息的深度加权函数及基于水平位置的水平梯度加权函数建立优化约束条件,有效地提高了反演结果的横向及纵向分辨率.重力梯度数据包含更多的地质体空间特征信息,将优化约束反演方法应用到全张量数据的反演中,模型试验表明本文方法反演结果与理论模型更加吻合.最后对美国路易斯安那州文顿盐丘实测航空重力梯度数据的应用表明,本文方法在其他地球物理、地质资料不足的情况下获得更可靠的反演结果.

     

布格重力异常建模反演在二连盆地油气勘探中的应用

二连盆地由众多小凹陷组成,伊和凹陷是其中之一.重力资料在盆地"探边摸底"、"定凹选带"等方面发挥着重要作用.本文基于布格重力异常资料,利用2.5D建模反演技术对其中横跨主洼槽的两条测线进行可视化建模及正演拟合.其中,初始模型的几何参数取自二维地震解释结果;物性参数中的纵向密度取自测井声波波速与密度的相关公式.正演拟合为建模反演技术的关键环节,密度横向变化,是在拟合过程中通过人机交互试错调整实现.通过正演拟合,揭示了主洼槽沉积层横向和纵向均存在较大的密度不均匀性,主洼槽有利于油气生成.与地震解释结果对比,二者在赛汉组-第四纪、腾格尔组深度相差不大,但凹陷底部拟合结果与地震解释结果有明显差异.通过钻井结果验证,正演拟合各沉积层深度与钻井揭示的各层深度结果一致,二维地震解释结果偏浅,其可能原因是时深转换选取的速度值偏小造成.     

Shallow structure of the Somma–Vesuvius volcano from 3D inversion of gravity data

A gravity investigation was carried out in the Somma–Vesuvius complex area (Campania, Italy) based on a dataset recently enlarged with new measurements. These cover the volcanic top and fill some other important spatial gaps in previous surveys. Besides the new gravity map of the Vesuvius, we also present the results of a 3D inverse modelling, carried out by using constraints from deep well exploration and seismic reflection surveys. The resulting density model provides a complete reconstruction of the top of the carbonate basement. This is relevant mostly on the western side of the survey area, where no significant information was previously available. Other new information regards the Somma–Vesuvius structure. It consists of an annular volume of rocks around the volcanic vent and that extends down to the carbonate basement. It results to be denser with respect to the surrounding sedimentary cover of the Campanian Plain and to the material located just along the central axis of the volcanic structure. The coherence between these features and other geophysical evidences from previous studies, will be discussed together with the other results of this research.