大地电磁、重力、磁法和地震初至波走时的交叉梯度二维联合反演研究

为了准确的探测和描绘地下复杂的地质结构,同时克服地球物理单一方法反演的多解性和单一参数反演模型的不一致性等问题,近年来基于交叉梯度联合反演的综合地球物理解释已经得到了广泛的关注和应用.本文首先研究了两种地球物理方法的交叉梯度联合反演算法,在此基础上,推导并实现了多种地球物理方法（大地电磁,重力,磁法,地震初至波走时）的多交叉梯度约束的二维联合反演算法;其次,我们设计了结构不一致模型和复杂模型,针对多物性联合反演算法的准确性和有效性进行了模拟试算,并对复杂模型的单独反演结果和联合反演结果进行了交叉梯度值和物性交会图的对比;最后,本文将成熟的卫星资料多光谱综合分析技术应用到联合反演中,将多物性参数反演模型结果图通过RGB（红-绿-蓝）模式进行合成,得到融合的RGB合成图.结果表明：通过对结构不一致模型和复杂模型的联合反演结果和单独反演结果的对比分析,可以得出联合反演得到的结果更接近真实模型,并从得到的交叉梯度值进一步证明了联合反演模型相似度高,也从物性交会图中得到联合反演的物性相关性更好的结论,反向证明了算法的正确性.最终从得到的RGB合成图像,我们可以更直观的分析反演结果,更有利于准确划分地下模型结构.

     

无图多维空间搜索

对地球物理中的非线性反演问题进行了讨论，地球物理反演通常涉及有限参数空间的最优问题，一个地球模型由一组参数描述其一个或多个地球物理性质（例如，穿过地球内部的弹性波速度）。地球模型是在一定的限制条件下，寻找模型预测值和观测值之间的最小失配。最优问题通常是非线性或非线性极强的反演问题，经常导致失配空间出现多重极小，在过去的10年里，全局（随机）最优方法得到了广泛应用，有关模拟退火、遗传算法和进化程序法的讨论已出现在有关的地球物理专业文献中。但是，这些方法在对各参数解的约束评价方面没有引起足够的重视，通常很少涉及这类问题。这里给出一类新的方法，该方法在反演的最优化和误差分析方面均具有潜力。新的方法使用的是计算几何的概念。这里描述的搜索方法对10维以上的问题不太适用。     

基于局部相关性约束的三维大地电磁数据和重力数据的联合反演

为解决地球物理反演中多解性的问题,综合多种地球物理信息的联合反演受到了广泛的关注.本文依据不同地球物理响应可能由相同异常体引起,而不同地球物理分布参数之间存在相关性等特点,提出了一种基于局部Pearson相关系数约束的联合反演方法.该方法假设每个局部区域模型参数的分布具有线性相关特性,在拟合不同类型观测数据时,对局部模型参数施加相关性约束,进行联合反演以减少多解性.本文采用交替迭代联合反演流程,改善了同一目标函数下联合反演收敛性和速度问题.基于新的联合反演方法和流程,我们测试了三维大地电磁和重力仿真数据的联合反演.结果表明,本文提出的基于局部相关性约束的联合反演方法,能充分利用大地电磁和重力观测数据信息,有效改善单一地球物理反演收敛性和多解性的问题,反演效果得到明显提升.

     

基于褶积模型的地球物理反演模型增强

地球物理数据在采集和处理过程中,由于存在噪声、模型误差、以及数据离散化误差等系统误差,导致了异常体边界模糊和模型分辨率降低等一些不可避免的不良系统退化效应的产生.本文提出了一种新的地球物理反演模型增强方法,通过消除反演估计模型中的系统误差,压制模型中的不良系统退化效应,增强反演模型的分辨率.文章从理论上分析了数据中存在的系统误差对模型求解的影响,提出了一个新的系统误差褶积退化模型,并根据该模型提出了一种基于混合范数总变分正则化的盲反褶积模型增强算法.最后,文章通过1D线性反演增强试验和2D大地电磁反演增强试验,验证了所提出的地球物理系统退化模型的正确性,以及盲反褶积增强算法的有效性.试验结果表明,方法可以有效地提高反演参数模型的分辨率.     

重磁电震联合反演研究进展与展望

重磁电震等地球物理勘探成果的联合反演是解决复杂地质问题所用的综合地球物理解释方法,是目前可信的定量的综合地球物理解释技术,是联合应用多种地球物理信息,通过反演地质体的岩石物性和几何参数来求得同一个地下地质和地球物理模型的技术.本文综述了从上世纪80年代以来,地球物理场联合反演技术取得的长足发展,主要表现在两个方面:一是在地球物理场综合应用基础上,发展了两两地球物理参数之间互为约束的反演的技术,二是是反映了联合反演计算方法的进步,如线性与非线性反演比较、反演方法选择等.综述了联合反演的思路与对策,提出了联合反演的发展方向.     

一种新的地球物理反演方法——模拟原子跃迁反演法

详细研究了一般地球物理反问题的迭代优化求解过程与物理学中原子跃迁过程的对应关系,建立了反演问题中模型空间、初始模型、局部极值模型、最优化模型等与原子的态空间、定态、激发态、基态等的对应关系. 在此基础上,模拟了物理学中原子从激发态向基态跃迁的物理过程,建立了一种与原子跃迁过程相对应的非线性随机跃迁数学模型和模型解跃迁搜索准则,导出了适用于一般地球物理资料的模拟原子跃迁的非线性反演算法. 用理论测试函数对这种新的反演方法进行了数值试验,结果表明该方法具有解不依赖于初始模型、收敛速度快等优点.     

三维多层介质重力-地震同步联合反演

联合反演是地球物理勘探的重要解释手段,能够提高模型参数的反演精度.本文在归纳和分析重力与地震资料联合反演的研究和应用现状的基础上,利用三维多层介质模型的地震走时和重力正演公式,推导了地震走时和重力异常对界面深度的雅可比矩阵,实现了三维重力-地震同步联合反演界面成像.最后进行了数值理论模型模拟和实例计算,结果表明地震走时和重力同步联合反演很好的重建了三维多层介质界面.     

波动方程参数反演方法研究进展

根据波场信息重建波动方程系数项是地球物理反演中一个重要研究方向.波动方程参数反演方法按照求解方式的不同,可以分为直接反演方法、迭代反演方法、搜索类反演方法、混合优化反演方法和联合反演方法.目前发展的参数反演方法多数都处于理论计算阶段.研究能求解实际地震资料的参数反演方法具有重要意义.为取得可靠的反演结果,信息的转化开发...     

地球物理联合反演研究的现状与趋势分析

本文从回顾和分析地球物理联合反演的必要性、分类方式,以及基本原理入手,通过分析和总结前人的研究思路,讨论了联合反演研究和应用中的关键性问题,归纳出联合反演研究的三个基本环节,即模型参数化、目标函数构造和反演算法选择,并对其加以讨论, 同时指出非线性联合反演方法和模型参数化研究将成为未来联合反演研究的主流和热点.     

基于非结构双网格的2D RMT双参数同步反演研究

Radio-magnetotelluric（RMT）是以无线电发射机为信号源的一种地球物理勘探方法,近年来被广泛应用于数米至数十米内的近地表工程和环境地球物理勘探.目前,各类电磁资料的反演均是以寻求满足目标拟合差的地下介质电阻率分布为目的.然而,对于勘探频率为10~300 kHz的RMT数据,由介电常数所引起的波动场在总场中的比例可达20%以上,在这种情况下,忽略介电常数,仅通过电阻率参数的反演来进行数据拟合势必降低反演资料解释的准确性.为解决这一问题,本文研究了基于电阻率-介电常数的双参数同步反演算法.构建了一个全新的双参数目标函数,并推导了双参数反演迭代方程组;通过灵敏度分析,研究了电阻率和介电常数对正演响应的影响,并据此提出相对电导率的概念,统一了反演参数的灵敏度;通过理论模型分析了参考频率、双参数正则化因子对反演结果的影响,并给出了一般性的参数优选方案.此外,为了能够灵活处理复杂地形,本文采用非结构的正反演双网格进行模型离散,并通过局部加密技术保证反演的速度和精度.最后,对一带地形的理论模型分别进行了单参数和双参数反演,结果表明单参数反演无法正确反映出地电信息,而双参数反演能够准确得到异常的分布,验证了本文所开发的双参数反演程序的有效性.

     

基于粒子滤波的自然电场数据反演

自然电场法在工程和环境地球物理领域应用广泛,提高其观测数据反演解释的可靠性具有重要意义.自然电场数据的反演通常采用常规的线性或非线性方法来实现,这些方法都是基于最小拟合差获得反演模型参数值.由于地球物理反演固有的多解性,在数据噪声较大时,反演结果可能存在较大误差.粒子滤波算法能够得到一组粒子来近似系统参数某时刻的后验概率分布,通过求取粒子均值的方式便能得到系统参数的最小方差估计,使得在有较大噪声的情况下模型参数估计值都能比较接近于真实值,能够较好地提高反演的可靠性.因此在分析粒子滤波原理的基础上,通过测试重采样策略,提出了自然电场粒子滤波反演算法.对不同地电模型生成的模拟数据反演测试结果显示,在较大噪声条件下,该方法依然能够得到良好的反演结果,且反演用时相对于常规反演算法更短.这表明粒子滤波反演算法具有较好的抗噪声能力,比较适合自然电场等易受噪声干扰的地球物理数据反演.     

基于统计特征参数的叠前地震随机反演方法研究（英文）

常规的地震随机反演方法一般用变差函数表征地下地层的空间结构信息,但是变差函数很难有效表征实际复杂地层的非均质特性。本文利用多参数的思想充分发掘已知地震和测井资料中蕴含的地下地层信息,利用多个统计特征参数更全面地描述地下复杂储层的空间结构特征,并与地震随机反演相结合,提出了基于统计特征参数先验信息的叠前地震随机反演方法。该方法基于随机介质理论从已知的地震和测井资料中求取多个统计特征参数,选取符合实际地质特征的椭圆自相关函数,构建满足地层空间结构特征的先验信息模型,并将多参数约束融入似然函数中构建目标函数,用非常快速量子退火算法进行优化更新,实现目标函数的求解得到最终的反演结果。由模型试算可知,相比于传统的先验模型构建方法,本文基于多个参数构建的先验模型包含更丰富的地层信息,能更好地实现对地下复杂储层的描述。实际资料分析表明,基于统计特征参数先验信息的随机反演方法能够有效地进行地下复杂储层的地球物理预测,且具有较高的分辨率。     

基于混合差分进化算法的地球物理线性反演

地球物理反问题线性化处理之后, 各种反演算法归结为对病态线性方程组的求解. 为了快速准确地计算出地球物理参数, 本文提出了一种全新的基于LSQR算法的混合差分进化算法(Hybrid Differential Evolution Algorithm, HDE). 该算法利用LSQR算法给出DE算法的初始种群, 提高DE算法的计算速度和稳定性. 在不同噪声水平下, 对四种正则化方法Tikhonov、TSVD、LSQR和HDE的反演结果进行详细比较. 理论模型和实际数据反演的结果都表明: 改进的HDE算法应用于地球物理反问题的求解是成功的: 反演结果与原设定模型具有较高的相关性, 在稳定性和准确性上较常规的反演算法都具有一定的优势; 而且不需要给定正则化参数, 具有更强的实用性.     

求解非线性最优化问题的遗传算法

一、引言地球物理反演是一类典型的非线性最优化问题,其目标是:根据观测得到的地球物理资料推断地下介质模型,即试图寻找一个能最好地解释(说明)观测结果的最佳拟合模型.一般来说,地球物理中的正演模拟计算是模型参数的非线性函数,因而地球物理反演是非线性最优化问题.而常用的目标函数或拟合函数(如归一化互相关函数)具有多个极值(峰或     

基于拉格朗日乘子的三维位场约束反演方法

<正>一般来说,地球物理数据是地下物质某种物性参数在特定空间中的响应,而地球物理反演正好相反,它是通过获得不同的模型参数估计来拟合实际观测数据。由于地下模型参数网格个数通常远远大于观测数据个数,反演方程通常是欠定,反演结果并不唯一。通过在模型目标函数中添加最小模型及最平缓模型的限制,构建L2范数条件下的反演方法,解决了反演问题中解的非唯一性问题。     

注重技术创新,引领技术发展,为油气勘探开发提供强力技术支持——2014 CPS/SEG国际地球物理会议概述

2014CPS/SEG国际地球物理会议在北京成功召开,会议发表了关于地震资料采集、处理、解释和其它应用的300余篇学术论文.本次会议整体上注重技术创新和创新技术的应用,会议成果表明,GPU并行计算基本渗透到地震资料处理的各个环节,对于偏移成像来说,该技术使得逆时偏移和全波形反演的工业化大规模应用成为可能;对地震成像技术而言,各向异性TTI介质的声波方程和弹性波方程的逆时偏移仍是地震技术发展的重要方向,提供高精度速度模型和弹性参数的三维波动方程的全波形反演技术是未来十年,乃至更长时间的攻关研究方向.随着勘探的复杂化,非常规油气的地球物理技术和微地震压裂的检测方法正逐渐成为地球物理工作者重视的研究内容;另外,开发和井中地球物理技术是油藏开发后期的剩余油预测、油藏描述和监测的关键技术.     

地球物理资料群体智能反演(英文)

复杂地球物理资料的反演问题往往是一个求解多参数非线性多极值的最优解问题。而鸟和蚂蚁等群体觅食的过程,正好与寻找地球物理反演最优解的过程相似。基于自然界群体协调寻优的思想,本文提出了交叉学科的群体智能地球物理资料反演方法,并给出了其对应的数学模型。用一个有无限多个局部最优解的已知模型对该类方法进行了试验。然后,将它们应用到了不同的复杂地球物理反演问题中:(1)对噪声敏感的线性问题;(2)非线性和线性同步反演问题;(3)非线性问题。反演结果表明,群体智能反演是可行的。与常规遗传算法和模拟退火法相比,该类方法有收敛速度相对快、收敛精度相对高等优点;与拟牛顿法和列文伯格一马夸特法相比,该类方法有能跳出局部最优解等优点。     

反演向何处去?

为了进行反演,必须有一个所谓的正演模型及其响应.所谓的模型响应指的是假设一个地质结构,并计算出其地球物理特征,如重力特征、磁场特征或地震波特征. 还需要一个最优化算法.换句话说,我们必须有一种数学技术,它能调整正演模型的参数,以使得模型的响应能在某种程度上与所记录的信号相一致.     

电磁与地震联合反演研究现状与未来发展

不同的地球物理方法有各自的应用、优势和局限性,正是因为局限性的存在,单一地球物理方法在地球物理反演中具有一定的不足,例如反演精确度等,因此将多种地球物理方法进行联合反演要比单一方法反演具有一定的优越性.本文介绍了联合反演的分类方法,说明电磁与地震理论的相似性,以及物性上的联系,重点分析近几年国内外电磁和地震联合反演的研究进展、现状及存在的问题.对于不同类型物性参数在联合反演中的耦合问题,指出岩石物理方法适用范围.最后预测电磁和地震联合反演的发展方向,包括优化算法从线性到非线性,进一步到更高级算法;进行更多方法结合的联合反演;在维度上的拓展,一维到二维、三维,甚至四维.另外,加强联合反演岩石物性等先验信息的结合以及结构法反演前景广阔,需要进行更多实际应用验证.     

统计模拟在解地球物理反问题上的应用

本文提出了一个求解地球物理反问题的简易算法。在假定未知的干扰参数矢量的分量与模型场非线性相关的前提下,使用统计模拟进行正演。直接在参数空间研究这种非线性相关,得到了一种特殊的线性逼近算法,进而获得了较为理想的解。解的估值的可靠性可以统计预测,这样能够合理地选取含有用信息最多的测点进行反演。该方法尤其适用于求解许多典型的地球物理勘探反问题。本文列举了一个重力勘探的实例。