基于深度学习的2D-3D地下密度异常体反演方法

地下密度异常体反演需要由二维数据反演三维结果,为了高效、高精度地反演地下异常体的位置及密度信息,本文提出2D-3D InvNet深度学习反演方法.方法的编-解码器结构,在编码阶段利用二维卷积网络结构提取地表重力异常及重力梯度异常数据信息,解码阶段利用三维卷积网络结构恢复异常体地下形态,实现了二维和三维网络结构的结合.为了精确地反演异常体密度,提出利用加权均方误差（WtdMSE）作为损失函数,同时为了更好地评估反演结果,引入核密度函数作为评价手段.与均方误差（MSE）相比,利用WtdMSE作为损失函数对异常体密度的反演结果更为准确,异常体所在区域的密度误差减少50%以上.对理论样本的反演结果表明,2D-3D InvNet在准确反演异常体地下位置的同时,也能给出准确的密度信息.应用此方法对西澳大利亚Kauring地区实测数据进行反演,我们成功获得了此区域地下异常体的密度分布.理论与实际应用结果表明,2D-3D InvNet深度学习方法稳定且具有较强的泛化性能,能在无需规定限制条件的情况下快速获得准确的反演结果.

     

地震面波与重力联合成像分析苏拉威西周缘壳幔热-流变学结构

苏拉威西岛位于苏拉威西海、班达海之间, 是研究海陆耦合、俯冲后撤等地球动力学问题的重要地区.本文利用这一地区24台宽频带地震台站记录的地震面波和背景噪声数据中提取出的面波频散数据和来自卫星的重力异常数据, 开展了地震面波与重力联合层析成像反演, 获得了苏拉威西周缘地区深至240 km深度的三维V_S速度模型.基于三维波速模型, 本文利用热-流变学方法, 计算了该区岩石圈底界的热流变学边界层厚度、黏性变化特征, 结果表明: (1) 苏拉威西岛岩石圈流变边界层东南厚、西北薄, 这可能导致新生代苏拉威西岛在陆壳碎块位移与重组过程中, 岛东支的东部北向速率最大, 岛北支西部北向速率次之; (2) 北苏拉威西海沟俯冲后撤板片上覆地壳对应S波波速低值异常区, 可能代表了富含流体的软弱板片, 推测苏拉威西俯冲带是一个慢速俯冲带, 且后撤过程不连续.

     

储层重力密度反演后验约束正则化方法

本文针对蒸汽辅助重力泄油(SAGD)生产中开发监测问题, 发展了综合应用地震及重力数据反演储层密度的联合反演算法.通过测井数据建立纵波阻抗与密度的直接关系, 并推导出这种关系下重力与纵波阻抗数据联合反演的计算方法, 从而计算出蒸汽腔体密度分布规律.文中应用密度反演后验约束正则化方法, 采用Tikhonov正则化模型, 通过波阻抗数据作为约束进行联合反演, 在算法上提高了稳定性, 同时得到较高的反演精度.文中对SAGD生产中的理论模型进行了方法试算, 并分析了算法的误差, 最终应用于SAGD生产的实际数据中, 通过最终反演结果分析, 该方法取得了很好的应用效果.     

中天山科克苏河地区隆升剥蚀历史——来自(U-Th)/He年龄的制约

天山是中亚造山带重要组成部分,其中-新生代构造热演化及隆升剥露史研究是认识中亚造山带构造变形过程与机制的关键.本文应用磷灰石（U-Th） /He技术重建中天山南缘科克苏河地区中-新生代构造热演化及隆升剥蚀过程.磷灰石（U-Th） /He数据综合解释及热演化史模拟表明该地区至少存在晚白垩世、早中新世、晚中新世3期快速隆升剥蚀事件,起始时间分别为～90 Ma、～13 Ma及～5 Ma,且这3期隆升剥蚀事件在整个天山地区具有广泛的可对比性.相对于磷灰石裂变径迹,磷灰石（U-Th）/He年龄记录了中天山南缘地质演化史中更新和更近的热信息,即中天山在晚中新世（～5 Ma）快速隆升剥蚀,其剥蚀速率为～0.47 mm·a-1,剥蚀厚度为～2300 m.总体上,中天山科克苏地区隆升剥蚀起始时间从天山造山带向昭苏盆地（由南向北）逐渐变老,表明了中天山南缘隆升剥蚀存在不均一性,并发生了多期揭顶剥蚀事件.     

部分区域约束下的交叉梯度多重地球物理数据联合反演

交叉梯度联合反演方法通过对多种地球物理模型实现结构耦合,在岩石物性关系不确定的情况下,既能提高反演结果的可靠性,又能减少反演的多解性,还能减少不同方法解释结果之间的矛盾.当不同的模型观测数据覆盖范围不一致时,交叉梯度联合反演通常需要取出重叠区域数据进行联合反演,并且建模时还要扩展一些模型范围.本文首先提出并实现了部分区域约束下的交叉梯度多重地球物理数据联合反演算法;接着进行了算法的模型试算;最后,我们将该反演算法用于本溪-集安深部地质调查重磁电综合地质地球物理解释中.结果表明：该算法不但能在重叠区域内很好地恢复结构相似的模型,而且在非重叠区域与重叠区域的边界处仍然可以得到平滑变化的模型;在本溪-集安10号剖面所获得的结构上相似的电阻率、密度及磁化率模型较好地反映了该区的深部地质结构,对于确定深部地质体的性质提供了有力的证据.     

基于交叉梯度约束的地震初至纵波与瑞雷面波联合反演

本文提出了一种初至纵波（P波）与瑞雷面波的交叉梯度联合反演策略.通过对初至P波进行全波形反演可以获得近地表P波速度结构;通过对仅含瑞雷面波信息的地震数据转换到频率-波数域进行加窗振幅波形反演（Windowed-Amplitude Waveform Inversion,w-AWI）可获得近地表横波（S波）速度结构.在二者反演的目标函数中均加入P波速度和S波速度的交叉梯度作为正则化约束项,使得在反演过程中P波速度和S波速度相互制约,相互约束,从而实现对地震初至P波与瑞雷面波的联合反演.数值模拟结果表明交叉梯度联合反演可以提高S波速度反演分辨率,而P波速度反演结果并没有得到提高.实际资料的反演结果表明,交叉梯度联合反演能够获得更加可信的近地表速度结构.     

基于不等式约束的三维电阻率探测混合反演方法

三维电阻率探测的线性反演和非线性反演中均存在着多解性的固有难题.电阻率线性反演方法的效率较高,但反演结果对初始模型的依赖性较强,易陷入局部极小;而非线性反演方法不依赖初始模型,但搜索效率极低,尚未见到关于三维电阻率非线性反演的文献.针对上述问题,融合线性与非线性反演方法的互补优势,提出了最小二乘法（线性方法）与改进遗传算法（非线性方法）相结合的混合反演方法的概念和思想.首先,提出了将介质电阻率变化范围作为不等式约束引入反演方程的思路,以实现压制多解性、提高可靠性的目标.提出了宽松不等式约束和基于钻孔推断的局部严格不等式约束的获取及定义方法.在此基础上,分别提出了基于不等式约束的最小二乘线性反演方法和遗传算法非线性反演方法.其次,对于遗传算法在变异搜索方向控制、初始群体产生等方面进行了改进,优化了其搜索方向和初始群体多样性.然后,提出了混合反演方法及其实现方案,利用改进遗传算法进行第一阶段反演,发挥其对初始模型的依赖程度低的优势,搜索到最优解附近的空间,输出当前最优个体;利用最小二乘法进行第二阶段反演,将遗传算法得到的当前最优个体作为初始模型,在最优解附近空间执行高效率的局部线性搜索,最终实现地电结构的三维成像.最后,开展了合成数据与实际工程算例验证,与传统最小二乘方法进行了对比,发现混合反演方法在压制多解性、摆脱初始模型依赖和提高反演效果方面有较好效果.

     

古人利用节理面开凿遂昌唐代金矿巷道的发现及论证

在对遂昌金矿唐代古金矿4号古洞的考察中,发现分布在矿中的巷道两侧的围岩都是坚硬的变质岩。通过现场研究,作者有4点发现：（1）发现发育于围岩中的节理面具有密度大、倾角陡和间距小的特点;（2）古巷道轴线的走向与节理面的走向基本一致;（3）古巷道的横截面被古人设计成高宽比很大的洞形;（4）巷道的走向都被设计成某种弧形。据此,可以作出以下判断：在一千多年前的唐代,古人很可能已发现这些发育于围岩中的陡倾角节理面之间的结合力很低,使用铁凿就可撬下来,并据此来开挖古巷道的。这也表明唐代的古人已经掌握了相当多的地质知识,并能够将之成功地应用于工程实践中。     

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.     

平均入射角道集PP波与PS波联合反演

在界面两侧地层的弹性参数弱反差的假设难以成立的情况下,本文提出用平均入射角道集进行PP波与PS波的联合反演.首先,在PP波与PS波AVA(amplitude versus angle,振幅随入射角变化)道集的基础上,分别选择小入射角范围与大入射角范围的AVA道集进行局部加权叠加,以获得由两个角度组成的平均入射角道集,并作为后续反演的输入数据.然后,再通过最小二乘原理建立了PP波与PS波联合反演目标函数,推导了模型修改量的向量公式,建立了平均入射角道集联合反演的流程.模型数据与实际数据的测试结果表明:在信噪比较低、地层弹性参数反差较大、层厚较薄的情况下,该反演方法的精度在很大程度上超过了基于近似反射系数的反演方法,为复杂油气藏勘探提供了新的思路.