基于可控源电磁法阻抗信息的有限内存拟牛顿法三维反演

本文研究了利用阻抗信息进行可控源电磁勘探有限内存拟牛顿法三维反演的技术。首先用理论模型来验证有限内存拟牛顿法反演的准确性和可行性。观测参数为复阻抗Zxy分量,采用交错网格有限差分方法计算模型响应,反演采用有限内存拟牛顿法。数值模拟结果表明:有限内存拟牛顿法反演迭代速度较快,每4min迭代一次,拟合差由146.00下降到1.78,收敛稳定;异常体的位置与理论模型吻合较好,有效地验证了有限内存拟牛顿法可控源三维反演的正确性。为了进一步验证该方法的实用性,将其应用到隐伏钼矿可控源电磁勘探工作中。工区的反演结果显示:在工区北西段深部存在高阻异常,其上为低阻异常。截取过钻孔的3号测线发现,-500～-100m的位置表现为低阻,东侧存在向上涌起的高阻。推测此低阻为矿化蚀变带,延伸较深。该异常与钻探资料揭示的钼矿脉一致,证明了反演结果的准确性。因此,利用可控源观测得到的阻抗信息进行有限内存拟牛顿法三维反演,可以获得可靠的三维电阻率分布。

有限长导线源频率测深有限内存拟牛顿一维反演

本文采用有限内存拟牛顿法实现有限长导线源频率测深阻抗响应数据的一维反演。水平层状介质有限长导线源阻抗频率响应由基于虚界面法获得的地表水平正交电场和磁场计算得到;一维反演优化问题的求解利用有限内存拟牛顿法,结合光滑模型约束,直接对阻抗的频率响应数据进行反演。在反演过程中,正则化参数的调整采用目标函数自适应技术。反演模型剖分为多层,各层厚度自地表按比例增加。反演从均匀半空间开始,终止条件为目标函数相对变化小于10^(-4)。分别对理论模型和实际数据进行了反演模拟。为考察反演的稳定性,还对理论数据添加10%随机噪声后进行了反演。数值计算结果表明:有限内存拟牛顿方法可以用于有限长导线源频率测深阻抗频率响应的反演;该反演方法对初始模型的依赖性弱,从均匀半空间模型出发基本可以恢复到真实模型;反演初期收敛较快,后期收敛速度变慢,反演结束一般需要迭代40次左右。噪声数据反演结果表明,随机噪声对反演结果影响不大,说明有限内存拟牛顿法具有较好的抗干扰能力。本文研究成果给出了可控源电磁数据反演的一种新方法;同时,利用本文的研究成果,可以为二维或三维反演建立合适的初始模型。

应用修正正交有限内存拟牛顿算法的全波形反演

全波形反演(FWI)通过最小化观测数据与计算数据之间的误差,得到高分辨率的地下模型参数。正则化技术常用来克服FWI的不适定性。复杂地质模型可能同时具有平滑特征及锐利边界,单一的正则化方法往往不能得到令人满意的反演结果。为此,针对带有混合正则化的目标泛函不可微性,提出一种修正正交有限内存拟牛顿方法,求解相应的正则化目标泛函。在具有复杂构造的修正Marmousi模型以及BG Compass模型上进行数值模拟试验,且与不带有正则化的全波形反演及邻近有限内存拟牛顿方法进行比较,结果表明所提修正正交有限内存拟牛顿算法在计算效率及定量分析上具有明显的优越性。

基于有限内存拟牛顿法的电阻率法三维主轴各向异性反演研究

基于各向同性假设的电阻率法三维正反演方法成熟并得到广泛应用.由于地下介质普遍存在电阻率各向异性,为提高反演精度,各向异性介质的三维正反演问题有待深入研究.本文将三维正演中总场分为一次场和二次场计算,二次场使用非结构网格有限单元法求解,基于有限内存拟牛顿法,系统研究了电阻率法三维主轴各向异性反演.通过设计低阻异常体与双异常体模型,利用地表、地井、井地与井间多种观测方式的合成数据进行了反演试算.反演结果表明:三维主轴各向异性反演能够可靠恢复异常体的位置与形状.与仅在地表采集数据的反演结果对比,地井、井地与井间多种观测数据的加入,反演结果能更好地恢复异常体的各向异性特征.证明了本文基于有限内存拟牛顿法电阻率三维反演方法的可行性与有效性.

大地电磁交错采样有限差分二维正反演研究

交错采样网格能自动保证电磁场分布遵守能量守恒定律。本文基于交错采样网格,推导了大地电磁二维有限差分正演过程,实现了二维正演程序;通过与一维解析解对比,验证了算法的正确性且具有较高的计算精度。随后利用有限内存拟牛顿最优化算法,实现了交错采样有限差分二维反演;通过理论模型反演,验证了反演算法的稳定性,揭示有限内存拟牛顿反演计算效率明显优于非线性共轭梯度法。最后,通过对宕昌县官鹅沟大地电磁资料反演解释,查明了测区深部构造特征,表明算法具有较强实用性。

时移可控源音频大地电磁法三维反演研究

时移地球物理监测是观测地下物性参数随时间动态变化的有效方法。地球物理反演结果会受到测量误差、测量环境的噪声污染以及地球物理反演多解性等系统性因素的影响。如果对时移地球物理数据进行不同时刻数据的单独反演,可能会导致不同时刻的反演结果可对比性差,从而影响时移地球物理的监测效果。针对可控源音频大地电磁法在监测领域的实际需求,将不同时刻的观测数据放在一起反演,不同时刻的电阻率模型相互约束,实现了时移可控源音频大地电磁法三维反演。设计三种类型模型进行合成数据的单独反演和时移反演对比试算,验证了时移反演算法的有效性。反演结果表明:通过加入相邻时刻模型约束,时移反演可以更好地聚焦异常体的位置,降低噪声以及测量环境变化对反演结果的影响,防止反演伪影掩盖真实的地下变化。研究成果为时移可控源音频大地电磁法的实际应用奠定了良好基础。

基于井中垂直磁场的可控源电磁法深部矿产探测研究

我国浅部可用矿产资源量日益枯竭,如何提高深部矿产探测效果是亟待解决的重要问题。然而对于深部资源的探测,受限于地面地球物理勘探技术的探测精度、深度以及抗干扰能力,传统的电磁法难以在地表准确探测到深部隐伏矿的有用信息。为提高可控源电磁法(CSEM)的分辨率,本文利用矿井作为接收电磁总场响应的测点位置,采集井中垂直磁场数据BZ,获取地下电导体三维空间分布信息。采用有限差分法正演研究不同矿井位置对异常体的正演响应,结果表明矿井越靠近地下异常体边界,响应越大。基于有限内存拟牛顿法(LBFGS)所实现的快速三维反演,进一步证实井中磁场数据可以有效提升对深部空间信息的识别。最后,井中磁场数据与地面磁场数据结合起来实施的联合反演,实现了从浅到深的高精度成像,为实际深部矿产勘探提供了理论支撑。

数据类型对三维地面可控源电磁勘探效果的影响

本文基于考虑人工场源辐射的可控源地面电磁勘探三维数值模拟技术,以目前常用的标量可控源音频大地电磁勘探测量方式为依据,讨论地面可控源三维电磁勘探中,为达到最佳的探测效果,如何选择合适的反演数据类型.地面可控源数据的三维反演采用有限内存拟牛顿方法.反演过程中,三维可控源频率域响应数值计算采用交错网格有限差分法,求解基于二次电场的Helmholtz方程.发射装置采用长度为1000m的有限长直导线源,测量频率为10Hz;测点个数200个,分布在10条剖面上.在异常体分布区分别观测(1)电场Ex分量的振幅和相位,(2)Ex振幅,(3)Ex与Ey分量的振幅和相位,(4)Ex与Hy的振幅和相位.反演的数据类型分别为上述4种数据以及导出的阻抗Zxy振幅和相位.反演模型由30×30×20个网格组成,测区内水平方向大小为50m×50m,垂直方向厚度为50m,最后5层厚度倍增.反演都从均匀半空间开始,迭代120次结束.数值模拟结果发现,(1)单个电场分量Ex,其相位信息对异常体信息提取非常重要,若只反演该电场振幅,深部电阻率分辨率低;(2)观测正交电场的效果比单个电场分量效果好,其浅部异常的边缘效应明显减弱,深部异常形态完整;(3)同时观测正交的电场和磁场,反演效果与只观测电场振幅和相位的相当;(4)从阻抗数据反演得到的异常位置和电阻率分布均有较大的改善,反演模型分辨率最好.因此,在理论上,建议在野外数据采集时,最好测量正交电磁场;次之,同时测量正交的电场;最次的,可以只观测电场Ex的振幅和相位,亦可取得较足够的信息.但如果只能获得电场的振幅信息,反演结果的深部将出现较大的不确定性.

基于VTI各向异性介质的频率域海洋可控源电磁三维约束反演

近年来,海洋可控源电磁法(MCSEM)被引入油气勘探领域以降低勘探风险.在海洋环境中,受沉积因素所造成的电阻率各向异性的影响,地电模型往往会非常复杂.为更好地反映地下电性结构,本文实现了基于VTI各向异性介质的频率域海洋可控源电磁三维反演.其中,正演采用基于Yee氏交错网格的三维有限差分算法,所形成的离散线性系统通过大规模并行矩阵直接求解器(MUMPS)进行求解.反演采用基于不等式约束的有限内存BFGS(L-BFGS)算法.最后,利用VTI各向异性介质合成数据,分别进行了电阻率各向异性覆盖层和电阻率各向异性高阻层的三维反演,结果表明:(1)基于并行直接法的MCSEM非常适用于海洋电磁所特有的多场源问题;(2)针对各向异性覆盖层模型进行三维各向异性约束反演,提高了解的可靠性;(3)针对电阻率各向异性高阻层,Inline和broadside数据覆盖的反演结果对异常体位置有很好的反映.

飞行高度同时反演的固定翼航空瞬变电磁一维反演

航空电磁测量记录中,不仅感生电动势测最数据有观测误差,而且高度计测量数据也有误差,直接进行常规反演往往导致反演结果不可靠,研究飞行高度数据有误差下的反演算法具有实际意义.本文以层状模型的固定翼时间域航空电磁多分量理论响应数据为例,提出了两种针对飞行高度计记录数据有误差时的正则化反演算法,一个是自适应正则化反演方法,另一个是约束优化反演方法,结合光滑化模型约束方式,将飞行高度作为一个待反演参数与电阻率参数一并反演,以获得更可靠的解释结果.第一种算法侧重于已知的地电信息相对较少的一般情况下的反演,只要给定初始飞行高度值和初始均匀半空间模型的电阻率值,即可稳定地同时重构地下介质电阻率和飞行高度.反演中正则因子由自适应的方式获得,并用奇异值分解法解反演方程.而第二种算法则用于先验信息较多的特殊场合,可事先设定反演模型参数及飞行高度参数的上下限范围,并通过有限内存拟牛顿约束优化方法搜索可行域里的最优解.用多层介质模型的理论响应数据加入不同水平噪声后进行反演试算,对使用不同飞行高度初值和不同约束参数时的反演结果作对比分析.结果表明,无论飞行高度值偏高或偏低,两种算法均能稳定有效地重构地下介质电导率分布和飞行高度值,但飞行高度初值不准会降低反演的收敛速度;文章的一个算例显示,在飞行高度初值偏低15 m下,第一种算法在第10次迭代后的解释高度与真值的误差小于0.3 m,第二种算法在参数约束下,第6次迭代以后的各次迭代的飞行高度值在119.4～121 m之间,其平均值与真值的误差不足0.2 m.

全球地磁感应测深数据三维反演

全球地磁感应测深能获得地幔转换带及下地幔上部的导电结构.但目前稀疏的地磁台站分布及部分台站的观测数据稳定性较差,影响了三维反演对地下电性结构的分辨力和反演可靠性.为此,区别于传统的L2-范数反演方法,本文提出并实现了基于L1-范数的地磁测深响应三维反演技术.在反演中,利用L1-范数度量数据预测误差,降低"飞点"数据的影响,将相关系数较小的C-响应估计也纳入反演数据中.三维正演模拟采用球坐标系下的交错网格有限差分法,反演采用有限内存拟牛顿法.文中利用指数概率密度分布函数构造非高斯噪声的合成数据,并采用棋盘模型对反演方法的可靠性进行了验证.之后,我们将本文提出的三维反演方法用于全球129个地磁观测台站的C-响应数据反演,结果表明在地幔转换带深部,中国东北地区为高导电异常,南欧和北非则均为高阻;夏威夷在900km以下为高导;菲律宾海及以东地区在转换带表现为明显的高阻,这些结果与前人研究结果一致.由于采用了更多的台站数据,我们的反演结果还发现一些新的异常:南美洲南端,转换带表现为明显的高导;澳大利亚东南部,地幔转换带深部,也存在一个明显的高导异常,这些异常分布和地震层析成像的低速区一致.因此,L1-范数三维反演能够充分利用全球C-响应数据信息,提高地磁测深对地球深部电性结构的分辨能力,更好的研究全球地幔电性结构.

三维主轴各向异性介质中张量CSAMT正反演研究（英文）

相较于常用的标量CSAMT而言,由于使用多发射源,张量可控源音频大地电磁(CSAMT)可以接收到更加丰富的电场与磁场信息。然而,目前大多数关于张量CSAMT的理论、数值模拟算法以及反演研究都是基于远区的测量和地下介质为电阻率各向同性的假设。本文采用三维交错网格有限差分数值模拟算法,研究电阻率主轴各向异性介质与各向同性介质的响应差异,并在此基础上采用有限内存拟牛顿法(LBFGS)实现了三维张量CSAMT主轴各向异性反演。为加速和稳定LBFGS反演算法,本文采用了模型参数转换策略并修改了LBFGS第一次迭代的初始步长与线搜索停止条件。反演试算结果表明,当地质体存在主轴各向异性特征时,三维主轴各向异性的反演能在一定程度上较好的反演出地下构造,而不考虑各向异性效应,直接使用各向同性的三维张量CSAMT反演程序,会使最终的反演结果出现严重的假异常。

结合仿射变换和多层B样条配准的湍流畸变图像校正

为解决大气湍流引起的图像抖动和图像偏移问题,提出了一种结合仿射变换和多层B样条配准的图像校正方法。由于湍流像素偏移具有非线性和随机性,且序列中常伴有成像系统运动引起目标全局运动,该方法将像素校正分为整体运动校正和局部非刚性配准两部分。采用仿射变换描述目标整体运动;引入多分辨率策略处理像素偏移,利用多层B样条对湍流引起的局部形变进行非刚性配准。基于对称约束的代价函数,通过梯度判定感兴趣区域,进一步细化控制点网格提高B样条配准精度。最后,采用有限内存拟牛顿法优化代价函数,得到像素偏移量,实现畸变图像的像素校正。对真实图像和实际序列图像分别进行了实验,结果表明:该方法能够有效降低湍流造成像素偏移畸变,在噪声和模糊干扰下校正结果依然理想。

CSAMT一维全频视电阻率反演

本文采用全频率视电阻率反演,使用2^(-3)~2^(13)Hz频率,并且不做近区和过渡区校正,直接用卡尼亚视电阻率作为反演参数。正演采用虚界面法计算有限长导线在水平层状介质的电磁场分量,反演采用有限内存拟牛顿法。数值模拟采用三层模型和实测数据进行反演,得到了符合地下电性变化的反演模型结果,证实了CSAMT一维全频视电阻率反演具有可实施性。

可控源电磁法三维反演在甘肃花牛山铅锌矿勘查中的应用

为研究甘肃花牛山铅锌矿田地球物理特征,进而寻找花牛山地区铅锌成矿的有利部位,笔者利用有限内存拟牛顿法三维反演技术对研究区的可控源电磁勘探数据进行了计算反演。结合前人的激电法测量成果,可控源技术较好探明了研究区地下的三维电性结构,成功划分出矿区北西走向的花黑滩—双峰山控矿断裂,同时圈定出了成矿带附近的铅锌成矿远景区。可控源电阻率模型显示,研究区铅锌矿产于震旦系洗肠井群千枚岩与大理岩接触带附近,找矿电性标志为中、低阻过渡带部位。

神经网络在智能火灾预警系统的应用

提出了综合利用多种传感器准确判断火焰状态的算法。在神经网络算法下,根据一氧化碳传感器、烟雾传感器和温度传感器数据,对火焰状态进行分类。使用有限内存的拟牛顿(L-BFGS)优化算法对传统反向传播(BP)算法进行改进,加快了神经网络的收敛过程,有效提高了系统精度。实验验证了算法能够有效降低火灾预警系统的误报率,增强系统安全报警的灵敏度和可靠性,实现了实时有效的火灾预警。

基于激发极化法的隧道超前地质预报三维正反演研究

隧道施工涌突水地质灾害常有发生,激发极化法对低阻体响应敏感,是探测含水体的有效方法之一,为解决隧道施工期含水体探测问题,将激发极化法引入隧道施工期水体探测中。然而,受隧道的空间环境与噪声特点影响,激发极化法探测装置、地电模型等应随隧道环境而改良。本文基于隧道环境建立三维地电模型,选用适宜的装置参数,采用有限差分法进行正演模拟,采用有限内存拟牛顿法进行反演模拟,依据两种物性参数结构耦合关系,引入交叉梯度约束电阻率和极化率的反演,提高反演精度。结合对典型致灾构造进行正演结果,分析视电阻率和视极化率的响应规律,并对理论模型合成数据进行反演,检验算法的可行性和有效性,为实际工程中含水体的超前探测奠定了基础。

可控源三维反演在繁昌地区地质填图中的应用

为研究安徽省繁昌地区岩体分布及地层间的接触关系,确定可能的矿体赋存空间,开展了可控源电磁探测。剖面长度15 km,观测数据为来自两个发射源的电场振幅。采用有限内存拟牛顿法进行三维反演,反演过程中,正演模拟采用考虑场源分布特征的交错网格有限差分技术。观测数据三维反演模型显示,剖面中段、最南端与最北端呈高阻特征;靠近中段的两侧呈低阻特征;整个剖面电阻率呈高-低阻相间的变化特征。结合地质资料,三维反演的电阻率变化反映了研究区地表白垩系、晚泥盆统、早志留统地层以及深部奥陶系地层广泛发育的特征。结果说明多源单剖面的可控源电场振幅|E_x|数据进行三维带源反演的可行性与必要性。

重力和重力梯度数据联合聚焦反演方法

重力数据包含较多的低频信息,重力梯度数据包含较多的高频信息,将重力数据和重力梯度数据进行联合反演得到的结果更加可信.本文基于聚焦反演方法,实现了这一过程.因为联合反演中分量种类增加,所以计算灵敏度矩阵所需要的时间增加,为此,本文提出了一种快速计算灵敏度矩阵的方法.因为联合反演对内存的要求增大,本文选择有限内存BFGS拟牛顿法求解反演问题.本文通过再加权的方法实现深度加权.文中利用单一分量的反演结果来预测异常体的埋深信息,随后将埋深信息结合到深度加权函数中,将其用于多分量组合反演计算.给出了模型试验,发现预测得到的异常体的埋深信息与其实际埋深存在偏差,但是将这一信息应用到反演计算,能够得到与真实模型一致的结果.之后,本文通过模型试验来探究重力和重力梯度联合反演的优势,发现将重力和重力梯度数据联合,能够识别出额外的噪声,反演得到的模型更加合理.但是,对于不同分量组合得到的反演结果是相近的,反演模型的提高很小.最后,将联合反演方法应用到美国路易斯安那州Vinton岩丘的实际数据中,结果显示,将重力和重力梯度数据联合反演,反演模型得到了提高,反演得到的结果与地质资料吻合.

频率选择对三维可控源反演的影响

本文研究了频率选择对三维可控源方法勘探效果的影响.研究的三维模型抽象自泥河铁矿.该铁矿规模为1000 m×1000 m×400 m,埋深900 m.反演采用有限内存拟牛顿法,反演过程计算采用有限差分法.观测数据为与发射源平行的E_x实部和虚部.反演初始模型为两层背景模型时,选取不同频率组合进行反演,迭代120次.数值试验结果表明,不同频率组合反演效果不同,存在最佳的频率组合.在反演初始模型合适时,存在关键频率组合.对于本次模型,关键频率组合为16 Hz+64 Hz,即反演频率个数最少,反演结果与理论模型最接近的频率组合.同时从反演结果可看出,对于相对低阻盖层,可控源的探测深度可以达到1000 m.因此,在野外观测时,如果能获得合适的初始模型,可以先根据该地区的地质特点设计模型,进行数值模拟,选出最佳频率组合,指导三维可控源电磁测深方法野外数据采集,提高工作的效率和准确性.