粒子群算法在多种数据联合反演断层三维滑动速率的应用研究

建立多种大地测量数据联合反演的数学模型。利用青藏高原东北缘地区的GPS、水准、重力三种观测数据,结合附有LDW策略的惯性权重的粒子群算法,反演龙首山断裂的三维滑动速率。结果表明:龙首山断裂主要以右旋、逆冲为主,兼具挤压趋势,且具有空间分布不均匀性的特征。相比单一数据的反演结果,多种数据联合反演更具稳定性和规律性。

面向深部矿产资源勘探的井中重磁三维交叉梯度联合反演

单一井中重磁方法解决问题有限,其三维反演具有严重的多解性。开展面向深部矿产资源勘探的井中重磁三维交叉梯度联合反演,采用交叉梯度函数对密度和磁化率进行耦合,综合井中重磁多参数信息进行联合反演,减少反解的多解性,提高深部矿体识别的准确性。通过理论模型和实际资料进行反演分析。结果表明:井中重磁交叉梯度联合反演具有较高的纵向分辨能力,可以显著提高深部矿体识别的准确性,特别是能有效识别深部隐伏矿体。

基于地震和InSAR联合反演2018年M_(L)5.7兴文地震破裂过程

2018年12月16日发生的M_(L)5.7兴文地震很可能是由页岩气水力压裂所诱发,确定此类震级较大的诱发地震的震源破裂过程具有重要意义。文中利用近震数据和InSAR数据联合反演,获得了兴文地震的破裂过程。与单独使用地震数据或InSAR数据进行反演相比,联合反演得到的地震破裂过程可同时拟合2种类型数据,因此具有更高的时空分辨率。联合反演结果显示该地震为典型的单侧破裂,破裂方向近N向。破裂过程的持续时间为6s,能量释放主要集中在前5s,呈分段式破裂。主震破裂过程分为2个阶段:沿着断裂的走向,紧挨着震中的0~5km范围内为破裂的第1阶段(1~3s);距震中6~8km处为破裂的第2阶段(3~5s)。同震滑移主要集中在5km以浅的区域,峰值滑移约为0.27m,这可以解释为何M_(L)5.7兴文地震造成了较为严重的破坏。结合前震和余震分布可以看出,前震主要集中在滑移区的东部,说明该区域在主震发生之前就已发生破裂,意味着该区域可能存在注入的流体。余震主要分布在滑移区周围,是由主震破裂后的余滑引起的。对比单独反演结果,联合反演克服了台站分布不均匀的影响,提高了破裂分布的分辨率,所得结果更加符合真实物理过程。文中联合反演得到的破裂模型为进一步研究诱发地震机理、地震灾害评估和震后防灾减灾奠定了基础。

海洋可控源电磁法与地震全波形二维联合反演研究

为降低单一地球物理反演方法的局限性以及反演中所存在的多解性等问题,开展了海洋可控源电磁法(MCSEM)与地震全波形的二维联合反演研究。MCSEM采用数据空间OCCAM反演算法,地震全波形采用梯度法反演算法,引入交叉梯度函数实现两种物性参数结果的相互耦合;开发出一套二维联合反演算法,并通过3组理论模型算例验证了算法的准确性。研究结果表明:MCSEM联合反演结果相对于单方法反演结果有显著改善和提升,主要体现在异常体的形态刻画、结构构造以及物性数值的恢复,这说明全波形的反演方法能够提高MCSEM反演结果的可靠性。

基于VTI介质海洋CSEM和MT数据联合反演的黄海海相残留盆地深部结构研究

黄海海相残留盆地因其地层结构和深部地质构造的复杂性,一直是我国海洋地球科学的一项研究重点,虽然针对该研究区已开展了一系列的地球物理调查,但由于高速碳酸盐岩层对地震波存在着一定的屏蔽作用,致使该海域深部地震资料品质受到较大影响.海洋电磁法不受高速屏蔽层影响,有利于获得高速屏蔽层内部及其下方的深部结构信息.海洋可控源电磁法(Controlled source electromagnetic method,CSEM)和海洋大地电磁测深(Magnetotelleric,MT)能够提供海底电性结构的互补信息,较于单一的电磁方法,二者联合可获得更为准确的海底电性分布.本文提出了基于乘积目标函数的层状垂直各向异性(Vertical anisotropic,VTI)介质海洋可控源电磁和大地电磁资料联合反演方法,该方法在迭代过程中根据数据的拟合情况自适应调整CSEM和MT数据的权重和正则化因子的权重,反演参数包括海底介质的横向电阻率、垂向电阻率和地层厚度.以南黄海地质地球物理资料为例,建立浅水环境地电模型,并结合浅水环境的高噪声背景特点进行合成数据模型测试及分析.将本文所提出算法应用于理论模型合成数据和南黄海实测资料反演,结果表明,较于单独的海洋CSEM和MT反演,联合反演方法能够较准确地重构海底地层的电性分布,提高对海底地层各向异性电阻率的分辨能力.

速度—密度双参数重震联合反演方法

速度和密度参数在地震资料处理和储层预测中发挥着重要作用,然而多参数间的相互耦合使密度在全波形反演中难以重构。为获得更准确的密度信息,将重力梯度数据纳入全波形反演过程,优化密度更新算法,并制定了一种重震联合反演策略。首先,通过重力梯度数据反演,获得反映地下介质整体密度信息的初始模型,再进行速度—密度参数同步联合反演目标函数的构建及求解。本文方法避免了先验速度—密度关系的限制,降低了对初始模型的依赖程度,模型试算结果表明,重力梯度数据的加入改善了波形反演密度结果的质量,验证了该方法的有效性和准确性,具有较大的应用潜力。

不同尺度的土壤含水量主被动微波联合反演方法研究

土壤含水量是水文、农业和气象等领域的关键参数,而微波遥感是目前监测土壤含水量最有效的手段之一。本文利用主动微波与被动微波数据,结合其他多源遥感数据,运用随机森林算法分别在主动微波数据分辨率尺度和被动微波数据分辨率尺度下完成主被动微波数据的土壤含水量联合反演。首先对被动微波尺度的地表覆盖类型与归一化植被指数(NDVI)参数进行空间分辨率优化,再利用回归ReliefF方法对两种尺度所用的输入变量的重要性进行评估,并对输入变量进行优选,最后对比主被动微波数据土壤含水量联合反演和单独利用主动/被动微波数据进行反演的精度,分析主被动微波联合反演方法的有效性。结果表明:在主动微波尺度,主被动微波联合反演的精度相比单独利用主动微波数据反演的精度有所提升,相关系数r由0.691升至0.744,RMSE由0.0848 cm^(3)/cm^(3)降至0.0796 cm^(3)/cm^(3);在被动微波尺度,主被动微波联合反演的精度反而比单独利用被动微波数据反演的精度更低,相关系数r由0.944变为0.939,RMSE由0.0435 cm^(3)/cm^(3)变为0.0451 cm^(3)/cm^(3)。因此在主动微波尺度更适合进行主被动微波的联合反演。

基于源体生长思想的全张量重力梯度数据联合反演

基于源体生长思想的三维反演是一种使用系统搜索的反演方法。和正则化反演相比,该方法计算量小,运算速度快。源体生长的判断准则是其核心,影响着结果质量。本文提出了一种全张量重力梯度数据源体生长反演方法,旨在提高纵向的反演效果。首先,在判断准则中引入深度加权函数,优化对不同深度上源体生长的判断;其次,根据单分量梯度数据反演结果,调整不同类型数据的权重,建立联合反演方法;最后,利用矩阵压缩减少内存占用,提高反演计算效率。通过模型数据与文顿盐丘地区实测数据试验,证明了提出的方法能够有效地引导源体生长,对深部目标具有更高的分辨能力,适用于较复杂形态目标的反演,且具有较高的计算效率和抗噪性。

引导模糊C均值聚类算法在联合反演综合解释中的应用

不同地球物理方法的反演结果常常存在差异,根据不同方法的联合反演结果得到最终合理解释是了解地下结构的关键。为此,提出了一种引导式模糊C均值(FCM)聚类算法,即在FCM聚类算法的基础上,结合现有地质认识,引入先验约束信息指导聚类中心的确定,对地球物理联合反演结果进行综合定量解释,旨在降低传统人工解释的主观性和局限性。模型测试表明,与传统FCM聚类技术相比,引导FCM聚类技术效果更好,特别是处理复杂地质结构的反演数据时,能够有效地区分不同地质体。实际数据的应用结果证明了引导FCM聚类技术在多属性地球物理联合反演结果综合解释中的应用潜力较大。该技术不仅提升了地球物理数据解释的科学性,而且为地下资源勘探提供了一个更可靠和精确的工具。

土壤水分多源卫星遥感联合反演研究进展

土壤水分与全球气候变化、碳循环、水循环等过程,以及农业生产、生态保护修复等环节密切相关。土壤水分的探测经历了从地面测量到遥感探测的发展过程,实现了全球及区域尺度的调查监测。由于数据谱段不一、辐射传输机制不同、反演算法多样,需从算法机理、优势、局限等角度进行全面分析,为精度提升、算法改进提供基础。为此,该文从光学遥感、微波遥感、光学微波协同3个方面,系统梳理了光学遥感温度-植被指数空间特征、温度-地表短波净辐射时间特征反演土壤水分,被动、主动微波反演和主、被动微波遥感联合反演,以及基于精度改善和时空尺度转化的光学微波协同反演等技术方法的特点、存在的问题。目前,多源遥感数据联合反演土壤水分主要存在如下问题:①数据存在缺失及时空尺度不匹配问题;②不同数据源对地表穿透性不一致;③联合反演模型依赖于经验参数和大量辅助参数。随着卫星监测网络的完善、数据源对地表探测深度研究的深入,以及联合反演物理机理的明确、辅助参数时空连续数据集的建立,上述问题会得到有效解决。

基于机器学习的海面风速和有效波高联合反演

海面风速和有效波高(significant wave height,SWH)是海洋环境中的关键参数,两者之间关系密切。全球导航卫星系统反射测量(global navigation satellite system reflectometry,GNSS-R)可有效反演海面风速和SWH,然而已有研究局限于单一参数的反演。为此,提出一种基于机器学习算法的海面风速和SWH联合反演方法。首先通过质量控制获取有效的气旋全球导航卫星系统(cyclone global navigation satellite system,CYGNSS)观测数据,进而分别采用随机森林、极端梯度提升、轻量梯度提升机、决策树和自适应增强算法建立联合反演模型,并对比分析其反演性能。经实验表明:极端梯度提升更适用于海面风速和SWH的联合反演,均方根误差分别为0.91 m/s和0.20 m,皮尔逊相关系数分别达到0.90和0.96。相对于传统的单一参数反演,本文方法能够实现对海面风速和SWH高效又准确的反演。

可控源音频大地电磁和微动资料的拟二维联合反演

可控源音频大地电磁(CSAMT)和微动探测在城市强干扰条件下均有较好的应用前景,但单一的地球物理反演具有多解性。为了实现不同地球物理方法优势的互补,同时解决单点反演横向不连续性的问题,本文开展了CSAMT和微动探测数据的拟二维联合反演研究。作者将横向约束矩阵引入联合反演的目标函数中,同时采用有限内存拟牛顿反演算法(LBFGS),实现了两种方法的联合反演。通过理论模型合成数据反演算例,验证了联合反演的可靠性和有效性。结果表明,联合反演相比单一数据反演能有效地提高反演结果的准确度,其电阻率模型和横波速度结构更加趋于一致,同时,横向约束能有效地降低相邻测点物性参数的不连续性。通过加入横向约束的拟二维联合反演以单点反演的效率,获得了更合理的物性参数和地下结构的剖面结果,提高了反演的可靠性。

一种基于机器学习的测井与地震属性联合反演方法

整装油气藏随着多年的开发在不断减少,薄层油气藏逐渐成了精细开发的对象。深度采样间隔可以小到0.1 m的测井技术在纵向上有着较高的分辨率,但井间的地下地质情况由于没有可供测井仪器下入的井孔通道而不易洞明,作为寻找油气资源主要手段且有着较好横向连续性的地震勘探,因分辨不出小于地震波长度1/4的薄层而受到制约,测井与地震联合反演兼具测井的纵向分辨率高和地震的横向连续性好的优点。基于模型驱动的井震联合反演方法要求具有先验的确定性映射算子,而基于数据驱动的井震联合反演方法则不用精确的褶积模型表达式。从地震记录到测井曲线的映射反演,无需建立初始模型,但输入数据中只有地震记录一种信息致使泛化能力不高,将测井属性与地震属性构成的二维矩阵作为卷积神经网络的输入,以提高泛化能力。从测井曲线到地震记录的映射反演,不受褶积模型的限制,却依赖于初始模型且尚存多解性,将测井与地震属性联合反演结果作为初始模型,并在损失函数中添加一项正则化约束条件,以降低多解性。Marmousi-Ⅱ模型测试和Blackfoot地区的应用实例结果表明,所提方法反演速度更加接近实测速度,从预测的速度剖面上能够更好地辨认出薄层。

一种基于Gramian约束与高斯-牛顿法的地震与重力联合反演模型

为了降低单一反演方法的非唯一性问题,本文提出了一种基于Gramian约束的地震与重力数据三维联合反演算法,通过改变Gramian项中的转换算子,实现了联合反演中物性的直接耦合与结构耦合。采用高斯-牛顿法对目标函数最优化,并使用LSQR算法对大型方程组求解,得到模型的更新方向,进而求得模型参数。

基于不等式和Gramian约束的MT和重力正则化联合反演

基于Gramian约束的正则化联合反演是目前地球物理联合反演领域的研究热点。鉴于正则化项和约束项权重系数选择的困难性,有必要在正则化联合反演中引入不等式约束。本文以基于Gramian约束的大地电磁测深法(MT)和重力正则化联合反演为例,对比了惩罚函数法和转换函数法在联合反演中的应用效果,并开展了江西相山某测线的实测资料处理。模型试验表明,惩罚函数法和转换函数法可以有效地将物性参数约束在一定范围之内,惩罚函数法具有更高的灵活性但需要人为设置惩罚函数的权重系数。实测数据的处理表明,基于不等式和Gramian约束的联合反演具有较高的实用性,提高了地球物理解释的精度。

基于岩石物性引导的地球物理联合反演研究

多元地球物理勘探资料的联合处理和综合解释是深部地热资源勘探评价工作必不可缺的环节,联合反演和后反演地质分异技术是目前深部资源勘探领域的2个研究热点。为融合多元地球物理场信息,降低单一地球物理场反演的多解性,本文利用岩石物性先验信息作为引导,以地震解释地层结构信息建立结构模型,采用高斯混合模型约束地层的地球物理参数,将重力、磁法、大地电磁进行正则化联合反演,实现了多物性结构的耦合,最终形成了重、磁、电、震联合反演软件,基于多物性联合反演的结果,利用Arrhenius定律,通过电阻率实现对典型干热岩场地温度场的预测。通过对直立六面体理论模型正演结果进行联合反演计算,联合反演结果相对于单独反演,对异常体的空间形态刻画以及物性数值恢复具有较好的效果,而且能够充分融合地质、岩石物性和地球物理等多元数据,更加符合实际规律。

隐伏型软硬岩接触带温纳三极联合反演成像模拟及应用

为研究温纳三极(AMN&MNB)联合反演成像在岩层接触带划分中的有效性,构建整体、局部表层高阻体的软硬岩层地电模型,分析不同高密度电法装置对反演电阻率的响应特征,探讨温纳三极联合反演成像对覆盖层电阻率及厚度变化下岩层接触带的识别能力,并通过改变接触带倾角研究电阻率断面的响应特征。结果表明:1)地表局部高阻体对反演断面的干扰要强于整体高阻体,但影响深度较浅;2)不同装置的反演断面与预设模型基本吻合,但温纳三极联合反演探测深度较大,且对倾角的刻画更加精细;3)降低覆盖层电阻率或增加覆盖层厚度,温纳三极联合反演对倾角的识别能力随之下降;4)温纳三极联合反演能追踪岩层倾角的变化,但高阻上覆岩层易在接触带部位产生虚假低阻异常。结合泗安水库导流隧洞岩层划分的应用可知,温纳三极联合反演成像较常规电法装置获得的接触带产状及位置与实际揭露吻合度更高。

重磁联合反演在隐伏矿产勘查中的应用

在研究区针对1∶1万磁测圈定的带状高磁异常,通过重力、磁测综合剖面测量对异常源进行多参数综合分析定性,利用重磁联合反演方法对隐伏目标地质体定量计算。减少了地球物理解释的多解性,提高地质解释合理性及反演计算的可靠性。可以有效合理的评价隐伏矿产资源信息,并指导深部地质工程。

利用接收函数、背景噪声频散和Rayleigh波ZH振幅比联合反演青藏高原东北缘及周边地区地壳结构

本文对在青藏高原东北缘及邻近地区架设的571套宽频带流动地震台站记录到的连续波形数据进行处理,通过联合反演P波接收函数、背景噪声频散和Rayleigh波ZH振幅比,获得了研究区高分辨率三维地壳S波速度(VS)结构.研究结果显示,松潘—甘孜块体和西秦岭造山带以及北祁连造山带下方15~40 km的深度范围内存在很显著的S波低速异常体.其中,松潘—甘孜块体和西秦岭造山带下方的低速异常体很可能与部分熔融有关,且造成部分熔融的原因除了剪切加热外,还有可能是软流圈物质上涌和地壳内部的放射生热.而北祁连造山带的低速异常体则可能由地表隆升和地壳增厚所造成.阿拉善块体内部分布有很多不太显著的低速异常体,这可能与阿拉善块体经历了复杂的构造变形有关.在银川—河套地堑下方20~35 km的深度范围内同样观测到了相对不太显著的低速异常体,这更可能与基性岩浆的底侵作用有关.

地基遥感联合反演大气边界层高度与ERA5再分析资料比对分析

利用北京国家综合气象探测试验基地超大城市观测试验建设的地基垂直遥感设备(激光气溶胶雷达、微波辐射计及风廓线雷达),使用2021年5—8月的观测资料,根据不同设备的探测优势以及边界层的日变化规律,利用激光气溶胶雷达、微波辐射计、风廓线雷达观测资料进行联合反演,得到全天候大气边界层高度。并将联合反演所得的边界层高度与探空资料计算及ERA5再分析资料提供的全天候大气边界层高度进行比较,发现:联合反演边界层高度与ERA5数据提供的大气边界层高度有较好的一致性;激光气溶胶雷达适用于白天对流边界层的观测,微波辐射计适用于夜间稳定边界层的观测,使用微波辐射计与风廓线雷达联合反演大气边界层高度可以改善弱降雨时单设备的反演结果;联合反演的大气边界层高度结果与单设备反演大气边界层高度均符合大气边界层的日变化规律;得到的联合反演边界层高度与探空数据计算得到的大气边界层高度差值的标准偏差为62 m,相较于ERA5数据提供的一定范围内大气边界层高度均值,联合反演边界层高度能更精准地反映更小范围内的大气边界层高度。