大地电磁和地震面波频散数据联合反演研究

论文摘要

地球物理反演的非唯一性是由于实测数据不充足、数据误差或者正演本身等值性等多种因素导致同一套观测数据可能有多个模型都能拟合得很好的一种现象,是客观存在的问题。联合反演是指在反演时同时采用多种地球物理观测数据,利用不同物性参数对地质构造属性的相互补充,求解出满足多种观测数据的地质地球物理模型。相比单一方法反演,联合反演可综合多种不同物性参数信息,实现不同方法的优势互补,减小反演的多解性,提高综合地球物理解释的可靠性。大地电磁法以天然交变电磁场为场源,具有频段范围宽、探测深度大、不受高阻屏蔽等优点,在深部电性结构探测和浅层矿产、油气资源勘探等方面有广泛的应用。但该方法受到电磁噪声干扰大、体积效应明显、静态位移等方面的影响,在低阻体下方结构、复杂地质区域等环境下探测精度低。面波是体波在界面处干涉耦合形成的,具有频散特征,对低速体（如熔融、半熔融、含水等复杂地质环境）反映灵敏,横向分辨率高,利用面波频散信息在揭示地下介质剪切波速度结构相比S波走时反演具有独到的优势。但面波反演的垂向分辨率随深度增加而降低、横向反演精度受到射线路径方位分布的影响等等缺点,使其在台站分布分布不均匀的区域探测精度低。那么如何充分利用大地电磁响应数据和面波频散数据,在其反演过程中通过电阻率和速度模型进行相互制约、相互耦合,实现两种方法优势互补,减小反演非唯一性,提高反演精度,是论文的研究重点和难点。鉴于此,论文分别针对大地电磁和地震面波频散数据一维、二维、三维联合反演进行了系统的研究,研究过程秉承“理论研究?算法实现?理论模型实验?实测数据的应用”的技术路线,分别从算法的稳定性、收敛性、可靠性、优越性、实用性等方面进行测试,获得如下成果和结论:（1）在大地电磁和地震面波频散数据一维联合反演中,实现了基于模拟二进制交叉变异的多目标遗传算法的联合反演研究。通过理论模型合成数据实验,发现速度模型和电阻率模型在联合反演过程中,在结构相似的地方通过加强结构耦合关系提高反演精度,同时间接影响结构不相似地方的反演效果,没有虚假异常的出现。在龙门山中北段四个不同构造位置的测点的应用中,发现位于青藏高原东缘、龙门山西边的测点下方中上地壳出现两层低速层和一层低阻层,该异常可能与青藏高原物质东流的“中地壳流”有关。龙门山断裂带中段浅部表现为低速低阻层,大概在8km速度和电阻率突然增高并保持稳定的高阻高速的特征,这可能与该区域上地壳表现为逆冲推覆构造和深部表现为稳定的扬子块体特征有关。位于四川盆地测点在浅部因沉积层的影响表现为低速低阻特点,随着深度增加,速度和电阻率不断的增加,表现为稳定地块的特征。在龙门山北段在8m-20km处发现低阻层,可能是受断裂带流体的影响。（2）在大地电磁和地震面波频散数据二维联合反演中,实现地震面波频散数据直接反演二维剖面速度结构的OCCAM算法和采用交叉梯度耦合方法联合反演大地电磁和地震面波二维数据,通过三种理论模型合成数据实验（边界相同物性分布均匀模型、相同物性分布不均匀模型、局部边界相同物性分布均匀模型）,发现大地电磁反演因其体积效应明显致使反演的电阻率模型在异常体边界分辨率低（尤其是低阻下方的结构）,而地震面波对异常体的识别能力强,但在不均匀模型中依然可以发现该方法存在对异常体上边界分辨率低的缺陷。经联合反演后,电阻率模型对异常体和构造体在形态和物性值等方面都有很大的改善,同时地震面波也能很好的克服其在不均匀模型反演中出现的问题,充分利用两种方法的优势,提高反演精度。苏鲁实测数据的应用中,联合反演结果在对异常的范围和物性的分辨率有一定的改善,其反演的速度和电阻率与地表出露的岩性和构造较为吻合,验证了算法的实用价值。（3）在大地电磁和地震面波频散数据三维联合反演中,实现了地震面波频散数据直接反演三维速度结构的L-BFGS算法和采用交叉梯度约束的大地电磁和地震面波频散数据的联合反演算法。通过两个理论模型合成数据实验（边界相同和局部边界相同模型）,发现地震单方法反演和联合反演效果差不多,在速度结构在细节上有一定的改善。大电磁单方法反演出现的问题与二维的相似,经联合反演后,在结构相似的地方,电阻率异常体和构造体的物性和形态都有很大改善,在结构不相似处速度模型没有出现虚假异常。苏鲁造山带三维实测数据的应用中,联合反演结果结果在鲁西地块及其南部区域、高压变质带、烟台-五莲断裂与郯庐断裂交汇区域的电阻率和速度的物性值和物性分布范围都有一定的改善,验证了算法的实用价值。

论文目录

摘要

abstract

1 引言

1.1 研究目的和意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 大地电磁反演研究进展

1.2.2 地震面波反演研究进展

1.2.3 大地电磁和地震联合反演研究进展

1.3 论文研究内容

1.4 论文的创新点

2 大地电磁正演理论

2.1 电磁场基本方程

2.2 大地电磁一维正演

2.2.1 大地电磁一维正演理论

2.2.2 一维电阻率模型正演算例

2.3 大地电磁二维正演

2.3.1 大地电磁二维正演理论

2.3.2 二维电阻率模型正演算例

2.4 大地电磁三维正演

2.4.1 大地电磁三维正演理论

2.4.2 三维电阻率模型正演算例

2.5 本章小结

3 地震面波频散数据正演理论

3.1 面波一维频散曲线正演

3.1.1 面波一维频散曲线正演理论

3.1.2 一维速度模型正演算例

3.2 地震面波二维频散走时正演

3.2.1 地震面波二维频散走时正演理论

3.2.2 二维速度模型正演算例

3.3 地震面波三维频散走时正演

3.3.1 地震面波三维频散走时正演理论

3.3.2 三维速度模型正演算例

3.4 本章小结

4 大地电磁和地震面波频散数据一维联合反演

4.1 基于模拟二进制交叉变异的遗传算法

4.2 多目标遗传算法联合反演

4.3 理论模型合成数据单独反演和联合反演

4.3.1 物性边界相同三层介质模型反演结果与分析

4.3.2 局部物性边界相同五层介质模型反演结果与分析

4.4 龙门山中北段实际数据应用

4.5 本章小结

5 大地电磁和地震面波频散数据二维联合反演

5.1 OCCAM反演算法

5.1.1 OCCAM反演理论

5.1.2 地震面波频散走时反演灵敏度矩阵的求解

5.1.3 大地电磁反演灵敏度矩阵的求解

5.1.4 OCCAM反演算法流程图

5.2 二维模型交叉梯度函数及其离散化

5.2.1 二维交叉梯度函数

5.2.2 二维模型交叉梯度函数离散化

5.3 OCCAM反演算法加入交叉梯度约束的策略

5.4 理论模型合成数据单独反演和联合反演

5.4.1 边界相同物性分布均匀模型反演结果与分析

5.4.2 边界相同物性分布不均匀模型反演结果与分析

5.4.3 局部边界相同物性分布均匀模型反演结果与分析

5.5 苏鲁造山带二维实测数据的应用

5.6 本章小结

6 大地电磁和地震面波频散数据三维联合反演

6.1 有限内存拟牛顿法反演

6.1.1 牛顿法

6.1.2 拟牛顿法

6.1.3 有限内存拟牛顿法

6.1.4 模型参数变换和模型协方差矩阵

6.1.5 地震面波反演目标函数梯度求解

6.1.6 大地电磁反演目标函数梯度求解

6.1.7 有限内存拟牛顿反演法流程图

6.2 三维模型交叉梯度函数及其离散化

6.2.1 交叉梯度函数

6.2.2 交叉梯度函数离散化

6.3 L-BFGS反演算法中加入交叉梯度约束的策略

6.4 理论模型合成数据单独反演和联合反演

6.4.1 物性边界相同复杂模型反演结果与分析

6.4.2 局部物性边界相同模型反演结果与分析

6.5 苏鲁造山带三维实测数据的应用

6.6 本章小结

7 结论与建议

7.1 主要结论

7.2 存在问题与改进方向

致谢

参考文献

作者简介及就读期间的研究成果

文章来源

类型: 博士论文

作者: 吴萍萍

导师: 谭捍东

关键词: 大地电磁,地震面波,联合反演,交叉梯度,多目标遗传算法

来源: 中国地质大学(北京)

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 地质学,地球物理学,矿业工程

单位: 中国地质大学(北京)

分类号: P631

DOI: 10.27493/d.cnki.gzdzy.2019.000109

总页数: 162

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