大地电磁资料精细处理和二维反演解释技术研究(一)——阻抗张量分解与构造维性分析

本文对大地电磁观测阻抗实施一种数学变换--"共轭阻抗变换",发现转换后的观测阻抗和区域阻抗之间存在特定的关系,这种特定关系不受电场局部畸变的影响,而且同样不需要关于地下区域结构维性的假设,在区域结构是三维的情况下也是成立的.对转换后的观测阻抗采用已有的Swift旋转方法即可求得区域主轴方位角,然后采用最优化方法求取区域阻抗相位、振幅以及畸变因子.同时根据转换后的观测阻抗重新定义了不受电场局部畸变影响的构造维性参数.采用合成理论数据验证了新算法的正确性,和Swift、Bahr、GB、相位张量、WAL方法进行了对比分析,并将新方法应用于实测资料的解释,发展了一套消除局部畸变和进行构造维性分析的MT精细资料处理技术.进一步的工作是将新算法推广到多点多频,并采用最优化技术分解,发展一种稳定性好、多测点多频点的阻抗张量分解技术.     

一种简单的大地电磁阻抗张量畸变分解方法

提出了一种简单的大地电磁阻抗张量畸变分解方法，引入3d/2d模型，使得全畸变的大地电磁阻抗张量被生意人经，通过对比Swift旋转和Bahr分解后的资料，用联系二的畸变矩阵表示浅层三维电性异常体对区域二维构造的局部畸变影响，通过研究畸变张量矩阵，并对其进行分解，可将局部三维电性不均匀体产生的畸变与区域构造分离开来，从而了解区域构造的维数特征和局部畸变类型及其对区域构造的影响，最后，应用3个测点的实际资料，对这种简单的畸变分解方法进行了检验，结果表明，该方法简单且应用方便，解释效果较好。     

相位张量分析约束下的大地电磁测深阻抗张量分解方法研究

由于浅部、局部不均匀三维异常体的影响,大地电磁测深(Magnetotelluric,MT)观测数据往往需要进行畸变校正.本文针对相位张量不受局部电场畸变影响的特点,研究相位张量分析约束下的大地电磁测深(MT)阻抗张量GB(Groom-Bailey)分解方法.分析由相位张量得到的相关参数,结合初步电性结构维性判断及二维或近似二维电性结构条件下电性主轴方向等信息,设计较合理的GB阻抗张量分解初始模型,提高GB算法的稳定性及可靠性.同时,在传统GB分解求解模型的基础上,将各向异性参数引入目标函数,并采用共轭梯度法进行模型的最优化求解.理论数据计算结果表明,MT阻抗张量GB分解方法的计算结果,依赖于初始模型中电性主轴角、阻抗张量值等参数的选择,相位张量分析约束下的GB分解方法能有效改善算法的稳定性和计算结果的可靠性.此外,研究表明,在合理的初始模型选择下,较之传统的GB分解方法,尽管各向异性参数仍旧无法求出,但带各向异性参数的GB分解方法在计算效率和结果可靠性方面均具有一定的优势.选择实际大地电磁测深点数据进行方法验证,取得了理想的电性分析结果.     

基于遗传算法的大地电磁阻抗张量分解方法研究

本文针对Groom-Bailey分解法在消除地表电性不均匀体对MT数据的畸变效应时存在的问题引入遗传算法,对基于传统线性最优化方法的GB分解算法进行改进,提出基于遗传算法的大地电磁阻抗张量分解方法.通过对理论合成数据以及三维/二维模型正演数据的分解试验,并且对青藏高原北缘阿尔金断裂地区实际MT数据进行分解处理,证明了基于遗传算法的GB分解能够更加有效地校正三维/二维情况下近地表三维电性不均匀体所造成的畸变影响.最后,在已有算法基础上,研究了基于遗传算法的多频率GB分解算法和MT数据静校正算法,并通过实际MT数据的处理证明了这些算法的有效性.     

大地电磁GB张量分解法的改进

在对Groom-Baily的大地电磁(MT)张量分解法(简称GB分解法)修改之后,采用对单个频点进行张量分解的方法,并将参加分解的阻抗张量元素改用视电阻率和相位,使得分解方程数目及求解未知数数目减少,大大改善了方程的病态性能并减少计算时间,从而使张量分解更少地受分解条件的限制而稳定地进行.在此基础上,编写了单频点张量分解程序,并应用于实际资料.     

地震层析成像LSQR算法的并行化

讨论了地震层析成像的LSQR算法(最小二乘QR分解). 在建立偏导数矩阵方程组时，对区内地震在方程中保留震源项，引入正交投影算子进行参数分离，对区外远震采用传统的平滑处理方式，用LSQR法求解联立的方程组. 由于区内地震的正交分解处理和区外远震的平滑处理，使得偏导数矩阵中的非零元素成倍增加，对于大型反演问题，这些非零元素常常达到几十GB到几百GB的数量级，巨量的内存占用成为LSQR算法的瓶颈. 针对这一问题，本文研究了偏导数矩阵中非零元素的分布规律，设计出合理的存储结构，采用分布式存储进行矩阵计算，提出了LSQR算法的并行化方案，并在联想深腾6800超级计算机上实现. 导出了LSQR算法的并行效率估算公式. 对两个地区的实际地震层析成像数据进行了效率测试.     

川西—藏东大地电磁资料的阻抗张量畸变分解

根据Swift和Bahr的分解结果,得到准三维/二维模型的区域构造和各个畸变因子, 应用于川西—藏东MT剖面资料的分析,结果表明：该地区的构造特点为浅部比较简单,深部相对复杂;以雅安为界,东部构造比西部构造简单,而且比较稳定;构造主轴方位基本在近南北向,其偏差很少超过30°;分解参数对几条大的断裂有较好的显示;测线1横穿3个主要构造单元,并被几条大断裂切割,构造最复杂;测线2接近3D/2D模型;测线3具有较强的静位移畸变.     

超定大地边值问题的变分解及相关理论

借助于变分法中求泛函极小化的方法提出求解超定大地边值问题的新方法. 首先依据变分原理引入了超定边值问题的变分解; 其次从理论上证明了变分解的存在唯一性以及最佳逼近性质; 然后讨论了变分解的一般算法, 并在球边界情况下给出了变分解的表达式; 最后利用EGM96重力场模型给出了一个算例, 计算结果表明变分解法能够有效地提高处理重力数据的精度. 总之, 该方法有利于各种类型数据的有效使用, 并且具有严格的数学基础, 能将不同类型的观测数据纳入统一的模型中进行研究.     

基于谱元区域分解法中频域弹性波问题的求解技术

文章提出一种基于谱元法的区域分解算法(DDM-SEM),并将其用于频域弹性波问题的计算.该方法结合了谱元法的高精度以及区域分解法的高并行特性,适合于大尺度弹性波问题的高精度和高效率计算.在DDMSEM算法中,原始的大尺度问题被分解为若干个子区域,每个子区域采用谱元法独立求解,子区域之间的交界面通过频域黎曼传输条件连接.本文提出的区域分解方法在不同的子区域不仅可采用非匹配网格,而且还可以选取不同的插值阶数,实现计算效率最大化.通过对每个子区域的内部自由度和边界自由度进行分离,结合高效和天然并行性的分块LDU直接求解器能快速求解系统矩阵.数值结果验证了该方法的精度和效率,同时也表明DDMSEM算法在计算大规模、多尺度的弹性波模型中展现出数值方法的优越性.同时,本文提出的方法对于频域下多源地震波反问题的计算具有潜在的应用价值.     

考虑电流型畸变的大地电磁三维反演

大地电磁测深(MT)的观测数据易受到由近地表小尺度非均匀体或地形起伏引起的电流型畸变干扰,消除或压制这种干扰对获取可靠的深部电性结构至关重要.当区域结构为二维时,电流型畸变可采用张量分解等方法予以消除或压制.当区域结构为三维时,畸变问题更加复杂和严重,传统张量分解方法往往效果不佳或无效,严重地制约了MT三维反演技术的实用性.对此,本文提出一种考虑电流型畸变的MT三维反演算法,将完整的电流型畸变参数引入到目标函数,并采用非线性共轭梯度法与电阻率参数同时反演,从而达到压制畸变的目的.该算法有两个关键点:一是通过分析实测数据所遭受畸变的分布特征,在目标函数中对其进行有效约束;二是在迭代过程中,通过自适应地调整双正则化因子保障算法的稳定和效率.理论模型测试结果显示,常规三维反演算法不能合理解释数据中的畸变成分,而只能通过引入虚假异常体强制地拟合受畸变数据,从而造成电阻率模型严重失真.与之相比,本文算法能够在反演中自动求解各测点所受到的畸变,获得更接近真实的电阻率模型.     

Effect of galvanic distortions on the series and parallel magnetotelluric impedances and comparison with other responses

The series and parallel impedances of the magnetotelluric tensor are appraised in relation to their relative immunity to galvanic electric distortions. The distorted responses are modeled using the Groom-Bailey decomposition of the tensor in terms of twist, shear, statics and strike direction. These four parameters and the undistorted responses are normally considered as unknowns, and are obtained from field data through the solution of an inverse problem. In the present work we use the decomposition as a forward model to simulate distorted sounding curves. Starting with undistorted 2-d te and tm responses, the tensor is distorted by assuming arbitrary values of twist, shear, static and strike direction. By default, both series and parallel responses are immune to the strike direction because they are invariants under rotation. In addition, series responses are immune to twist and shear and parallel responses only to twist. The dependence of the latter on shear is in the form of a real factor that shifts downwards the amplitude curves. On the other hand, the effect of statics on both series and parallel responses is more complicated than that on the impedance tensor because it cannot be accounted for by a simple shift of the curves. On the whole, there is a positive balance on the part of the series and parallel impedances over the te and tm responses because some of the distortions are filtered out by the invariants. It is shown that invariance is not sufficient to be immune to any of the distortions. The example chosen is Eggers’ eigenvalues, which are immune only to the by-the-fault strike direction. Invariance is not necessary either, as evidenced by the phase tensor, whose elements depend on strike but are immune to all distortions. The derivations are illustrated using soundings from the synthetic coprod2s1 and field-recorded coprod2 and bc87 data sets.     

基于两点磁梯度张量的磁性目标在线定位方法

利用磁梯度张量反演磁性目标参数的方法广泛应用于是磁性目标定位,本文提出了一种通过测量两点磁梯度张量对磁性目标进行在线定位的方法.首先利用磁矩指向相同的原则从张量方程的解中得到目标方向,其次利用参数之间的线性关系解算出目标距离,最后利用两点磁感应强度之差,结合Levenberg-Marquardt优化算法对距离做进一步修正.基于所设计的两点张量测量阵列的仿真实验表明:(1)在相同条件下,本文方法定位成功率为64.24%,而2015年吕俊伟改进的STAR方法为59.85%;(2)仪器测量噪声强度达到某一阈值时,一定区域内定位成功率随噪声强度的增加迅速下降;(3)优化算法迭代次数上限取10次即可;(4)其他条件不变时,随着基线长度的增加,定位成功率先升高后降低.     

表面局部三维大地电磁曲线畸变校正——MT畸变校正阻抗张量分解方法

针对三维／二维地质结构开发了大地电磁阻抗张量分解技术,利用该技术仅需对各个独立测点的大地电磁资料进行分析即可分离和消除由三维局部异常体引起的其附近测点的ＭＴ响应函数的形态扭曲畸变。     

用大地电磁法研究构造走向及维性特征

介绍了大地电磁GB张量分解法及其对它的改进法 ,可确定出更可靠更真实的区域构造走向 .将分解结果结合传统的座标旋转法所确定的视电阻率、相位、走向、偏离度等响应函数及维权参数进行分析 ,可得到更详细的电性结构维性质信息 .对兰州地区的实测资料研究表明 ,区域电性结构主体呈 2 D结构 ,走向方向大致为南北或东西向     

场地钻井台阵观测中斜入射P波和SV波的近似剥离方法

通常认为,成层介质中P波和SV波互相转化、耦合交织而不可以解耦得到单独的P和SV波入射场.针对钻井台阵的两处三分量加速度记录,根据反向方位角将两水平分量分解为径向水平分量和横向水平分量,假设横向水平分量由SH波系组成,竖向分量和径向分水平量由P-SV波系组成.本文提出在频域内解联立方程组的方法,并结合遗传算法-单纯形法混合优化策略,对P-SV耦合场包括SH波系进行了联合剥离反演,最终得到了基岩斜入射P、SV和SH波.最后,通过场地条件差别较大的另一附近钻井台站的联合反演结果,初步验证了其合理性.该项研究对于断层特征和震相特性研究、近地表“软”基岩或土层介质参数研究、场地效应的细致评价具有一定意义.     

区域三维大地电磁阻抗张量畸变效应的Mohr圆分析

根据二维大地电磁阻抗张量分解原理，推导出剪切、扭曲和各向异性因素影响区域性三维响应的关系式。这既适用于任意复杂的三维构造，也包含了二维和一维情况。并用Ｍｏｈｒ圆分析了受畸变因素影响时的三维响应及其在微弱畸变与强烈畸变影响下不同的性质和特征