改进的约束变密度界面反演策略及其应用

计算密度分界面的起伏变化在区域地质构造研究和石油矿产资源勘探中具有重要意义.已有密度界面反演方法更多侧重约束变密度界面反演算法,而对约束信息的准确性、研究区横向密度变化往往考虑不足,影响了最终反演结果的可信度.本文在变密度界面正反演算法基础之上,结合实际需求,提出已知深度信息约束下的变密度界面反演策略.该策略主要包括变密度约束反演算法、已知深度约束信息校验和分区变密度模型三个方面.其中反演算法提供了带已知深度约束信息的密度界面迭代反演方法;约束信息校验用于评估约束信息精度,通过调差降低约束信息的系统误差;在反演过程中引入水平密度分区以应对不同构造背景密度界面模型,提高反演结果的可信度.最后将本策略应用于南海莫霍面深度反演计算中,结果显示借助已知约束信息,利用分区密度模型能够获得更为可信的深度反演结果,验证了该策略的正确性.

     

约束变密度界面反演方法

三维密度界面反演具有严重的多解性,已有方法较少利用已知信息约束反演过程,导致界面反演结果可信度降低.本文在反演过程中,利用已有地质信息作为约束条件,有效提高了三维界面反演结果的准确性.该方法具有如下特点:1)利用指数变密度模型,通过已知密度分布计算模型参数,使其更加接近实际密度分布;2)引入已知深度点约束,提高了反演结果的准确性;3)引入深度加权函数,纠正界面畸变,使其适用于界面起伏较大的情况;4)频率域正演与空间域迭代反演相结合,在提高计算速度的同时保证反演收敛.通过模型检验,证实了方法的有效性,并将该方法应用于中蒙边境地区东段莫霍面深度反演中,效果良好.     

约束变密度界面反演法在渤海深部结构研究中的应用

在分析研究约束变密度界面反演基础理论及其方法应用的基础上,本文以我国渤海深部结构为研究对象,利用变密度反演法,对渤海海域主要坳陷进行沉积厚度的反演及其与断层等的综合解释工作,而后对地壳与地幔之间存在的重要分界面-莫霍面,基于已有的对莫霍面信息有较为系统、整体性反应的研究区重力数据,对其进行变密度反演计算,获得了研究区莫霍面的深度分布情况.通过与已知的地质地球物理资料,主要地震OBS测深等前人研究成果相互对比验证,取得了较为良好的效果.在此基础上,进一步证明约束变密度界面反演法在沉积界面反演、深部构造研究等方面,可以为其他勘探区域的研究提供较为准确可靠的方法参考,从而丰富发展地球物理反演工作.     

基于变密度模型的位场界面反演

在波数域中用重力反演莫霍面深度时通常假定壳幔密度差为一常数,但这只是一种近似的密度模型,本文采用了密度随深度呈指数变化的变密度模型来反演莫霍面深度,给出了利用指数密度模型在波数域中计算重力异常的正演公式及界面深度的反演公式.利用指数密度模型及重力资料反演了青藏高原莫霍面的深度,分析了莫霍面的特征.结果表明,青藏高原莫霍面呈现出边缘浅、中部深的特点,边缘变化快、梯度大,中间变化梯度趋缓.中心地带的羌塘地体莫霍面深度达74 km,向四周慢慢变浅至67 km左右,边缘地区突然变浅至50km左右.通过常密度模型、变密度模型及地震反演得到的莫霍面的比较,证实变密度模型更适合于莫霍面结构的反演.     

变密度界面模型重力异常反演的B样条函数法

重力异常反演是一个求解第一类非线性积分方程的问题。当三维界面起伏满足│Δｈ│〈０．４１４ｈ０和二维界面起伏满足－ｈ０〈Δｈ〈０．４１４ｈ０时，积分方程的被积函数可Δｈ的级级数形式。     

利用重力资料反演三维密度界面的质面系数法

文中给出一深度为h的水平矩形质面在地面产生的重力公式,对比了此公式算出的重力异常与三维长方体公式算出的重力异常,得出:当三维地质体的厚度与其埋深之比小于0.2—0.4时,二者的重力效应几乎相等,它们之间最大偏差在1—3％以内。用给出的重力公式进一步导出了重力反演三维密度界面的质面系数法。用理想模式检验,结果表明,本文给出的方法收敛快,反演误差较小,计算效果较好。最后用一实例,验证了方法的适用性。     

利用重力资料反演三维密度界面的质面系数法

文中给出一深度为h的水平矩形质面在地面产生的重力公式,对比了此公式算出的重力异常与三维长方体公式算出的重力异常,得出:当三维地质体的厚度与其埋深之比小于0.2-0.4时,二者的重力效应几乎相等,它们之间最大偏差在1-3％以内。用给出的重力公式进一步导出了重力反演三维密度界面的质面系数法。用理想模式检验,结果表明,本文给出的方法收敛快,反演误差较小,计算效果较好。最后用一实例,验证了方法的适用性。     

具有已知深度点的二维单一密度界面的反演

密度界面的反演是地球物理勘探的重要课题之一,对研究盆地、区域构造和深部构造有重要意义.本文采用一种密度界面上已知若干控制点深度的迭代反演法,对二维单一密度界面的起伏模型进行计算及讨论,并对大港地区的实测剖面进行反演,取得了较为理想的效果.     

重力密度界面反演方法研究进展

重力位场的界面反演是位场处理解释中的重要问题.本文针对重力密度界面的反演问题,较全面的介绍了一些有代表性的方法,包括空间域反演方法和频率域反演方法.重点阐述了当前占主流的频率域中的Parker-Oldenburg迭代方法,在此基础上讨论了重力密度界面反演目前存在的问题和以后的发展方向.     

基于方位各向异性的裂缝密度反演方法及应用

裂缝预测是页岩气甜点预测的重要内容.页岩气储层高角度裂缝发育,具有明显的HTI介质各向异性特征,基于各向异性参数与裂缝密度的相关性,提出了一种裂缝密度反演的新方法.首先推导了一种能反映裂缝密度的方位AVO近似公式及其方位弹性阻抗方程（EVAAz方程）;然后应用贝叶斯理论,形成了组稀疏方位弹性阻抗反演目标泛函,在此基础上通过阻尼最小二乘算法求解弹性矩阵,稳健得到了剪切模量、法向弱度与切向弱度;最后应用裂缝弱度与裂缝密度的关系,实现了裂缝密度的定量预测.经实际数据试验,预测结果与页岩压裂参数吻合度高,证实该方法是有效的.

     

三维密度界面的正反演研究和应用

重力位场的界面反演是位场处理解释中的重要问题.本文将基于快速傅里叶变换的频率域界面反演方法Parker-Oldenburg公式推广到物性可随深度变化的三维情况,得出了密度可以横向、纵向任意变化的重力界面正反演公式.该方法在计算时可以合理地选取地面下某一深度作为基准面以减小界面起伏,使迭代易于收敛.理论模型试验表明该方法反演精度高,收敛速度快,在密度界面反演中具有广泛的实用价值.最后利用该方法反演华北地区莫霍面的深度,反演结果得到了地震测深数据的验证.     

基于Lp范数正则化的V字型密度界面重力反演

V字型密度界面是一类常见的密度界面,如海沟、半地堑以及俯冲带之下的莫霍面,利用重力数据刻画此类密度界面形态对于区域构造研究、油气勘探以及物理海洋学等都具有重要意义.本文首先建立了L_p-范数形式的模型约束函数,并利用正则化原理将其与重力数据误差函数和已知深度约束函数结合形成V字型密度界面反演的目标函数,推导了目标函数的梯度表达式,并以非线性共轭梯度法为核心给出了反演流程.二维简单模型试算结果表明p=5时该方法能准确地刻画V字型密度界面起伏特征,且亦能准确地应用于二维复杂密度界面和三维界面的反演.最后将反演方法应用于挑战者深渊及邻区的实际资料处理之中,利用研究区海底地形数据和沉积层厚度数据对自由空间重力异常逐层剥离而得到莫霍面引起的重力异常,用本文方法对此重力异常进行反演,结果呈现了板块俯冲作用引起的V字型莫霍面起伏特征.     

垂直重力梯度反演Moho面的频谱域公式及其应用

通过求解引力相等原则下的Fredholm积分方程,可以得到不规则单一密度界面(Moho面)的起伏.本文充分参考了前人的理论研究,推导出扰动垂直重力梯度确定Moho面深度的频谱域表达式,该式具有二次项迭代精度.运用此公式进行了全球Moho面的恢复计算,并将该结果与CRUST1.0模型和GEMMA Moho模型进行了对比和验证.     

基于深度学习U-net网络的重力数据界面反演方法

重力数据的密度界面反演是位场数据解释中的一项主要工作, 在区域构造演化、深部莫霍面确定等领域的研究中发挥重要作用.近年来, 数据驱动的深度学习方法广泛地应用在地球物理数据处理与反演中, 本文提出一种基于深度学习U-net网络的重力数据密度界面反演方法.首先, 对半椭球体界面模型进行随机抽取和组合进而形成地下起伏界面数据集, 并基于Parker正演理论对界面数据集进行重力异常正演计算, 为深度学习网络模型的训练提供特征完备的数据源; 其次, 设计了基于U-net网络模型的深度学习界面反演算法, 在传统的损失函数基础上增加光滑损失项和过拟合抑制项, 提高重力界面反演结果的光滑性和收敛效率; 最后通过测试样本集进行反演预测, 验证建立深度学习网络模型的泛化性.本文通过理论模型和实际数据试验分析了本文方法在密度界面反演中的有效性和实用性, 基于改进损失函数约束的深度学习界面反演方法有效地提高了密度界面反演的收敛效率和计算稳定性.

     

Velocity and density contrasts across the Moho interface of Guangdong province in south China constrained by receiver functions*

The P receiver function includes P-to-SV converted phases and multiple reverberations of the discontinuities in the crust and mantle. The time of these phases is related to the crustal thickness and v_P/v_S ratio, and the amplitude of these phases is mainly controlled by the velocity and density contrast of interfaces. By using H-κ stacking method, this work estimated the crustal thickness and v_P/v_S ratio beneath the stations in the Guangdong province of South China. The velocity and density contrast (δβ-δρ) scanning stacking algorithm of the receiver function is applied to constrain the velocity and density contrast of the Moho in Guangdong province. This work analyzed the results of the crustal thickness, v_P/v_S ratio, and the velocity and density contrasts of Moho. The results indicate that the velocity contrast is higher beneath Yangjiang area in western Guangdong province and Nanao area in eastern Guangdong, which has a strong correlation with the distribution of geothermal springs in local areas and the characteristics of high heat flow. The velocity contrast of Moho has also a good correlation with the v_P/v_S ratio and the crustal thickness, which indicates that there is a strong material composition contrasts of the Moho in the study area. Velocity and density contrasts of Moho in some local area (such as western Guangdong) are somewhat consistent with the seismic activities.     

基于约束三维重力反演的南极大陆地壳密度结构研究

地壳密度是表征其物质组成以及结构特征的一个基本参数,是深入理解构造演化、地球动力学等问题的重要基础.本文利用最新发布的布格重力异常数据,以现有的三维S波速度模型、地表热流以及岩石学数据作为约束条件,采用引入深度加权函数的三维重力反演算法,获取了南极大陆三维精细密度结构模型.研究结果显示,南极大陆地壳尺度范围内密度异常在-0.25~0.20 g·cm^-3之间.大致以南极横断山脉为界,受中生代与新生代多期拉张活动的影响,西南极上地壳密度异常以低值为主,与东南极克拉通的高密度异常呈现明显对比关系.通过对比发现,反演的密度结构与岩石圈强度信息存在较好的相关性.进一步分析西南极裂谷系统的密度结构与岩石圈强度,认为受新生代拉张活动和岩浆活动影响的局部地区除外,热沉降作用很可能使得地壳趋于冷却.此外,西南极的低密度特征延伸到南极横断山脉,结合现有的研究结果认为可能需要多种机制来解释南极横断山脉的隆升过程.