重力垂直梯度的测定及其应用与潜力

近年来,随着重力垂直梯度测量精度的提高及间接推求方法的改善,它在地球科学的研究中的作用日益扩大,本文叙述了利用高精度重力仪直接测量垂直梯度的方法与注意事项,阐明了垂直梯度在地学研究中的意义与作用,其中包括(1)可以更精确测定大地水准面与正高;(2)可以更好探测地下的物质的分布及界面起伏;(3)可根据垂直梯度及形变资料反演场源及解释引起上述变化的动力机制.关于如何进一步发掘其潜力,这里也提出了建议.     

兰州—天水地区三维重力反演及其地质解释

本文利用重力资料对兰州—天水地区的深部构造进行了研究。在计算中,采用Parker-Oldenbarg三维位场反演方法,反演前对重力资料进行了地形改正和中新生代沉积层校正。根据反演结果,综合分析了有关资料,认为该区为青藏块体过渡带,并且提出了陇中盆地为断块型构造盆地的新认识。     

数据空间磁异常模量三维反演

强剩磁的存在通常导致了总磁化强度方向未知,进而影响了磁异常的反演和解释.磁异常模量是一种受磁化方向影响小的转换量,可以在强剩磁条件下通过反演三维磁化强度大小分布来推测场源分布状态.我们提出了一种数据空间磁异常模量反演算法来减少剩磁的影响.与标准的模型空间L2范数正则化反演方法相比,我们的方法有两个优点:一是无需搜索正则化参数(需要反复求解非线性反演问题),因而可以减少计算时间;二是反演结果更加聚焦,深度分辨率更高,我们对此进行了原因分析.通过模型和实测数据测试证明了该算法的有效性和更好的反演效果.     

卫星测高在海洋测绘中的应用

研究了卫星测高数据在海山探测以及无图海域水深预测方面的应用。介绍了匹配滤波法检测海山的理论与方法，并研究了反演海底地形时的重力导纳理论以及滤波窗口和滤波函数的选择。实践表明，利用卫星测高数据反演海底地形的精度可优于水深的10％。     

进化策略算法在地面沉降量计算参数反演中的应用

多数情况下,评估的研究区缺乏多年积累的地下水位及开采量资料。因此,通常采用土力学模型,根据太沙基固结理论,进行地面沉降量预测。在地面沉降量计算中,土层变形参数值的选取直接影响计算结果的精确性。深层含水层埋深通常大于100m。通过现场勘探,采取土样进行岩土物理力学性质试验获取参数值,成本过于昂贵。通过参考区域土层物理力学性质资料,结合工程经验获取参数值,预测结果的精度得不到保证。针对上述情况,作者提出用非线性优化算法-进化策略算法,根据实测地面沉降量反演土层变形参数值。通过这种方法确定参数值,既节约成本,又保证了计算结果的可靠性。进化策略算法通过模拟生物遗传及进化过程,利用转移概率来帮助指导搜索。搜索结果不依赖于初始点的选择,对于求解全局最优解有很强的鲁棒性。作者将进化策略算法用于某一工程实例土层变形参数的反演,结果表明了该算法的可行性及稳健性,值得在工程实践中推广应用。     

基于自动微分的图空间最优输运全波形反演

全波形反演能够利用地震波场信息进行高分辨率地下介质速度建模,具有精确刻画模型细节特征的潜力.传统的全波形反演以L2范数作为目标函数,逐样本比较观测地震数据和合成地震数据之间差异,利用伴随状态法求解梯度.由于全波形反演是高度非线性的,当初始模型不准确时,反演结果容易陷入局部极小值.本文提出使用具有全局比较能力的图空间最优输运Sinkhorn距离作为目标函数.图空间Sinkhorn距离对信号时移和振幅变化具有较好的凸性,能够解决反演过程中的周期跳变问题.利用理论指导的数据科学算法将全波形反演问题转化为深度学习优化问题,偏微分方程约束用于优化波动方程中表征介质地球物理性质的模型参数.反演过程中采用自动微分计算梯度,并利用Adam优化算法对模型进行更新.模型测试结果表明本文方法能够取得较好的反演结果,并且具有较强的噪声鲁棒性,对于震源子波和初始模型的依赖性较低.

     

美国东南部大陆边缘的天然气水合物利用宽角地震资料进行全波形约束和走时反演

利用BSR已完成美国东南边缘大约50000km2的地区编图，并已证实可能与大量天然气水合物有关。1992年6月，同时获得该地区的单道地震和宽角海底地震资料，主要集中在布莱克洋脊和卡罗来纳海隆，能清楚地观察到来自BSR的宽角反射偏移距（达6km）。为了了解区域性的变化和生成卡罗纳海隆高背景速度的二维平均速度模型，用宽角和垂直入射资料进行走时反演，然后做全波形反演业确定BSR的地震成因。最合适的模型显示了两处的BSR之下具相似的低速（1.4km/s），暗示圈闭了低饱和度（10％）的游离气，反演结果也显示有一薄层高速楱状体，最大速度为2.3km/s，刚好位于布莱克洋脊的BSR上方；计算了沉积物反射率，观察到卡罗来纳海隆具有较高的反射率，BSR之下的反射率增加几乎与两个站位的含气带对应。根据速度模型估算了水合物的浓度。另一方面，占沉积物总体积3%的水合物之平均浓度暗示布莱克洋脊地区水合物稳定带厚度少一半。卡罗来纳海隆水合物平均 浓度最大为20%，卡罗来纳海隆7%。这两处水合物浓度高，无法仅用原地生物活动来解释，可能与次生的聚集机制不关，因稳定域迁移引起水合物循环，可能影响两地的水合物凝聚。另外，流体向上排出的增加，也可以使 布莱克洋脊生存下去。     

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.     

基于粒子群算法与混合罚函数法的有限元优化反演模型及应用

岩土工程优化反分析是一个典型的复杂非线性函数优化问题,采用全局优化算法是解决这个问题的理想途径。针对常规反演方法应用于岩土工程参数反演时搜索效率低的缺点,结合粒子群算法和遗传算法的特点,充分考虑二者的互补性,提出一种效率较高的全局优化算法,以测点的实测值与计算值建立一种新的评价函数,将多目标优化问题转化为单目标优化问题,用混合罚函数法将约束问题变为无约束问题,构建了一种新的目标函数,将有限元程序ABAQUS作为一个模块嵌入到优化算法程序中,编制了有限元优化反演分析程序。并给出了应用实例验证了该法的有效性和实用性,是一种可行的参数反演方法,可应用于实际工程中复杂岩土介质初始应力场反演、渗流场以及位移反分析     

基于热点参考系的板块绝对运动模型

本文在最新一代板块相对运动模型（MORVEL模型）的基础上,通过最小二乘反演观测热点方向数据建立板块绝对运动模型.经过对前人用于约束板块绝对运动模型的所有热点数据与MORVEL模型的一致性作系统的统计学检验,发现存在离群数据.相应地,提出两种系统剔除离群数据的新方法：逐一剔除法和全局搜索法.结合对总残差的卡方检验和对残差频率分布的正态检验,逐步筛选最优模型,最终得到一个基于热点参考系的板块绝对运动新模型（T87模型）.该模型能够合理拟合全球分布的87个热点方向数据,而模型预测的板块绝对运动速率比观测热点火山的迁移速率系统偏小,最大偏差达到4 cm·a^-1.这样的偏差可由观测热点速率的系统误差或地幔返回流造成的热点间运动解释.不论是哪种解释成立,本文结果表明热点方向数据能够独立、有效地定义全球热点参考系.这样定义的热点参考系可方便地应用于板块绝对运动、地幔对流及真极移的研究.