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三维盐丘模型重力异常正演与约束反演研究

三维盐丘模型重力异常正演与约束反演研究

作者：陈召曦中国地质大学（北京）

学位级别：硕士

重力勘探方法主要用于解决区域地质问题、划分构造单元和断裂、研究沉积基底起伏和岩性分布等,为油气勘探提供重力场信息。众所周知,断层封闭、古潜山、盐丘、地层尖灭等地质体有利于储存油气,是石油勘探研究的重点。然而,地震勘探在反... 详细信息

重力勘探方法主要用于解决区域地质问题、划分构造单元和断裂、研究沉积基底起伏和岩性分布等,为油气勘探提供重力场信息。众所周知,断层封闭、古潜山、盐丘、地层尖灭等地质体有利于储存油气,是石油勘探研究的重点。然而,地震勘探在反演这些特殊地质体,特别是其包含有陡峭边界和侵入构造盐体时会有一定的困难,这可能会导致地质体错误的成像以及不准确的地质构造解释。重力勘探可以帮助重建这些地质体的分布。本文通过模拟三维盐丘地质体的重力异常并进行约束反演,为重力方法在油气勘探中的应用研究提供借鉴。首先,在研究规则地质体重力异常正演的基础上,重点研究了塔尔瓦尼提出的重力异常水平面元计算方法,查阅实际资料,设计了合理的盐丘模型,编写水平面元程序实现了盐丘模型的重力异常正演计算。其次,将地下空间剖分为规则分布的矩形或长方体单元,通过分析等效格架,即研究剖分模型的相对关系,编写程序实现了三维剖分模型重力异常正演快速算法,并用剖分模型的组合体验证了程序的正确性。为反演中核矩阵的快速创建打下了基础。再次,反演上构建目标函数Φ( m ) =φd +μφm,目标函数既包含了数据拟合函数φd ,也包含了模型函数φm。详细推导了粗糙度函数,并将粗糙度函数加入到模型函数中去,实现了模型的光滑约束;用一维数据验证了深度加权函数的有效性,并将深度加权函数加入到模型函数中来克服核函数随深度的衰减。采用共轭梯度算法进行目标函数最小化求解。在计算过程中,还应用绝对约束条件,即当反演出来的密度参数值超过先验的信息范围时,强迫它接受约束的极限值。这种强制性的约束方法简单易行,通常能获得好的效果。最后,通过编写程序实现了二维模型和三维模型的重力异常约束反演。分别对直立长方体、倾斜板状体组合体、被切断的倾斜板状体组合模型的模拟数据加入粗糙度函数,深度加权函数,正定约束等约束条件,采用共轭梯度法进行反演求解,并对各种结果进行了分析与对比。最后,对三维盐丘模型进行了反演,得出了初步的认识。

关键词：三维盐丘模型正演快速算法粗糙度深度加权函数共轭梯度法

从高分辨率地震层析成像看青藏高原软流圈的物质运动

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地球科学 2022年第10期47卷 3491-3500页

作者：杨文采刘晓宇陈召曦江金生浙江大学地球科学学院浙江杭州310027 中国地质大学地球物理与信息技术学院北京100083

通过分辨率达到0.5°×0.5°×10 km的青藏高原地壳与上地幔三维成像,为研究青藏高原在新生代的动力学作用提供了新的认识.软流圈的波速扰动数据证实,特提斯大洋板块在拆沉后只俯冲到410 km的间断面之上,并不是所有的大洋板块都会俯冲... 详细信息

通过分辨率达到0.5°×0.5°×10 km的青藏高原地壳与上地幔三维成像,为研究青藏高原在新生代的动力学作用提供了新的认识.软流圈的波速扰动数据证实,特提斯大洋板块在拆沉后只俯冲到410 km的间断面之上,并不是所有的大洋板块都会俯冲到上地幔底部.这种大洋板块在软流圈拆沉后激发的热流体上涌,造成高原中部大规模的火山喷发,是青藏高原隆升的主要动力来源之一.根据上地幔三维地震层析成像结果定量计算了岩石圈-软流圈界面(LAB)的深度,揭示了软流圈地幔物质的上涌或者岩石圈地块下沉的作用布局,表明青藏高原的东部在新生代动力学作用过程中是一个相对独立的岩石圈地幔块体.

关键词：大陆动力学青藏高原软流圈层析成像 LAB高分辨率地球物理.

基于GPU并行的重力、重力梯度三维正演快速计算及反演策略

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地球物理学报 2012年第12期55卷 4069-4077页

作者：陈召曦孟小红郭良辉刘国峰地质过程与矿产资源国家重点实验室中国地质大学北京100083 地下信息探测技术与仪器教育部重点实验室中国地质大学北京100083 地球物理与信息技术学院中国地质大学北京100083

利用NVIDIA CUDA编程平台,实现了基于GPU并行的重力、重力梯度三维快速正演计算方法.采用当前在重力数据约束反演或联合反演中流行的物性模型(密度大小不同、规则排列的长方体单元)作为地下剖分单元,对任意三维复杂模型体均可用很多物... 详细信息

利用NVIDIA CUDA编程平台,实现了基于GPU并行的重力、重力梯度三维快速正演计算方法.采用当前在重力数据约束反演或联合反演中流行的物性模型(密度大小不同、规则排列的长方体单元)作为地下剖分单元,对任意三维复杂模型体均可用很多物性模型进行组合近似,利用解析方法计算出所有物性模型在计算点的异常值并累加求和,得到整个模型体在某一计算点引起的重力(或重力梯度)值.针对精细的复杂模型体产生的问题,采用GPU并行计算技术,主要包括线程有效索引与优化的并行归约技术进行高效计算.在显卡型号为NVIDIAQuadro 2000相对于单线程CPU程序,重力和重力梯度Uxx、Uxy正演计算可以分别达到60与50倍的加速.本文还讨论了GPU并行计算在两种反演方法中的策略,为快速三维反演技术提供了借鉴.

关键词： GPU CUDA 正演计算重力重力梯度加速比

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从卫星重力资料看中国及邻区地壳密度结构

地质学报 2016年第9期90卷 2167-2175页

作者：杨文采陈召曦侯遵泽孟小红中国地质科学院地质研究所北京100037 中国地质大学(北京)地球物理与信息技术学院北京100083

本文应用小波多尺度分析等信息提取新方法,从地球重力场模型(EGM2008)经各项校正得到的中国及邻区卫星布格重力异常中提取和反演了中国及邻区上、中、下地壳的密度信息,揭示了区域地壳三维密度结构。下地壳低密度扰动主要出现在青藏高... 详细信息

本文应用小波多尺度分析等信息提取新方法,从地球重力场模型(EGM2008)经各项校正得到的中国及邻区卫星布格重力异常中提取和反演了中国及邻区上、中、下地壳的密度信息,揭示了区域地壳三维密度结构。下地壳低密度扰动主要出现在青藏高原和华南沿海到对马海峡一带,其它地区多现较高密度扰动。所有克拉通地体密度在中下地壳都是高密度的。中下地壳低密度扰动带可分成四类:(1)出现在板块边界的低密度扰动条带,(2)出现在中国西部挤压构造有关的山脉下方,(3)与拉张走滑构造有关的构造带,(4)和与大陆内部板内造山有关的构造带。上地壳结晶基底的低密度扰动可出现在显生宙造山带和未充分发育的大陆裂谷。碰撞俯冲造山带以地壳低密度大厚度为特征,但是板内造山带不同,以地壳局部高密度中厚度为特征,局部高密度反映了中基性结晶岩的存在,莫霍面上拱反映了中基性岩浆侵入。板内拉张裂谷带上地壳基底密度局部低、中地壳低速带发育反映拉张区的流体活动,而下地壳反射体发育、莫霍面变厚成层反映拉张区的玄武岩浆底侵。由于卫星重力测量资料分辨率毕竟有限,对中国东部地区还未能给出关于中地壳密度扰动的细节,还必须开展地面重力测量资料的小波多尺度分析。

关键词：中国及邻区地壳构造卫星重力场小波多尺度分析三维密度密度扰动图像

二氧化碳地质封存时延重力监测技术及发展前景

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地球物理学进展 2024年

作者：章月华刘彦吕庆田陈召曦中国地质科学院自然资源部深地科学与探测技术实验室中国地质大学(北京)地球物理与信息技术学院中国地质调查局中国地质科学院地球深部探测中心

全球变暖推动各国达成政治共识并采取一系列行动以积极应对气候变化。二氧化碳地质封存将捕获的二氧化碳注入封存地点并实现长期封存，注入的二氧化碳在压力和自身浮力的共同作用下容易通过废弃井筒及断层等潜在途径发生泄露。二氧化碳... 详细信息

全球变暖推动各国达成政治共识并采取一系列行动以积极应对气候变化。二氧化碳地质封存将捕获的二氧化碳注入封存地点并实现长期封存，注入的二氧化碳在压力和自身浮力的共同作用下容易通过废弃井筒及断层等潜在途径发生泄露。二氧化碳注入前后储层密度等物性参数的改变为重力监测技术奠定了理论依据，重力数据反演二氧化碳羽流分布有助于分析流体随时间的空间运移分布。本文从学术研究及项目实践两方面论述时延重力监测方法在二氧化碳地质封存领域的发展状况与应用潜力。随着重力观测仪器的不断升级、数据采集处理技术的不断革新和反演解释方法的不断进步，时延重力监测方法的应用前景也更加广阔。当前时延重力监测的发展需要抓住二氧化碳地质封存项目数量及规模持续扩大的机遇，封存前后地表及井中重力所得密度属性的组合可相互验证得到地下二氧化碳分布的有效信息，结合项目实际需求进一步综合运用多种地球物理方法是今后监测二氧化碳地质封存的发展趋势。

关键词：二氧化碳地质封存时延重力重力监测

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青藏高原东部地块的属性与演化

地学前缘 2023年第3期30卷 233-241页

作者：刘晓宇杨文采陈召曦瞿辰于常青中国地质大学(北京)地球物理与信息技术学院北京100083 浙江大学地球科学学院浙江杭州310058 中国地质科学院地质研究所北京100037

利用大量地方地震台站的数据获得了青藏高原地壳上地幔0.5°×0.5°×10 km的高精度三维速度结构,揭示了青藏高原地壳上地幔结构的大量细节,为了解大陆碰撞与高原演化的动力学作用提供了新的证据。根据地震层析成像三维波速数据,计算取... 详细信息

利用大量地方地震台站的数据获得了青藏高原地壳上地幔0.5°×0.5°×10 km的高精度三维速度结构,揭示了青藏高原地壳上地幔结构的大量细节,为了解大陆碰撞与高原演化的动力学作用提供了新的证据。根据地震层析成像三维波速数据,计算取得了青藏高原岩石圈底界面深度的三维图,由此发现青藏高原东、西两部属性有本质区别:东部以高波速、较高电阻率和密度的厚岩石圈为主,厚度在150~180 km范围变化;西部以低波速、较低电阻率和密度的薄岩石圈为主,厚度在130~155 km范围变化。上述表明高原东部没有大规模软流圈上涌,而西部发生了大规模软流圈上涌,上涌幅度在20~30 km左右。高原东西部分界线的两个端点坐标分别为(85°E,20°N)和(98°E,40°N)。结合古地磁数据可知,青藏高原东部地块在空间上是40 Ma以来西部陆陆俯冲作用与东南亚洋陆俯冲作用之间的作用力转变的过渡带。

关键词：青藏高原东部地块地震层析成像岩石圈底界面属性演化

优化滤波方法及其在中国大陆布格重力异常数据处理中的应用

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地球物理学报 2012年第12期55卷 4078-4088页

作者：郭良辉孟小红石磊陈召曦地下信息探测技术与仪器教育部重点实验室(中国地质大学北京)北京100083 中国地质大学(北京)地球物理与信息技术学院北京100083 中国地震局地球物理研究所北京100081

在优选延拓法的理论基础上,研究提出基于格林等效层概念和维纳滤波器的优化滤波法,用于对重力异常数据进行去噪和分离.与传统向上延拓法和优选延拓法相比,优化滤波法分离异常与延拓高度无关,不需要已知延拓高度,具有一定的优势.理论重... 详细信息

在优选延拓法的理论基础上,研究提出基于格林等效层概念和维纳滤波器的优化滤波法,用于对重力异常数据进行去噪和分离.与传统向上延拓法和优选延拓法相比,优化滤波法分离异常与延拓高度无关,不需要已知延拓高度,具有一定的优势.理论重力模型数据的去噪和异常分离试验表明优化滤波法有效,异常分离效果优于传统向上延拓法和带通滤波法.利用优化滤波法对中国大陆重力异常数据去噪和异常分离,得到有效的布格重力异常和区域重力异常.以中国大陆深地震探测推断的莫霍面深度信息为约束,对区域重力异常数据进行密度界面约束反演,得到中国大陆莫霍面深度分布.本文方法为中国大陆深部探测和区域构造研究提供一定的技术支撑.

关键词：优化滤波去噪异常分离中国大陆重力异常

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基于剩余异常相关成像的重磁物性反演方法

地球物理学报 2012年第1期55卷 304-309页

作者：孟小红刘国峰陈召曦郭良辉中国地质大学(北京)地球探测与信息技术教育部重点实验室北京100083

将场源区剖分成长方体单元,通过采集的重磁数据反演出这些单元的密度或者磁化率变化,勾画出场源的分布图像,这种方式是重磁三维反演的重要方向.重磁相关成像通过计算测量的重磁异常与地下各点在测区上的重磁异常的归一化相关,显示出异... 详细信息

将场源区剖分成长方体单元,通过采集的重磁数据反演出这些单元的密度或者磁化率变化,勾画出场源的分布图像,这种方式是重磁三维反演的重要方向.重磁相关成像通过计算测量的重磁异常与地下各点在测区上的重磁异常的归一化相关,显示出异常地质体的空间赋存状态和等效剩余重磁物性.该方法计算速度快,方法简单、稳定,但是反演的结果只是在-1到+1之间的等效物性,不能够直接反演剩余密度或者磁化率,并且无法引入已知的地质约束.本文通过对物性模型的正演和实测结果的残差进行相关成像,迭代更新物性模型实现对物性参数的反演过程.模型实验证明该方法相对相关成像不仅能提高分辨率,还能够得到真正的物性参数.

关键词：相关成像剩余异常物性模型反演

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三维密度界面的正反演研究和应用

地球物理学报 2014年第1期57卷 287-294页

作者：冯娟孟小红陈召曦石磊武粤樊振军中国地质大学地质过程与矿产资源国家重点实验室北京100083 地下信息探测技术与仪器教育部重点实验室(中国地质大学北京)北京100083 中国地质大学(北京)数理学院北京100083

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... 详细信息

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.

关键词：重力位场界面反演快速傅里叶变换 Parker-Oldenburg公式