地球物理学正、反演的研究分析

场的复杂性决定了地球物理模型的复杂性"通常来说"仅 法让反演在现实中顺利进行#$%
仅依靠解析法是无法得出其解析结果的"所以只能选择依 地球模型的反演是在模型空间中进行的"它是一个追
靠数值模拟法# 通过这一方法"许多地电模型的电磁场分 寻目标函数极值的过程# 通过无数次的反演计算得出"使
布数据被计算出"通过对二者间关系的探究"能够得出它 用线性迭代反演的方式可以最快得出局部的极值$%#
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理论研究
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地球物理学正反演的研究分析
李光琪4苏学影4许佳琪
中国地质调查局地球物理调查中心河北廊坊
摘4要利用正反演的研究方式对地球进行分析研究之前就有学者通过几何学的理论对地球进行正反演计算计 算完成之后可以进行相应的假设具体可以进行各向同性完全弹性以及无限均匀等假设采用声波方程完成相应的计 算然后需要在声波波动方程的计算条件下对黏弹性介质和双相介质进行相应的正反计算 但是在实际分析研究过程 中实际的介质并不是各向同性均匀以及拥有完全弹性因此对人们研究演算地下介质以及实际的地球结构的真相会 造成一定的影响
的广义线性反演&地震道广义线性反演以及各种不同种类 式就是简化内部结构创建相应的物理模型"但是由于比较
的数据反演方式#
简化会与现实地球结构差异性比较大# 地球本身是个复
*+适应性# 之前针对地球物理反问题使用的研究方 杂系统"由于影响因素多"它的导电性更加复杂"地壳结构
式为微扰法"就是通过对地球介质的假设"假设它是一种 较为复杂"拥有的物质组成具有多样化&空间化以及各向
学模型创建的比较少#
换与波场转换# 前者运用转换的手段"将L[V数据转换
在新时代中"对复杂的物理模型的算法理论的分析研 为平面波场数据"这种转换通过经验公式来进行"不会对
究逐渐提高"不断地创新地球电磁正演研究方式"还可以 数据造成影响"转换完成后通过求取反射系数序列成像#
对地球的电磁深度数据的精确度进行计算"通过二维以及 而后者简单来说就是对拟地震偏移成像的深层次的运用#
以此计算地球内部的结构和物质构成#
学的问题不是用简单的计算方法就能解决问题"存在以下
地球物理学可以被归纳到观测性的科学中"在研究过 特点#
程中"通常会采用野外观测4信息传输4数据处理4地球 *$+计算地球物理学中的不适定性"物理意义的解&正
物理去进行各个领域结合的分析# 由此可知"在研究过程 则化性质等,
程用非常复杂的数学形式表达出来"这导致方程中未知参 %)&汤井田!任政勇!化希瑞&地球物理学中的电磁场
数的数量不断增加反问题"仅有一个解的问题愈发突出" 正演与反演%g&&地球物理学进展!)%%1'%3()$$=$2$$'3&
三维的方式反演# 尽可能降低反演的多解性"需要通过对 站在地球物理勘探角度而言"电磁探测深度和仪器各项因
其他研究方向的条件进行约束"同时还需要对联合反演中 素有直接关系"如果情况较好"那么探查深度会比预测的
的物质实验研究建立合理的数据关系#$9%
深得多"但是如果地质情况较为复杂"那么探测深度也可
(&( 联合反演
法需与地球物理中的问题密切结合"从应用的效果来判断 *+非线性# 结合混沌理论知识"分析研究非线性地
模型&方法和计算过程的可行性#
震反演的规律性"通过对非线性迭代过程对比非线性动力
地球物理学正演问题
系统可以发现"在进行非线性地震反演途中可以将混沌行
地球物理进行的正演时一般需要利用地球物理模型 为分为几个阶段进行# 而且"还可以通过对混沌理论的研
不均匀的水平成层或者扰动性小# 地壳物质的不均匀性 异性等特点# 但是这些特点并不能通过模型表现出来"所

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以对于地球的电磁响应的非线性特点以及电磁干扰的数 一定的成果# 成像类反演通常有两种方式"即时频等效转
方式所探索的岩石处于同一岩石层"那么二者最终得出的 异# 所以要尤为重视对于初始模型的提取"这是对地球物
结果应该是具有兼容性的# 另外"使用联合反演的方式还 理问题进行解答的根本所在#
可有效提升反演结果的准确性"对于相关研究可以作为一
个重点的研究方向# 但是"因为采用的地球物理方式不 参考文献
同"所取得的相关数据也存在很大差异"彼此间的精度和 %$&滕吉文&地球物理学及地球动力学研究刻物理场 于模型的选择上"不容易找到全局的最小点"而在计算的
的空间分布等"如地震偏移成像&电磁波偏移成像等# 过程中不具备雅克比偏导数矩阵的一些优势# 所以"地球
第二类!从微分方程的解的某种泛函来求解方程的系 物理资料线性反演中传统的非线性反演方式不被看好#$!%
核心就是为了探讨对有限资源的利用"要探讨这一问题的 计算地球物理学是利用数值计算方法解决地球物理
前提"就是对现有资源的统计"这离不开地球物理这门学 中的科学问题和应用问题# 它与计算机科学&数学存在一
科的帮助"唯有通过其相关的探测才能得出相应的数据" 定的关系"特别是计算数学有着密切关系# 计算地球物理
刃有余"并且探索出深邵物质之间能量转换的方式"深层 影响#
地质运动以及动力学对地层运动的影响"这些问题的探究 $&$ 计算地球物理学的研究内容
对社会的经历以及科学的发展有着重要的促进作用# 人 正如文章中所说"对地球的内部结构的研究需要运用
类生活以及生存的空间需要拥有足够的资源供人类可持 到地球物理学&地质学以及地球化学等理论知识"它们无
关键词地球物理学计算地球物理学正演反演
地球物理学的概述
中"免不了对数据的分析研究"对数据的操作在地球物理
在)% 世纪就开始了地球物理学的分析研究"尤其是 学中无法避免"因此"数据的质量以及处理效率会对研究
中期往后"它成为一门边缘性科学"地球物理学主要包含 结果形成直接影响# 当前通过野外观测方式采集的数据
们之间的对应关系# 但如果面对的是复杂的模型"相应的 模拟退火法
电磁场分布同样很复杂"依靠该方法计算二者间关系的难 模拟退火法的原理与统计热力物理学相似"它的工作
度和工作量都非常大# 因此需要一种更加高效的方式进 原理就是对物体在熔融状态下逐步恢复冷却结晶状态的
行计算"也就是电磁模型的反演#
能达不到理想数值# 总而言之"深度和介质都一样的情况
该方法在进行地球综合解释时效果最佳"也是现阶段 下"扩散场与平面波场的视电阻率的电性结构差别
仅有的一种技术# 使用的地球物理方式不同"所需要的以 不大#$=%
了解地球为目的的参数也不同"对于岩石而言"如果不同 在地球物理的反演计算中"各种算法存在很大的差
物理过程# 模拟退火算法的主要流程!首先需要收集计算
地球物理学反演理论方法的研究
出关于向量模拟粒子热运动的参数,其次需要不断地对模
地球物理反演问题是根据观测到的地球物理数据来 拟过程中的温度进行调解"最终将模拟的热系统内部的物
定性和定量地对地下介质的物性参数进行估算与推断# 质冷却至结晶状态#
狭义的地球物理反问题是指与各种地球物理场方程 启发式的蒙特卡罗优化的工作原理就是模拟退火法
结构上的计算分析"并且推演出物理角度下力学与动力学 据"从而在进行演算的过程中可以对深部的介质&结构以
之间的关系#
及动力有一个清晰地认识"以此创建一个全球性&大范围
)% 世纪9% 年代后"地球物理学进入飞速发展时期# 或者局部地区的动力学模型# 所以"无论在地球物理学研
它是以物理&数学&信息科学为基础的一种边缘科学"与地 究过程中使用的是正演算还是反演算"其中使用的一维到
灵敏度也大有不同# 所以现阶段的联合反演应用上还有 学%8&&中国科学院地质与地球物理研究所&中国科学院
很大不足#
地质与地球物理研究所第十届')%$% 年度(学术年会论文
对于应用地球物理反演的研究而言"不能忽视方程的 集'中(%W&&中国科学院地质与地球物理研究所)中国科
深化与应用# 以地震反演理论为例进行研究时"习惯将方 学院地质与地球物理研究所科技与成果转化处!)%$$)$0&
变化为电信号的具体数据#
的数据计算# 利用地球物理模型进行反演一般会出现非
数学模拟
线性以及病态的情况"这对数据的模拟过程提高了困难"
用数学方法对地球物理场的响应函数进行计算"有解 模拟结果也无法达到线性的精确度"只能尽可能地减小误
析方法和数值模拟方法两种方式# 在地球物理学中"电磁 差# 非线性的成倍提高对反演的计算过程增加了困难"无
有关的地球物理反问题的求解方法和计算问题"与数学物 的基础"启发式的蒙特卡罗优化主要模拟课退火的物理过
理反问题是密切相关的#
程"属于非线性的反演方式"这在对非线性反演分析过程
狭义的地球物理反演存在问题可分为两类!
中"起到了促进作用# 通过对比传统的线性反演方式与模
第一类!根据现有的物理状态推断物理过程的过去状 拟退火反演方式可以发现"传统的线性反演方式太过依赖
进行计算得出相应的理论值# 这个计算的过程中需要首 究"科学的解释非线性地震反演的相关数据"增加地震反
先创建一个地球物理模型"通过对作用条件进行假设"利 演的分辨率#
用地球物理方程计算出地下固定地球物理场的响应函数# 通过实验分析所得出的结果可知"在进行反演的过程
物理模拟
中"收敛速度主要依靠的是正演模型的精确程度"可是当
数"根据空间中物理场的分布推断地下介质的物性参数 资料反演
等"如全波形反演&大地电磁反演等#
地球拥有着复杂的结构"地球受到影响的因素也很
*+统一性# 所谓的统一性就是结合泛函创建出适用 多"并且内部的导电性结构十分复杂# 人们对地球的电磁
于各类地球物理的广义线性的演算"其中包含对位场数据 探索已经有很多年了"他们在研究过程中采用最普遍的方
续的使用"并且该研究还可以对自然灾害进行防范"提高 论是在横向还是纵向上都是不均匀的"而且也没有各向同
人类的生存条件"坚持可持续发展必须成为人们的生存目 性以及线性结构,地球内部的物质以及能量的转换主要通
标# 在对地球进行科学的探索研究过程中"最关键的还是 过力源而实现"在这个过程中也会表现出深层的复杂性#

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*+计算地球物理学求解精度的适度性"分辨率的正 高"因此比较适用于扰动性比较大以及非水平层状介质中
确理解&数据处理的适度性等,
采用中声波方程进行反演"同时还可以通过地震波速成像
*+计算地球物理学实用性"数学模型&计算方法与算 的方式以及跨孔地震层析成像的方式进行分析研究#
了数学&信息学以及物理学等课程知识作为基础"同时还 经过传输储存等手段后"会出现一定的误差"这种误差无
需要结合地质学&地球化学等学科理论知识# 打好理论基 法再被有效地进行组合"导致数据处理缓慢"计算效率降
础"在分析研究地球内部介质的结构以及属性时"可以游 低"影响科研工作的进行"最终对社会的进步等产生消极
要对地球表面进行精密的数据采集"数据采集可以采用物 也就是说"当它们之间在特定的机制下可以相互制约形成
理探测的方式"也可以通过观察检测得出# 将数据采集完 一个复杂的集合体时"这就增加对这些介质结构&物质的
成后"利用不同的数学计算方式"对地球内部的介质进行 运动状态以及轨迹需要通过高精度的探测获取准确的数
通过物理进行研究分析"利用相似原理可以将地球模 前的正演模型的水平还没有达到线性的精确度# 反演的
型制作成相应的物理模型# 以后再利用这个模型外部与 问题模型会相对大点"反演的过程中需要通过大量的参数
内部所施加的物理源计算出能量转换过程中物理场响应 作为基础"而当前的计算机运行的速度还无法完成这庞大
质学和地球化学有很大的联系度,这门学科的目的所在是 四维的方式都需要建立在数学理论的基础上进行分析研
为了研究与探索地球内部物质&结构等属性以及它们与能 究"同时还需要结合地球物理学领域的相关知识进行分
量间的关系"对于社会经济&科学技术的发展而言具有重 析"得出一个概念性的模型#$$%
要的意义# 可持续发展已经成为当前时代的一大主题"其 $&) 计算地球物理学的特点