多重约束下盆地深部热物性参数反演研究-以琼东南盆地为例

It is one of the key issues of thermal structure analysis of the lithosphere, the exploration of marine geodynamics and oil-gas resources evaluation that the inverse identification of the thermal physical parameters of deep structure with full use of the known variety of types and the different scales of observation data. This project takes Qiongdongnan basin as the background. This project first analysis some thermal physical parameter properties such as thermal conductivity, heat production rate of drilling core and marine sediment samples from Qiongdongnan basin. Subsequently, on the basis of collected related geophysical data and logging data and the basin characteristic, we’ll establish multiple constraints high dimensional coupling model for calculating thermal physical parameters of deep rock. Then we’ll make some analysis for solving theories and methods of the model, including the uniqueness of solution, stability and the sensitivity of the solution for all kinds of observation data. And the reliability of parameter identification methods based on different kinds of observation data will be discussed. The project contrasts a variety of optimization methods to solve the inversion model under the condition of the different types of observation data and the constraint conditions. At last, in order to get the value of deep thermal physical property parameters of Qiongdongnan basin, some effective feasible multiscale numerical algorithms will be designed with the forward and inversion method for coupling optimization model. And some comparative analysis for the numerical optimal results will be done. The programming software will be developed to make the geothermal temperature field numerical simulation. And thermal structure characteristics of Qiongdongnan basin will be analyzed.

充分利用已知的多种类型和不同尺度的观测数据，对深部地层热物性参数进行反演识别，是岩石圈热结构分析、海洋地球动力学研究和油气资源评价中的关键问题之一。本项目以琼东南盆地为研究背景区域，首先基于琼东南盆地钻井岩心和海底沉积物样品的热导率、生热率等热物性参数，依据研究区相关地球物理资料、测井数据等，分析盆地特征，建立多尺度多重约束条件下深部热物性参数反演计算的高维耦合模型；然后进行模型求解的理论方法分析，包括解的唯一性、稳定性，以及解对各类观测数据的敏感性研究等，探讨依据观测数据进行参数识别各类方法的可靠程度，对比研究不同观测数据和约束条件下模型求解的各种反演优化方法。最后，利用正反演结合的多尺度方法设计高效可行的算法，利用软件编程计算，对耦合优化模型进行数值求解，得到盆地深部热物性参数，对得到的反演结果进行比较分析，并进行盆地地温场数值模拟和热结构特征分析。

本项目在收集整理琼东南盆地等研究区的测井数据、岩石样品热导率数据、热流数据等的基础上，进行统计分析计算，基于回归分析和机器学习等方法建立预测模型，在预测深部岩层热导率和孔隙度等参数方面效果良好。研究了海南岛大地构造在中-新生代的隆升剥露过程与热演化史，为相关研究区域的构造演化提供有力证据。利用磷灰石裂变径迹 (AFT)、磷灰石及锆石(U-Th)/He 等构造热年代学研究方法，重建海南岛北部岩体的构造-热演化历史，分析侵入岩体在不同构造热演化阶段的冷却剥蚀速率，探讨岩体隆升过程的动力学过程。基于收集到的不同温度和压力条件下的实验室砂岩测试数据，分析温度和压力对岩石热导率的影响，探讨热导率随温度和压力变化的规律。通过拟合和插值方法，进行温度和压力校正，计算不同温压条件下热导率的预测值，数值算例验证了方法的有效性。为了处理非独立多变量数据资料，对多变量数据的边际模型的回归估计进行了理论研究，发展了二次推断函数法应用于边际模型的参数估计。.本项目对热传导耦合数学模型进行了讨论，提出了求解耦合模型的有限差分格式，研究分析了计算格式的误差。为了便于高效求解各类预测模型和耦合模型离散化以后得到的大规模代数方程组，对方程组求解的预处理方法进行了研究。针对多类具有特殊块结构的广义鞍点问题，分别提出了新的矩阵分裂预处理子；依据预处理子系统的求解过程，构造了新的分裂迭代方法，给出了收敛性分析；分析了预处理矩阵的谱性质并给出其最小多项式次数的上界估计；提出了最优参数近似求解的策略，提高了数值求解的精度。本项目对多层热传导正反演问题进行了研究。引入状态空间理论，在时间域上应用差分格式，以温度和热流为关于空间变量的未知函数，把热传导方程转化为常微分方程组，推导了多层介质热传导问题的状态方程；结合衔接条件，得到了温度和热流递推求解的数值格式；给出了不同条件下多层热传导问题的正演算法和侧边值反演算法，算例表明了算法的有效性。