基于新型区域余弦相似度耦合的结合地震的重磁电三维联合反演

Aimed at the focal problems of geophysical joint inversion, how to construct the inner coupling between different models and how to reduce the non-uniqueness? The project develops studies on 3-D joint inversion of multi-geophysical methods, such as gravity, magnetic and magnetotelluric (MT) data, based on a new structure-coupled constraint. As for the joint coupling manner, for the first time we put forward a new structure-coupled constraint based on the regional squared cosine similarity to suit multi model parameter vectors, which depends on the cosine value between the inner product of model vectors or model gradients in a regional model space to constrain the regional structure to be collinear. If we define a limited model space in which two geophysical model vectors are independent, positively or negatively correlated, it may be regarded as the regional model space to compute the squared cosine similarity. Compared with the other common-used constraints, this new manner is more feasible and flexible, which does not need to compute the local model gradients of the adjacent local grid cells of models, and avoids the discontinuities resulting from local model gradients vary fast and enhances the regional consistency of the structures. It also can reduce the computing complexity by cross-gradient, and avoid the artificial a priori setting for the model variation directions required by the gradients inner product constraint. As for the reduction of ambiguity of inversion, the studied joint inversion should integrate more information including the seismic and other a priori constraints, overcome the limits of 2-D inversion. So, we conduct a joint optimization scheme to fulfill the 3-D joint inversion of multi-model parameters by introducing the a priori seismic velocity model, it is synchronously coupled with the models of gravity, magnetic and MT methods using the new structure-coupled manner. Studies of the project could establish some new understandings for the theory and practical application of joint inversion.

本课题针对地球物理联合反演的核心问题——模型空间内在耦合方式以及多解性问题，开展以重磁电为主的多方法三维联合反演研究。在联合反演方式上，首次提出一种适用于多物性以区域余弦相似度平方为约束的新型结构耦合方式，若两种物性在指定的模型空间区域内满足相关或无关条件，可通过计算该区域内模型矢量或模型梯度两种方式的归一化点积即余弦相似度，作为突出区域内构造变化相似性的约束控制，该方式简单灵活并适用于区域内模型非同源的情况，避免了目前研究较多的交叉梯度与梯度点积约束方式不仅需要计算局部邻近模型网格单元的梯度变化，而且存在计算复杂、局部不连续或梯度点积约束需先验指定物性变化方向等一系列问题。针对如何有效减少多解性问题，需克服目前联合反演过程中约束信息融入不足、二维反演本身局限性等问题，提出重磁电反演过程中同步耦合地震先验速度模型的联合优化方案。本研究可为联合反演理论和解决实际问题探索新的途径。

本项目针对地球物理联合反演的核心问题——模型空间内在耦合方式以及多解性问题，以构建新的模型构造约束耦合方式，在反演过程中同步耦合地震速度模型等先验约束信息实现重磁电多方法的三维联合反演为主要内容，研究包括多物性参数构造耦合的联合方式和联合反演优化方案与算法实现并开展理论模型试验和推广应用。.本项目的重要研究成果是，1）在联合反演方式上，首次提出了一种适用于多物性以区域余弦相似度平方为约束的新型耦合方式，以指定的模型空间内的区域模型矢量或模型梯度点积得到的余弦大小为区域构造变化方向相似性的约束控制，使其作为一种更合适和合理的区域结构耦合约束并推广到三维多方法的联合反演。2）同时，研究了在三维重磁电联合反演过程中同步耦合重磁电信息以外的地震速度模型等先验约束信息的方法和优化方案，综合更多信息，减少反演多解性并提高其实用化能力，推动了联合反演理论和方法的新发展，为多参数联合反演理论研究和解决实际问题提供了新的方法基础和探索新途径。3）基于新型区域余弦相似度耦合的结合地震的重磁电三维联合反演，在四川盆地和塔里木盆地等深层超深层深部结构研究中进行了示范推广应用，为深层前瞻领域勘探和复杂地质结构的反演提供了有效解决方案和关键理论方法支撑。.本项目的科学意义在于，1）首次提出的这种基于区域余弦相似度约束的新型耦合联合反演方法，在国内外联合反演领域具有开创性，为联合反演理论和方法发展开辟了一条新的途径。这种新型耦合可突出耦合区域内物性相关和物性结构的一致性，可克服目前主流联合反演方法包括依赖物性转换关系存在不确定性、交叉梯度约束计算复杂、梯度点积约束存在需先验指定物性变化方向等一系列问题。2）提出的新型耦合的联合反演方法可同步耦合地震速度模型等先验约束信息，适用于复杂地质问题，提高了反演精度，减少了多解性。