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1、非线性地球物理反演方法：回顾与展望-评地球物理反演的发地学前缘Vol.10,2003*评地球物理反演的发展趋向杨文采中国地质科学院地质研究所(北京,100037)[摘要]自20世纪70年代以来,地球物理反演方法已走向成熟,这些方法包括地震走时反演与波场反演、层析成像反演、线性化迭代反演、仿真淬火法反演、遗传算法及联合反演方法等。地震反演的目标不仅仅是波速模型,而是地球内部的精细组构和动力学过程,并向密度、各向异性及粘度等更多参数成像发展。波动方程线性化迭代反演基于开放物理系统状态发生相变的原理,要进一步改善模型参数化的技术和迭代过程的自组织
2、;仿真淬火法与遗传算法基于自然过程的指数率或生物演化的优生率,可以相互结合以提高解估计的分辨率与置信度;联合反演要结合岩石物理性质的统计规律,才能取得兼容地质与综合方法的应用效果。地球动力学中的反问题不仅涉及偏微分方程系数项的求解,而且涉及初始条件或初始边界的求解,对地球动力学作用过程研究特别重要。[关键词]:地球物理,反演,非线性,联合反演,地球精细结构三十多年前,在板块构造学说与计算机革命的双重推动下,基于现代数学物理理[1-2]论的现代地球物理反演方法诞生了。在21世纪到来之际,全球地球动力学发展和能源资源勘探对地球物理反演提出了更高
3、的要求,信息产业的迅速发展又为地球物理反演方法的发展提供了更好的条件。作为这个领域中的前沿,自20世纪90年代[3-15]以来非线性地球物理反演已经取得一些可喜的进展。本文在回顾线性化迭代反演法、仿真淬火法、遗传算法与联合反演方法的基础上,从历史沿革、自然哲学与偏微分方程反问题的角度展望了今后非线性地球物理反演方法研究的一些方向。1地震走时反演与层析成像地球物理反演大约是从1907年发表地震走时反演论文开始的,这个领域经百年*本课题由国家重大科学工程项目“中国大陆科学深钻工程”与国家自然科学基金#40174013共同资助1风尘,取得了丰硕成
4、果。目前用于地球广角/折反射资料反演波速结构的软件,如RAYINV和SEIS88已经非常流行,以至于非反演专业人员也可以应用这些软件反演地球波速结构。然而,不同的人用这些软件反演出的地球波速结构有很大的差异,而且用这些软件不可能反演出复杂的地球波速结构。图1给出反演地球波速结构的图1.由地震走时反演取得地球波速结构的比较。a80年代由广角折射走时反演出的地球波速结构;b过温哥华岛的地壳纵波波速模型及c横波速度/电阻率模型。Fig.1Comparisonofreconstructedvelocitymodelsobtainedviatrave
5、ltimeinversions:aoldGGTproducedfromwide-anglerefractiondata;bP-wavevelocityprofileandcS-wavevelocityandresistivityprofileacrosstheVancouverislandAfterRonClowesetal[16]典型剖面。图1a是80年代我们常见的由广角折射走时反演出的地球波速结构剖面,基于层状介质模型,这种反演包含的地球信息不丰富。图1b为过温哥华岛的地壳纵波波速模型,它基于纵横向交叉分块的波速模型,给出了太平洋板块俯
6、冲的详细信[16]息。图1c为过温哥华岛的地壳横波波速与电阻率联合反演模型,它在P波速度结构的基础上细化了波速模型,给出了太平洋板块俯冲及科迪勒拉造山带内幕更为详细的信息。由此可见,为取得更详细的地球信息我们不能依赖于现成软件,而要发展基于复杂模型的反演方法。为此首先要发展基于复杂模型的正演方法,克服复杂模型2引起的射线焦散及波场奇点等困难。以走时反演为基础的地震层析成像自80年代以来取得了巨大的成功,尤其是提供了全地幔P波、横波与面波波速结构图像,扩大了地球科学家的眼界,这些成果已为[17]大家熟知。近年来,地球物理界己不满足于波速成像,
7、开始向密度、各向异性及粘度等更多参数成像发展,促进人们对深部岩性及流变性质的了解和相关地球动力[18-20]学问题的解决。图2是过格鲁吉亚西天山造山带岩石圈层析成像的一个例子。通过层析成像反演计算出P波波速剖面图2a,横波波速剖面图2b,密度反演剖面图2c,通过综合分析取得了比较可靠的推测岩性剖面图2d.由此例可见,当前地球物理反演的目标不仅仅是波速模型,而是地球内部的精细组构和动力学过程,这方面以后还要讨论。图2.过格鲁吉亚西天山造山带岩石圈的P波波速剖面a,横波波速剖面b,密度反演剖面c与推测岩性剖面d.岩性编号:1-酸性岩,2-中性岩
8、,3-基性岩,4-超基性岩,5-韧性流变层。Fig.2AprofileacrosswestTian-Shanorogene:aP-wavevelocity,bS-wavevelo
