球坐标系卫星重力梯度与磁数据三维联合反演方法

发布时间：2017-07-08 19:25

  本文关键词：球坐标系卫星重力梯度与磁数据三维联合反演方法

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【摘要】：地球观测卫星一直是研究大尺度区域地球科学问题最有利的工具,随着卫星以及仪器技术的发展,卫星测量的精度以及信息量也在不断增加。近年来,欧空局发射的GOCE卫星已经能够利用其搭载的高精度重力梯度测量仪获取地球全张量重力梯度数据,新近发射的SWARM卫星群更是能够以前所未有的精度观测地球磁场变化。这些新的数据也促使相关的理论方法不断改进更新,地球物理勘探领域发展的三维反演技术也被应用至卫星观测数据,用于研究大尺度地球物理问题,论文旨在利用这些最新的重力梯度与地磁观测数据,研究综合利用多种高精度数据在球坐标系下联合反演研究地球大尺度区域岩石圈结构的方法。论文首先从重力梯度数据入手,在前人研究工作的基础上,利用Tikhonov正则化理论,结合重力梯度数据拟合差函数与球坐标模型目标函数建立反演目标函数,并施加反演密度参数边界约束,应用对数障碍法求解球坐标系重力梯度数据反演的约束最优化问题,并通过简单的理论模型试验验证反演方法的有效性。在实现球坐标系重力梯度数据反演方法的基础上,论文第二部分考虑同一区域地质体对应的密度与磁性物性分布应与地质结构分布变化相一致,具有结构相似性,在球坐标系中引入交叉梯度联合反演方法,依据球坐标系等经纬度划分的Tesseroid单元体构建新的离散化交叉梯度函数,联合重力梯度数据与磁总场异常△T数据单数据反演目标函数,形成球坐标系下的联合反演最优化问题。接下来论文的第三部分主要针对反演大尺度岩石圈磁性结构时无法逃避的海洋地区强剩磁问题,采用弱依赖于磁化方向的磁异常模量数据,与重力梯度数据进一步构建交叉梯度联合反演问题,抑制剩磁影响的同时也改善所需要获得的密度结构,为求解该联合反演问题,论文引入新的谱投影梯度方法,加入边界约束条件进行迭代求解。论文最后一部分是实际卫星数据反演与解释应用,首先利用卫星重力梯度数据反演整个北美地区的密度结构,然后选取青藏高原地区利用重力梯度与磁总场异常△T数据反演其岩石圈密度与磁性结构,最后利用重力梯度与磁异常模量数据反演包含强剩磁的菲律宾海板块岩石圈密度与磁性结构。论文采用最新的GOCE卫星重力梯度与SWARM卫星磁数据,在球坐标系下研究反演大尺度岩石圈密度与磁性结构,引入交叉梯度算法,建立了球坐标系卫星重力梯度与磁数据的三维联合反演方法,并且着重研究了存在强剩磁条件下磁测数据如何联合重力梯度数据以及利用磁异常模量数据压制剩磁对反演结果产生的影响,提供了综合利用卫星重力梯度与磁数据研究大尺度岩石圈构造的解决方案。
【关键词】：交叉梯度 联合反演 重力梯度 磁异常模量 球坐标系
【学位授予单位】：中国地质大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：P223;P631
【目录】：

• 作者简介7-9
• 摘要9-10
• Abstract10-15
• 第一章 绪论15-20
• 1.1 研究背景、目的和意义15-16
• 1.2 研究现状16-18
• 1.3 研究内容和方法18-19
• 1.4 论文的特色与新颖之处19-20
• 第二章 球坐标系重力梯度数据三维反演20-37
• 2.1 重力梯度场及其球谐表达20-22
• 2.2 球面棱柱体重力梯度正演22-25
• 2.2.1 Tesseroid单元体22-23
• 2.2.2 三重Gauss-Legendre数值积分正演23-25
• 2.3 反演目标函数25-29
• 2.3.1 数据拟合差函数25-26
• 2.3.2 模型目标函数26-28
• 2.3.3 正则化反演目标函数28-29
• 2.4 对数障碍法边界约束反演29-32
• 2.4.1 对数障碍函数29-30
• 2.4.2 Gauss-Newton法求解30-31
• 2.4.3 预优共轭梯度法31-32
• 2.5 球坐标系重力梯度反演理论模型试验32-36
• 2.5.1 理论模型设计32-33
• 2.5.2 反演结果33-36
• 2.6 小结36-37
• 第三章 球坐标系重力梯度与磁总场异常数据三维联合反演37-56
• 3.1 地磁场及球面棱柱体正演37-39
• 3.1.1 地磁场球谐表达37-39
• 3.1.2 球面棱柱体磁场正演39
• 3.2 多数据反演目标函数39-40
• 3.3 球坐标系交叉梯度函数40-42
• 3.4 联合反演目标函数及求解42-46
• 3.4.1 边界约束联合反演目标函数42-43
• 3.4.2 非线性目标函数求解43-45
• 3.4.3 联合反演流程45-46
• 3.5 联合反演理论模型试验46-55
• 3.5.1 球面棱柱体模型试验46-50
• 3.5.2 组合模型试验50-55
• 3.6 小结55-56
• 第四章 球坐标系重力梯度与磁异常模量数据三维联合反演56-73
• 4.1 磁异常模量56-57
• 4.2 非线性多数据反演目标函数57-59
• 4.2.1 非线性数据拟合差函数57-58
• 4.2.2 模型目标函数58-59
• 4.3 联合反演谱投影梯度求解59-63
• 4.3.1 交叉梯度联合反演目标函数59-60
• 4.3.2 磁异常模量正演雅可比矩阵60-61
• 4.3.3 谱投影梯度法61-63
• 4.4 联合反演理论模型试验63-72
• 4.4.1 球面棱柱体模型63-67
• 4.4.2 强剩磁组合模型67-72
• 4.5 小结72-73
• 第五章 实际卫星重力梯度与磁数据应用与解释73-100
• 5.1 北美岩石圈密度结构73-81
• 5.1.1 重力梯度数据74-77
• 5.1.2 反演结果77-80
• 5.1.3 初步地质解释80-81
• 5.2 青藏高原岩石圈密度与磁性结构81-91
• 5.2.1 重力梯度数据81
• 5.2.2 磁总场异常ΔT数据81-84
• 5.2.3 联合反演结果84-88
• 5.2.4 初步地质解释88-91
• 5.3 菲律宾海岩石圈密度与磁性结构91-99
• 5.3.1 重力梯度数据91-93
• 5.3.2 磁异常模量数据93
• 5.3.3 联合反演结果93-97
• 5.3.4 初步地质解释97-99
• 5.4 小结99-100
• 第六章 结论与建议100-102
• 6.1 结论100-101
• 6.2 建议101-102
• 致谢102-103
• 参考文献103-108

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本文编号：535979