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条件下的可控源音频大地电磁测深数据二维反演技术及14003698

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条件下 可控 音频 大地 电磁 测深 数据 二维 反演 技术 14003698
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复 杂 地 形 条 件 下 的 可 控 源 音 频 大 地 电 磁 测 深 数 据二 维 反 演 技 术 及 应 用 效 果雷 达 1 ,2 ,孟 小 红 1 ,王 书 民 1 ,2 ,李 汝 传 1 ,2 ,方 慧 1 ,2 ,赵 富 刚 2( 地 质 大 学 ,北 京 100083 ; 地 质 科 学 院 物 化 探 所 勘 查 地 球 物 理 开 放 实 验 室 ,河 北 廊 坊   065000)摘 要 : 复 杂 地 形 严 重 地 影 响 可 控 源 音 频 大 地 电 磁 测 深 (的 解 释 结 果 ,为 此 ,笔 者 考 虑 了 地 形 的 影 响 ,将 地电 断 面 模 型 经 过 精 细 剖 分 ,对 模 型 正 演 计 算 的 数 据 进 行 维 反 演 ,得 出 的 结 果 与 正 演 模 型 的 形 态 基 本 一致 ,获 得 的 电 性 断 面 能 很 好 地 反 映 地 下 地 质 结 构 ,与 实 际 地 质 资 料 相 吻 合 ,证 实 了 该 方 法 的 正 确 性 和 有 效 性 。关 键 词 :可 控 源 音 频 大 地 电 磁 法 ;地 形 影 响 ;二 维 反 演 ;奥 克 姆 反 演中 图 分 类 号 : 32       文 献 标 识 码 : A       文 章 编 号 : 1000 - 8918 (2004) 04 - 0323 - 04可 控 源 音 频 大 地 电 磁 法 () 是 一 种 频 率域 人 工 源 电 磁 测 深 法 ,研 究 大 地 的 电 磁 响 应 ,探 测 地下 电 性 分 布 及 地 质 构 造 。 由 于 它 可 以 穿 过 高 电 阻 薄层 ,有 些 无 法 用 直 流 电 法 和 地 震 法 探 测 到 的 高 电 阻薄 层 下 的 地 质 体 ,用 法 可 得 到 好 的 效 果 。因 此 ,它 已 广 泛 应 用 于 地 质 构 造 探 测 ,石 油 天 然 气 、煤 田 、 地 热 普 查 以 及 地 下 水 和 金 属 矿 产 勘 查 ,并 取 得了 好 的 地 质 效 果 。在 数 据 反 演 研 究 中 ,许 多 地 球 物 理 学者 做 了 很 多 的 研 究 工 作 。 早 期 的 一 维 反演 [1 ]可 以 模 拟 简 单 的 水 平 层 状 模 型 ,但 是 ,对 于 起伏 地 形 和 复 杂 的 二 维 、 三 维 地 电 条 件 下 获 取 的 数 据 ,在 资 料 处 理 时 ,用 一 维 反 演 就 会 给 出错 误 解 。 为 了 处 理 复 杂 的 地 电 结 构 ,在 用 进 行 浅 层 的 工 程 、 金 属 矿 勘 查 时 ,当 收 2发 距 是 探 测深 度 的 3~ 5 倍 时 ,对 于 高 频 所 测 得 的 高 频 数 据 均 可视 为 平 面 波 产 生 的 结 果 。 所 以 ,可 用 M T 反 演 方 法反 演 数 据 。 ] 曾 把 一 维 反 演 和 二 维 M T 反 演 结 合 起 来 ,取 得 了 有效 的 成 果 。 我 们 在 研 究 具 有 地 形 剖 分 的 M T 二 维正 演 的 基 础 上 ,给 最 小 二 乘 法 加 上 一 个 圆 滑 因 子 ,得到 模 型 的 正 则 化 的 解 。 这 种 二 维 反 演 方 法 用 于 地 形起 伏 的 数 据 二 维 反 演 ,取 得 了 较 好 的 反 演结 果 。1   二 维 数 据 反 演 方 法在 二 维 构 造 情 况 下 , 数 据 反 演 时 运 用奥 克 姆 反 演 法 [1 ,3 ,4 ] ,使 用 最 大 圆 滑 模 型 — — — 在 横 向和 纵 向 上 都 运 用 了 圆 滑 因 子 。在 离 散 情 况 下 ,观 测 数 据 与 模 型 之 间 的 关 系 可写 成 泛 函 形 式 , d = F ( m) + e ,其 中 d 为 观 测 数 据向 量 , F ( m) 为 正 演 函 数 , m 为 模 型 向 量 , e 为 观 测数 据 与 正 演 计 算 值 的 误 差 ,对 于 简 单 的 电 性 结 构 , F( m) 可 用 有 限 元 等 数 值 计 算 方 法 获 得 。在 同 时 考 虑 横 向 和 垂 向 圆 滑 程 度 的 情 况 下 ,定义 粗 度 矩 阵 为 ‖ 5 2 + ‖ 5 z m ‖ 2 。 y 为 垂直 构 造 走 向 方 向 , z 为 垂 直 向 下 方 向 。给 定 约 束 条 件 : ‖ W F ( m) ‖ 2 ,其 中W 是 加 权 对 角 矩 阵 , W = σ1, 1σ2, … , 1σM,σ 知 的 观 测 数 据 j = 1 ,2 , … , M ) 的 方 差 , M 是观 测 值 的 个 数 。 若 假 设 噪 声 是 不 相 关 的 ,且 假 设 服从 零 均 值 高 斯 分 布 ,即 为 不 相 关 数 : M 。引 入 拉 格 朗 日 乘 子 ,将 条 件 约 束 变 为 无 条 件 约束 ,目 标 函 数 为U ( m) = ‖ 5 2 + ‖ 5 z m ‖ 2 +      μ - 1{ ‖ W F ( m) ‖ 2 - 。式 中 的 μ - 1是 拉 格 朗 日 乘 子 。 对 于 上 式 求 m 的 极小 ,相 应 的 i + 1 次 迭 代 解 为1 = μ [ (5 T5 (5 z m) T5 z m +    ( wJ i) T ( wJ i) ] - 1 ( wJ i) T W d⌒i ,其 中 d⌒i = d - F ( J 。 J i 为 雅 可 比 矩 阵 的 元素 ,当 存 在 电 磁 场 的 解 析 解 时 ,可 由 解 析 解 获 得 ,否则 采 用 数 值 方 法 或 近 似 方 法 获 得 。收 稿 日 期 :2004 - 03 - 14第 28 卷 第 4 期 物   探   与   化   探 28 ,4  2004 年 8 月 ,2004  2   理 论 模 型 反 演图 1 是 对 山 脊 的 二 维 地 电 模 型 正 演 计 算 的 数 据进 行 有 无 地 形 限 制 的 二 维 地 电 模 型 反 演 结 果 。 图1a 是 二 维 正 演 模 型 ,山 脊 下 方 15 m 处 有 一 宽 30 m ,高 50 m 的 高 阻 体 ,电 阻 率 为 200 Ω · m ,围 岩 电 阻 率为 50Ω · m。 图 1b 是 用 图 1a 模 型 计 算 出 的 水 平 地形 (未 加 地 形 限 制 ) 二 维 反 演 电 阻 率 断 面 ,对 应 模 型高 阻 体 位 置 的 电 阻 率 却 为 低 阻 (小 于 16Ω · m) ,这 是由 于 水 平 模 型 反 演 时 ,地 形 影 响 造 成 的 。 而 图 1c 是带 有 地 形 的 地 电 模 型 反 演 结 果 的 断 面 ,其 形 态 和 正演 模 型 基 本 一 致 。 由 于 运 用 的 奥 克 姆 二 维 反 演 在 横向 、 纵 向 都 采 用 了 圆 滑 模 型 ,所 以 反 演 获 得 的 高 阻 体规 模 较 正 演 模 型 大 些 。图 1   有 无 地 形 限 制 的 二 维 地 电 模 型 反 演 结 果3   反 演 实 例秦 始 皇 陵 在 骊 山 北 麓 ,西 距 临 潼 县 城 5距 西 安 市 约 20 余 公 里 。 陵 墓 的 地 面 建 筑 早 已荡 然 无 存 ,仅 存 封 土 堆 ,其 上 遍 种 石 榴 树 ,陵 园 内 其他 部 位 也 布 满 了 绿 地 、 花 坛 和 树 林 。 陵 园 周 围 建 有围 墙 ,墙 外 不 均 匀 地 分 布 着 许 多 建 筑 物 。3. 1 物 性 条 件经 过 对 测 区 钻 孔 岩 石 、 土 样 电 阻 率 资 料 的 统 计分 析 得 出 :工 区 内 与 修 陵 有 关 的 扰 动 土 (夯 土 、 花 土 )与 未 扰 动 土 (黄 土 、 生 土 )的 电 阻 率 都 偏 低 ,它 们 的 变化 范 围 约 20~ 40Ω · m ,差 异 不 大 。 但 是 ,从 趋 势 看 ,若 湿 度 相 当 ,火 烧 过 的 陪 葬 坑 的 电 阻 率 略 高 于 一 般黄 土 、 生 土 ,没 有 火 烧 过 的 夯 土 和 陪 葬 墓 中 的 花 土 的电 阻 率 略 低 于 一 般 黄 土 、 生 土 ,差 异 往 往 不 到 1 倍 。未 扰 动 和 扰 动 土 中 含 砂 量 不 同 ,电 阻 率 值 也 不 同 ,砂质 土 的 电 阻 率 高 于 粘 土 。 陪 葬 坑 、 陪 葬 墓 中 的 夯 土 、花 土 与 围 土 的 含 砂 量 关 系 不 完 全 相 同 ,其 电 阻 率 差异 的 特 点 也 有 高 、 平 、 低 之 分 ,这 为 利 用 法勘 查 陪 葬 坑 、 陪 葬 墓 提 供 了 良 好 的 物 性 前 提 。砂 砾 石 层 的 电 阻 率 明 显 高 于 黄 土 ,其 差 异 从 数倍 到 近 于 一 个 数 量 级 ,这 为 利 用 法 勘 查 古河 床 和 “ 泥 石 流 ” 层 提 供 了 良 好 的 物 性 前 提 。 经 考 古探 明 当 时 以 青 膏 泥 用 作 阻 水 材 料 ,测 得 其 电 阻 率 为20~ 35Ω · m。 空 气 电 阻 率 很 高 ,土 中 的 空 洞 与 土 的电 阻 率 差 异 甚 大 ,这 为 使 用 法 勘 查 未 坍 塌墓 室 提 供 了 良 好 的 物 性 前 提 。从 以 上 资 料 表 明 ,不 同 岩 性 的 岩 土 间 存 在 一 定的 电 性 差 异 ,是 在 该 区 开 展 测 深 探 测 地 宫 、陪 葬 坑 (火 烧 )的 地 球 物 理 前 提 。3. 2   工 作 布 置 和 技 术 参 数在 试 验 中 , 置 的 测 线 有 在 穿 过 封 土 堆顶 部 的 122 线 和 封 土 堆 以 南 121 线 (与 122 线 偏 东 16m) 。 采 用 的 工 作 装 置 是 收 发 距 为 2 500 m ,接 收 极 距为 10 m ;参 加 二 维 反 演 的 频 率 从 8 192~ 16 . 3   计 算 及 试 验 结 果封 土 堆 顶 至 北 、 西 、 南 、 东 边 沿 的 落 差 分 别 为47、 42、 30、 36 m ,122 线 在 封 土 堆 的 高 差 为 47 m ,正演 模 型 是 以 三 角 单 元 方 式 进 行 网 格 剖 分 的 ,横 向 宽度 为 5 m ;纵 向 高 度 划 分 是 在 高 程 531. 6~ 480 m ,选定 2 m 的 间 距 ;高 程 480~ 450 m ,以 10 m 为 间 距 ;高 程 450~ 350 m ,间 距 以 10 m 的 0. 3 倍 递 增 进 行网 格 剖 分 。 所 有 单 元 电 阻 率 初 始 值 选 为 50 Ω · m。经 过 5 次 反 演 迭 代 结 果 ,121 线 反 演 拟 合 的 平 均 均方 误 差 为 ± 1. 89 Ω · m ,122 线 反 演 拟 合 的 平 均 均 方误 差 为 ± 1. 75Ω · m。122 线 反 演 结 果 如 图 2 所 示 ,图 2a 为 原 始 观 测的 卡 尼 亚 电 阻 率 断 面 ,由 于 地 形 影 响 ,在 山 顶 测 得 的卡 尼 亚 电 阻 率 值 较 低 ,一 般 小 于 15 Ω · m ,在 山 坡 和山 下 测 得 的 卡 尼 亚 电 阻 率 平 均 值 为 50Ω · m ,经 过 一维 圆 滑 反 演 后 结 果 如 图 2b 所 示 。 在 172~ 195 点 处的 已 知 火 烧 过 的 陪 葬 坑 群 反 映 为 高 阻 异 常 。 对 应 地宫 位 置 却 表 现 为 低 阻 异 常 ,和 图 1b 的 一 维 反 演 结 果相 似 ,是 地 形 影 响 造 成 的 。·423·O 国 家 863 计 划 “ 考 古 遥 感 与 地 球 物 理 综 合 探 测 技 术 ” 研 究 课题 第 二 子 课 题 “ 考 古 地 球 物 理 探 测 技 术 ” 总 报 告 部 分 成 果 , 探   与   化   探 28 卷  图 2   122 线 推 断 解 释图 2d 是 带 有 地 形 限 制 的 二 维 反 演 电 阻 率 断 面 ,它 清晰 地 反 应 出 以 下 几 个 电 阻 率 异 常 :在 120~ 123 点 处的 低 阻 异 常 ,与 已 知 的 阻 排 水 渠 青 膏 泥 位 置 一 致 ,其电 阻 率 值 为 20~ 35Ω · m ;在 120~ 134 点 处 有 一 向北 倾 斜 的 高 阻 异 常 ,其 电 阻 率 值 为 70~ 110Ω · m ,经打 钻 证 实 为 砂 砾 石 层 ;在 146 点 ~ 162 点 处 的 高 阻异 常 (50~ 110Ω · m) ,是 一 维 反 演 结 果 中 没 有 的 ,这个 异 常 对 应 着 地 宫 的 位 置 ,应 是 地 宫 的 反 映 。 根 据该 高 阻 异 常 的 边 界 可 估 计 地 宫 宽 度 约 90 m ,其 底 界大 致 在 高 程 440 m 处 ;在 172~ 195 点 处 的 高 阻 异常 ,其 电 阻 率 值 为 45~ 50Ω · m ,此 地 段 正 是 已 知 火烧 过 的 陪 葬 坑 群 ;在 204~ 214 点 处 ,高 程 400~ 440m 之 间 有 一 高 阻 异 常 层 ,可 能 为 砂 砾 石 层 ,其 电 阻 率值 为 35~ 90 Ω · m。 最 终 推 断 解 释 结 果 如 图 2e 所示 。图 3 给 出 了 1 - 1 线 的 二 维 反 演 结 果 ,图 3a 为原 始 观 测 的 卡 尼 亚 电 阻 率 断 面 ,图 3c 是 反 演 计 算 结果 ,其 结 果 表 明 在 350 m 以 上 的 地 层 大 致 为 低 — 高— 低 3 层 电 性 层 ,在 浅 部 表 层 土 的 电 阻 小 于 40 Ω ·m ,其 厚 度 为 15 m ;在 深 度 15~ 60 m 处 有 一 高 阻层 ,为 含 砾 砂 石 层 (“ 泥 石 流 ” 层 ) ,其 电 阻 率 值 为 35图 3   121 线 推 断 解 释~ 90Ω · m ;高 程 460~ 350 m 的 低 阻 电 性 层 ,其 电 阻值 约 为 20 Ω · m ,对 应 着 亚 砂 土 。 层 位 划 分 和 在 65点 处 验 证 钻 井 的 岩 心 电 阻 率 曲 线 基 本 吻 合 。在 浅 部 有 2 处 异 常 :79~ 83 点 为 相 对 低 阻 (20Ω · m) ,其 位 置 、 宽 度 与 考 古 资 料 中 已 知 的 南 城 门 一致 ,在 110~ 120 点 间 由 地 表 到 高 程 430 m 的 电 阻 率与 两 侧 电 阻 率 出 现 不 连 续 现 象 ,它 与 已 知 的 阻 排 水渠 位 置 吻 合 ;浅 部 17 m 的 高 阻 异 常 ,对 应 着 细 夯 土 ,其 下 部 的 低 阻 异 常 ,是 青 膏 泥 夯 层 的 反 应 。上 述 结 果 表 明 , 法 对 地 宫 、 陪 葬 坑 群 反应 为 高 阻 异 常 ,对 阻 排 水 渠 浅 部 反 应 为 高 阻 异 常 ,而对 其 深 部 和 南 城 门 表 现 为 低 阻 异 常 ,这 和 陕 西 考 古队 提 供 的 已 知 考 古 资 料 基 本 一 致 ,说 明 了 在 秦 始 皇 陵 测 区 考 古 勘 查 有 较 好 的 效 果 。4   结 束 语从 以 上 正 演 模 拟 、 理 论 数 据 反 演 结 果 表 明 ,基 于带 有 地 形 限 制 的 模 型 的 二 维 正 演 ,较 真 实 地 反 映 了正 演 模 型 的 地 电 结 构 。 对 实 测 数 据 进 行 的 反 演 ,较好 地 反 应 出 地 宫 、 陪 葬 坑 群 、 阻 排 水 渠 和 南 城 门 的 位置 ,结 果 与 实 际 地 质 资 料 基 本 吻 合 ,说 明 了 法 在 秦 始 皇 陵 测 区 考 古 勘 查 有 效 ,也 证 实 了 该 反 演方 法 有 很 好 的 实 用 效 果 。由 于 模 型 用 三 角 剖 分 ,剖 分 的 网 格 单 元 越 多 ,雅可 比 矩 阵 就 越 大 ,所 占 的 内 存 很 大 ,反 演 时 解 方 程 组需 要 的 时 间 就 越 多 。 由 于 计 算 机 内 存 的 限 制 ,无 法做 长 剖 面 数 据 反 演 ,尚 需 做 进 一 步 的 研 究 。本 项 工 作 得 到 刘 士 毅 教 授 级 高 工 热 情 指 导 和 帮助 ,在 此 表 示 感 谢 。·523·  4 期 雷 达 等 :复 杂 地 形 条 件 下 的 可 控 源 音 频 大 地 电 磁 测 深 数 据 二 维 反 演 技 术 及 应 用 效 果参 考 文 献 :[ 1 ]   E , A , G ,et at in J ] . 1993 ,58 (1) :12 - 19.[ 2 ]   . U :of ] . 1997 ,62 (2) :451 - 465.[3 ]   , . s to ] 1990 ,55 (12) :1613 - 1624.[4 ]   王 若 ,王 妙 月 . 可 控 源 音 频 大 地 电 磁 数 据 的 反 演 方 法 [J ] . 地 球物 理 学 进 展 ,2003 ,18 (2) :197 - X I 2 , 2 , L I 2 , 2 , . 100083 , 2. Ex x S , L 065000 , of in of is of of of 简 介 : 雷 达 (1966 - ) ,男 ,1989 年 毕 业 于 中 国 地 质 大 学 (武 汉 ) ,高 级 工 程 师 ,现 在 主 要 从 事 电 磁 法 方 法 技 术 研 究 和 应 用 工作 。兰 州 地 震 研 究 所 特 别 推 荐 — — —L 列 型 固 体 不 极 化 电 极L 列 型 固 体 不 极 化 电 极 是 中 国 地 震 局 兰 州 地 震 研 究 所研 制 成 功 的 高 新 科 技 产 品 ,于 1997 年 11 月 21 日 在 北 京 通 过 了专 家 鉴 定 。 主 要 结 论 是 :固 体 不 极 化 电 极 具 有 电 极 差 小 、 稳 定 性能 好 、 噪 声 低 、 频 带 宽 、 轻 便 耐 用 、 易 于 保 存 、 携 带 和 使 用 方 便 等特 点 ;在 载 体 选 择 、 配 方 研 究 、 技 术 性 能 等 方 面 都 具 有 创 新 性 ;与国 内 外 同 类 产 品 相 比 达 到 了 国 际 先 进 水 平 。登 载 刊 物 :《 中 国 石 油 石 化 工 程 技 术 和 物 装 手 册 》 第 2分 册 ,技 术 卷 2003 年 8 月 中 国 财 政 经 济 出 版 社 ) 。网 络 发 布 : 资 装 备 企 业 专 区 ) 。性 能 特 点 :电 解 质 为 固 体 ,一 次 装 配 ,长 期 使 用 ,勿 需 更 换 ;电 极 外 壳 为 全 ,在 使 用 过 程 中 即 使 跌 落 也 不 易 破 碎 ,壳 体 颜 色 明 显 ,便 于 识 别 。 目 前 已 研 制 出 使 用 期 为 1、 3、 5 年 ,直径 为 20~ 200 既 适 用 于 野 外 流 动 测 量 ,又 能 埋 入 地 下 长 期 观测 ,还 可 用 于 深 井 、 钻 孔 、 海 洋 、 水 上 等 电 法 探 测 的 系 列 型 不 极 化电 极 。技 术 指 标 :在 室 温 条 件 下 的 5 % 液 中 满 足 :1 对电 极 的 极 差 电 位 ≤ 1 24 h 内 极 差 漂 移 ≤ 0. 1 10 周 期 噪 声 ≤ 0. 01 频 率 响 应 范 围 0~ 10 电 极重 量 约 0. 5 50) ;使 用 温 度 范 围 - 20~ 40 ℃ 。该 电 极 目 前 已 在 各 个 领 域 得 到 了 广 泛 的 应 用 ,并 取 得了 明 显 的 社 会 经 济 效 益 。 实 践 证 明 :与 国 内 外 电 极 相 比 ,我们 产 品 的 突 出 优 点 是 性 能 稳 定 ,使 用 可 靠 ,质 优 价 廉 。联 系 人 :   陆 阳 泉联 系 地 址 :   兰 州 市 东 岗 西 路 410 号邮 政 编 码 :   730000联 系 电 话 :   (0931) 8269948 ;13679430968·623· 物   探   与   化   探 28 卷  
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