基于不同約束條件的瞬變電磁快速三維反演方法
【技術(shù)領域】
[0001] 本發(fā)明涉及地球物理勘探技術(shù)地下地質(zhì)體探測技術(shù)領域，尤其涉及一種基于不同 約束條件的瞬變電磁快速三維反演方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 瞬變電磁法利用接地電極或不接地回線向地下發(fā)射雙極性脈沖電流，地下介質(zhì)在 其激發(fā)下的感應渦流產(chǎn)生隨時間變化的二次場，在一次場的間歇期，使用接收線圈測量磁 場信號，通過對二次場信號的提取和分析，從而達到探測地下地質(zhì)體的目的。目前作為主要 的非地震方法之一，廣泛應用于油氣、礦產(chǎn)等地下資源探測領域。瞬變電磁數(shù)據(jù)的反演解釋 工作是瞬變電磁法勘探中的重要環(huán)節(jié)。由于高維正演算法的復雜性，多維反演問題尚未妥 善解決，實際應用中，對瞬變電磁數(shù)據(jù)的解釋工作主要集中在一維反演。
[0003] 但是高維反演能夠提供更為精細的地電結(jié)構(gòu)信息，目前，隨著計算技術(shù)的發(fā)展，國 外已經(jīng)開展三維反演工作，主要利用積分方程法和有限元法等方法實現(xiàn)嚴格三維正反演。 瞬變電磁的嚴格三維反演方法受限于復雜的三維正演算法，數(shù)據(jù)量巨大，占用資源過多，在 普通計算機上幾乎無法運行，同時嚴格三維反演的運算速度緩慢，需要幾個小時甚至幾天 才能完成三維反演，由于這些限制，嚴格三維反演還不能真正投入實際應用，也無法實時進 行瞬變電磁數(shù)據(jù)的解釋。因此，本領域技術(shù)人員需要迫切解決的一個技術(shù)問題就是:如何實 現(xiàn)一種可投入應用的三維反演方法，能夠高效及準確地反演出地下異常目標體。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] (一)要解決的技術(shù)問題
[0005] 為了解決現(xiàn)有的三維反演方法中存在的數(shù)據(jù)量大、運算速度慢、難以投入應用的 技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種基于不同約束條件的瞬變電磁快速三維反演方法。
[0006] (二)技術(shù)方案
[0007] 根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種基于不同約束條件的瞬變電磁快速三維反演 方法，包括:步驟A:在地面上鋪設發(fā)射裝置和接收點，設定地下異常區(qū)域，將異常區(qū)域劃分 為立方體形狀的微元，根據(jù)發(fā)射裝置、接收點以及微元的幾何參數(shù)計算幾何耦合因子矩陣； 步驟B:發(fā)射裝置發(fā)射電流信號，電流關斷后，各個接收點采集磁場數(shù)據(jù)，然后采用均勻大地 模型，將采集的磁場數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為視電導率深度圖；步驟C:根據(jù)瞬變電磁一階矩變換，基于視 電導率深度圖和測量磁場數(shù)據(jù)獲取接收點處的異常區(qū)域的參考一階矩;步驟D:構(gòu)建反演中 時間常數(shù)向量的約束條件;步驟E:基于異常區(qū)域的參考一階矩及其誤差、微元對應的時間 常數(shù)向量以及幾何耦合因子矩陣構(gòu)建反演運算的目標函數(shù);步驟F:基于微元對應的時間常 數(shù)向量的約束條件，采用最優(yōu)化算法對反演運算的目標函數(shù)進行迭代；以及步驟G:判斷迭 代后的目標函數(shù)是否收斂，若收斂，則保存最優(yōu)化時間常數(shù)向量作為反演最終結(jié)果，即τ = (11，^_，1以，否則，返回步驟?執(zhí)行，其中，^是異常區(qū)域內(nèi)第1^個微元的電導率對應的時 間常數(shù)，根據(jù)時間常數(shù)向量的反演最終結(jié)果得到異常體的位置和體積。
[0008] (三)有益效果
[0009] 從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明的基于不同約束條件的瞬變電磁快速三維反演 方法具有以下有益效果：
[0010] (1)采用了基于瞬變電磁矩變換的數(shù)據(jù)處理方法，使得三維反演過程處理的數(shù)據(jù) 量大幅降低，加快了運算速度，并且使三維反演能夠在普通計算機上運行；
[0011] (2)采用了簡化的三維正演算法，從而使反演過程中正演部分的運算加快；
[0012] (3)采用了基于約束條件的最優(yōu)化算法，使反演過程向貼近于實際地下結(jié)構(gòu)的方 向優(yōu)化，提高了探測精度。
【附圖說明】
[0013] 圖1為仿真計算模型的三維幾何示意圖；
[0014] 圖2為發(fā)射線框和接收測線的二維布局圖；
[0015] 圖3為本實施例快速三維反演方法的流程圖；
[0016] 圖4為仿真的瞬變電磁測量數(shù)據(jù)的CDI切面圖；
[0017]圖5為測量數(shù)據(jù)一階矩、背景一階矩、異常區(qū)域一階矩在各條測線上曲線圖；
[0018] 圖6為無約束條件的反演時間常數(shù)切面圖；
[0019] 圖7為⑶I起始模型的反演時間常數(shù)切面圖；
[0020] 圖8為電導率加權(quán)值的切面圖；
[0021] 圖9為采用電導率加權(quán)的反演時間常數(shù)切面圖；
[0022] 圖10為深度加權(quán)值的切面圖；
[0023]圖11為采用深度加權(quán)的反演時間常數(shù)切面圖；
[0024]圖12為矩形大定源回線觀測裝置示意圖。
【具體實施方式】
[0025]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照 附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。需要說明的是，在附圖或說明書描述中，相似或相同的部 分都使用相同的圖號。附圖中未繪示或描述的實現(xiàn)方式，為所屬技術(shù)領域中普通技術(shù)人員 所知的形式。另外，雖然本文可提供包含特定值的參數(shù)的示范，但應了解，參數(shù)無需確切等 于相應的值，而是可在可接受的誤差容限或設計約束內(nèi)近似于相應的值。實施例中提到的 方向用語，例如"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"等，僅是參考附圖的方向。因此，使用的方 向用語是用來說明并非用來限制本發(fā)明的保護范圍。
[0026]本發(fā)明采用了一種基于不同約束條件的瞬變電磁快速三維反演方法，通過簡化的 三維正演算法，將復雜的非線性嚴格反演問題轉(zhuǎn)換成簡單的線性反演問題;為了解決直接 反演不能給出合理的結(jié)果，引入不同約束條件，快速、準確地實現(xiàn)了地下異常體的三維反 演。
[0027] 在本發(fā)明的一個示例性實施例中，提供了一種對帶有Marco模塊的Emit Maxwell 軟件的仿真瞬變電磁數(shù)據(jù)實施快速三維反演的方法。Marco模塊由澳大利亞聯(lián)邦科學工業(yè) 研究院(CSIR0)開發(fā)，該模炔基于三維積分方程，可以計算層狀大地中含有多個棱柱體異常 目標的瞬變電磁響應。
[0028] 圖1為仿真計算模型的三維幾何示意圖，如圖所示，在電導率為lmS/m均勻大地背 景中放置電導率為lS/m的平板異常體，平板大小為800EX800NX300Z(東西向800米X南北 向800米X深度300米），其中，E，N，Z分別代表東西向、南北向、深度向，該平板的上表面中心 坐標為（0E，0N，-400Z) 〇
[0029] 圖3為本實施例快速三維反演方法的流程圖。請參照圖3,本實施例包括：
[0030] 步驟A，在地面上鋪設發(fā)射裝置和接收點，設定地下異常區(qū)域，將異常區(qū)域劃分為 立方體形狀的微元，根據(jù)發(fā)射裝置、接收點以及微元的幾何參數(shù)計算幾何耦合因子矩陣； [00 31 ]步驟A具體包括：
[0032]子步驟A1:在被探測區(qū)域設置發(fā)射裝置和接收點；
[0033] 具體而言，該子步驟A1具體包括:在地面上鋪設矩形大定源線框，線框中心位于 (0E，ON，0Z)，線框邊長為500米X 500米，在南北向上從-500N到500N均勻分布11條接收測 線，測線間距為1 〇〇m，每條測線的走向從-1000E到1000E，均勻分布有21個接收點，共有接收 點 N=231〇
[0034] 在本實施例中，發(fā)射裝置為矩形大定源發(fā)射線框。圖2為發(fā)射線框和接收測線的二 維布局圖。
[0035]子步驟A2:將異常區(qū)域劃分為微元，其中，該異常區(qū)域為被探測區(qū)域內(nèi)可能存在異 常體的目標區(qū)域;具體而言，該子步驟A2具體包括:設定反演中異常區(qū)域范圍為-1000E到 1000E(東西向的-1000米至+1000米），-500N到500N(南北方向的-500米至+500米），-2000Z 到-200Z(深度方向的-200米至-2000米），將異常區(qū)域劃分為K個邊長為25m的立方體微元， 微元總數(shù)量K = 230400;
[0036]子步驟A3:根據(jù)發(fā)射裝置、接收點以及微元的幾何參數(shù)計算幾何耦合因子矩陣，幾 何親合因子矩陣Gnk為：
[0038]上式中，&表示第k個微元中心指向第η個接收點的單位方向矢量，0,表示入射到 第k個微元的一次場的單位方向矢量，Vk表示第k個微元的體積，Bo,k表示入射到第k個微元 一次場幅度，rnk表示第k個微元到第η個接收點的距離。
[0039] 本實施例中，子步驟A3的幾何耦合因子矩陣Gnk大小為231 Χ230400;
[0040]本實例中，幾何耦合因子矩陣占用的儲存空間為390MB。該幾何耦合因子矩陣與瞬 變電磁測量數(shù)據(jù)無關，它只與發(fā)射接收的幾何位置信息有關，因此，該矩陣可以在測量之前 就計算完成，在實施迭代反演中作為一個加載數(shù)據(jù)項；
[0041] 步驟B:發(fā)射裝置發(fā)射電流信號，電流關斷后，各個接收點采集磁場數(shù)據(jù)，然后采用 均勻大地模型，將采集的磁場數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為視電導率深度圖（CDI):
[0042] 圖4為仿真的瞬變電磁測量數(shù)據(jù)的CDI切面圖，從圖中可以看出，高電導率區(qū)域一 定程度反應了平板異常體的位置，但是高電導率區(qū)域的底部位置遠遠超出了實際平板異常 體的底部。從CDI中可以獲取起始時間ti和截止時間t n處的視電導率σ#Ρση，并估算背景電 導率〇bg。該CDI可以用于計算CDI起始模型和電導率加權(quán)值，在實地測量數(shù)據(jù)反演中，CDI也 可以作為參考，驗證反演結(jié)果的可靠性；
[0043] 步驟C，根據(jù)瞬變電磁一階矩變換，基于視電導率深度圖（CDI)和測量磁場數(shù)據(jù)獲 取接收點處的異常區(qū)域的參考一階矩；
[0044] 瞬變電磁一階矩變換定義為：
[0046]即磁場響應從0時刻到％的積分。瞬變電磁阻性限制在時