坑-井地大地電磁場非線性共軛梯度二維反演方法
2023-06-07 10:23:11 1
專利名稱：坑-井地大地電磁場非線性共軛梯度二維反演方法
技術領域：
本發明涉及大地電磁測深方法的處理技術領域，具體地說是一種坑-井地大地電磁場非線性共軛梯度二維反演方法。
背景技術：
目前大地電磁測深方法已經發展得十分成熟，在礦產資源、地熱、石油勘查以及地球深部構造等領域有重要的應用。但隨著國家經濟的發展和基礎設施的建設，工業、人文等因素對大地電磁場的影響越來越嚴重，導致地表天然場的採集工作日趨困難。雖然國內外科學家在大地電磁信號去噪領域有很多研究成果，但仍然存在很多難以消除的噪聲，這些噪聲嚴重影響著後期的數據處理結果。另一方面，隨著經濟發展和資源使用量不斷增加，淺層礦產資源日近枯竭，在礦區尋找隱伏礦床以及在危機礦山尋找新的礦床已經成為目前中國礦產資源勘探的重要任務。而礦區現有的巷道和鑽井為井地大地電磁場的採集提供了空間。大地電磁場傳播到地下時，雖然有一定的能量損失，卻能夠保持完整信息。但是地表的人工電磁場噪音卻很難在地下傳播的很遠。所以在地下巷道或者鑽井進行大地電磁場勘探，將測點布置在地下介質中，可以有效的避免人工場源噪聲的幹擾，減少去噪計算帶來的數學誤差。目前的大地電磁場二維反演方法僅支持地表探測數據和海底探測數據的反演計算，而隨著現今民用、軍用、礦區等電力設施的建立和完善，地表的大地電磁場受到了嚴重的電磁幹擾，採集得到的數據中包含了很強的幹擾信息，使用這種數據進行反演計算，不能準確反映地下電性結構，而是反映出包含了很多幹擾場源的電性結構。並且海洋中存在的洋流、密度流以及其他海水運動會對海底測點的數據造成很大的影響，從而使反演結果的準確性受到很大限制。鑑於上述現有的大地電磁場二維反演方法中存在的問題和缺陷，本發明人依靠多年的工作經驗和豐富的專業知識積極加以研究和創新，最終發明了一種坑-井地大地電磁場非線性共軛梯度二維反演方法，以解決現有技術存在的問題。
發明內容
為了解決現有技術中存在的上述問題，本發明提供了一種坑-井地大地電磁場非線性共軛梯度二維反演方法，避免了地表以及海底表面的多種電磁場幹擾對數據反演結果的影響。為了解決上述技術問題，本發明採用了如下技術方案坑-井地大地電磁場非線性共軛梯度二維反演方法，包括如下步驟a.建立二維模型；b.計算全網格電場和磁場，各頻點各測點模型正演響應，即視電阻率和阻抗相位；c.判斷目標函數值是否滿足要求，當目標函數值滿足要求時結束迭代，否則進入下一步；d.計算目標函數梯度，並且通過預處理得到求解位於測點以及測點以下的模型網格節點電阻率改變量的查找方向，及求解模型改變量的查找步長；e.修正模型,並返回步驟b。進一步,步驟a中用笛卡爾坐標系中的X方向表示構造走向方向，用y方向表示模型橫向方向，Z方向表不模型縱向方向，並且大地電磁場分為電場平行極化(TE)模式和磁場平行極化(TM)模式兩種極化模式，其中電場平行極化模式加入一個很厚的空氣層約束場值變化，使得模型頂界面處電場I方向場值分量為常數。進一步，步驟b中大地電磁場各分量分解成彼此獨立的兩組磁場平行極化(TM) 模式，包含Hx、Ey和Ez分量；電場平行極化模式,包含Ex、Hy和Hz分量，電磁場不同模式下有限差分公式如下TM 模式
H —2H'. H H H.. -2Hy I- Hr"。；-+^^ = -imHXu
aiJij0IjKj' (7)TE 模式
E — IE + E E_ — IE + E—^— +-#- =
(8)其中i表示網格剖分的行角標i = N0, N0+1, N0+2. ..N,N0為地形在z方向的初始節點，j表示網格剖分的列角標J=Mtl, M0+1, M0+2,... M，Mtl為地形在y方向的初始節點，li;j為(i, j)節點橫向網格寬度，」為(i，j)節點縱向網格寬度，μ近似為真空磁導率，ω=2 3 為角頻率，f為頻率，係數i = P，測點位於地下時，將測點上、下空間結合起來整體剖分，使節點有序排列，^upsap&downsap^upsap&downsap ^upsap (9)其中，角標upsap表示巷道上覆地層參數,角標downsap表示巷道下浮地層參數,K為總剛度矩陣，地下空間所有網格節點元素為相應的電場或磁場場值，是包含所有網格節點場值的矢量；s為包含邊界條件和源信息的矢量，
(^Il採用第三類邊界條件，側邊界要求# = 0 = O、上邊界要求E (H)為常數，下
^V ^) j
HJl
邊界要求f=ζ #=ζ —\其中Zn為下邊界上的表面阻抗；y (.丨』 )，設所有網格節點處的場值為向量X，按照式(7)和(8)得到兩種模式的總剛度矩陣A，再分別利用邊界條件得到矢量B，即可通過AX=B,分別得到兩種模式的場值，即Ex和Hx ；取巷道底邊界上的節點場值，計算地下節點的視電阻率和阻抗相位，即TM 模式
K 2Pa = - ωμ ,θ = θ -ΘΗ
Η> 》(12)TE 模式權利要求
1.坑-井地大地電磁場非線性共軛梯度二維反演方法，其特徵在於，包括如下步驟 a.建立二維模型； b.計算全網格電場和磁場，各頻點各測點模型正演響應，即視電阻率和阻抗相位； c.判斷目標函數值是否滿足要求，當目標函數值滿足要求時結束迭代，否則進入下一I K少; d.計算目標函數梯度，並且通過預處理得到求解位於測點以及測點以下的模型網格節點電阻率改變量的查找方向，及求解模型改變量的查找步長； e.修正模型，並返回步驟b。
2.根據權利要求I所述的坑-井地大地電磁場非線性共軛梯度二維反演方法，其特徵在於，步驟a中用笛卡爾坐標系中的X方向表示構造走向方向，用y方向表示模型橫向方向，z方向表不模型縱向方向，並且大地電磁場分為電場平行極化(TE)模式和磁場平行極化(TM)模式兩種極化模式，其中電場平行極化模式加入一個很厚的空氣層約束場值變化，使得模型頂界面處電場y方向場值分量為常數。
3.根據權利要求I所述的坑-井地大地電磁場非線性共軛梯度二維反演方法，其特徵在於，步驟b中大地電磁場各分量分解成彼此獨立的兩組磁場平行極化(TM)模式，包含Hx、Ey和Ez分量；電場平行極化(TE)模式，包含Ex、Hy和Hz分量，電磁場不同模式的有限限差分公式如下 TM模式
4.根據權利要求I所述的坑-井地大地電磁場非線性共軛梯度二維反演方法，其特徵在於，步驟d中空氣層和測點上覆地層在整個正、反演過程中電阻率保持不變，反演問題表示成如下式
5.根據權利要求I所述的坑-井地大地電磁場非線性共軛梯度二維反演方法，其特徵在於，目標函數值包括由野外採集數據得到的視電阻率、阻抗相位與模型響應的偏差和當前迭代電阻率與初始模型電阻率的差，目標函數值的標準偏差達到數據誤差水平即為目標函數值滿足要求。
全文摘要
本發明公開了一種坑-井地大地電磁場非線性共軛梯度二維反演方法，包括如下步驟a.建立二維模型；b.計算全網格電場和磁場，各頻點各測點模型正演響應；c.判斷目標函數值是否滿足要求，當目標函數值滿足要求時結束迭代，否則進入下一步；d.計算目標函數的梯度，進行預處理計算，得到求解位於測點以及測點以下的模型網格節點電阻率改變量的查找方向，及模型改變量的查找步長；e.修正模型，並返回步驟b。本發明實現了測點位於地下的數據反演計算，為避免地表以及海洋中的多種電磁幹擾對採集數據的影響提供了理論基礎。
文檔編號G01V3/38GK102798897SQ20121029731
公開日2012年11月28日 申請日期2012年8月20日 優先權日2012年8月20日
發明者張昆, 嚴加永, 金勝, 董浩, 呂慶田, 魏文博, 孟貴祥 申請人:中國地質科學院礦產資源研究所, 張昆