一种磁全张量梯度反演地下三维磁性分布的波数域方法技术

本发明专利技术公开了一种磁全张量梯度反演地下三维磁性分布的波数域方法及其应用。该方法包括如下步骤：读入研究区域已知先验信息以及观测磁全张量梯度异常；设置反演参数，反演深度范围与步长等；对观测磁全张量梯度异常进行约束反演，得到磁三维网格模型；对其正演得到理论磁全张量梯度异常；将理论异常与观测异常相减，得到理论异常残差；若异常残差的最小范数解不满足误差限，则对异常残差进行反演得到异常残差模型，更新磁三维网格模型，继续重复前述步骤，直到异常残差满足要求，最终的磁三维网格模型为反演的解。本发明专利技术可反映地下空间地质体磁性(磁化率或磁化强度)三维分布，对于提高大数据体三维反演效率和精细地质模拟具有应用价值。

A wavenumber domain method for inversion of magnetic distribution in underground three dimensional magnetic tensor gradient

The invention discloses a wavenumber domain method for inversion of underground three-dimensional magnetic distribution by magnetic full tensor gradient and its application. The method includes the following steps: reading in the known prior information of the study area and observing the magnetic total tensor gradient anomaly; setting inversion parameters, inversion depth range and step size; constrained inversion of the observed magnetic total tensor gradient anomaly to obtain the magnetic three-dimensional grid model; forward modeling of the theoretical magnetic total tensor gradient anomaly; If the minimum norm solution of the anomaly residuals does not satisfy the error limit, then the anomaly residuals are inverted to obtain the anomaly residuals model, and the magnetic three-dimensional mesh model is updated, and the aforementioned steps are repeated until the anomaly residuals satisfy the requirements, and the final magnetic three-dimensional mesh model is established. The inverse solution. The invention can reflect the three-dimensional distribution of magnetism (susceptibility or magnetization) of geological bodies in underground space, and has application value for improving the three-dimensional inversion efficiency of large data bodies and fine geological simulation.

【技术实现步骤摘要】
一种磁全张量梯度反演地下三维磁性分布的波数域方法
本专利技术涉及地球物理勘探技术，具体是一种磁全张量梯度反演地下三维磁性分布的波数域方法。
技术介绍
磁力方法是地球物理方法的主要分支之一，长期在资源勘查、工程勘察与区域构造研究中发挥着重要作用。磁力位场的正演和反演是磁力数据处理及其相应地质解释的主要途径。所谓正演即已知地下场源体的几何参数和物性参数(磁化强度或磁化率)，通过数学计算获得观测面上的理论磁场异常。而反演与之相反，即已知观测面磁场异常，通过计算进而获取地下磁源体的空间三维展布以及物性分布。磁力位场的正演是反演的基础，磁力位场的反演则是解决地下地质异常体相关构造解释的重要目的。磁全张量梯度与磁三分量、磁总场异常相比，其受环境磁场影响小、能够更高分辨率地刻画磁性体的几何形态以及地下半空间三维分布情况。通过磁全张量梯度异常数据能够获得更多的反映场源特点及细节信息，甚至可以直接反应某些测量对象的磁矩矢量信息，此外，磁全张量梯度数据处理可以很好的描述目标体的磁化方向、走向等信息，可以促进精细地质解释。因此,近年来磁全张量梯度测量越来越流行，应用渐广。三维物性反演是当前重磁数据处理解释研究的热点和发展趋势，用于给出地下空间的三维物性分布。三维物性反演技术通过利用地面或航空等实测数据，推断出磁性体(金属矿体、火成岩体、隐伏爆炸物、隐伏金属文物等)物性参数、几何参数及其在地下半空间的分布情况，从而达到寻找目标地质体的目的。该技术定位能力强，分辨率高，已成为地质填图、区域地质构造研究、金属矿勘探、工程勘察、考古等领域的关键技术。该技术应用三维网格模型来模拟近似地下的三维全空间，即将地下三维全空间剖分为众多规则排列、大小相等的长方体体积元，但各长方体的物性值(密度、磁化强度或磁化率)并不相同且是未知的、待反演计算的。三维物性反演主要通过反复的三维网格模型正演计算及迭代拟合来获取地下三维物性分布。三维网格模型的正演和反演一般采用空间域算法，正演即利用空间域的数学解析式正演计算三维网格模型每个长方体在观测面上任意测点引起的重磁场，而观测面上每个测点的重磁场是由正演计算得到的所有立方体在该点引起的重磁场的累加求和，而反演则是正演的逆过程，即根据已知异常数据，通过反演，进而得到地下半空间磁性体分布情况。空间域算法具有计算简单、容易实现等优点，但同时也存在计算量大、效率低下、内存占用率高、存在边缘效应等缺点，直接影响反演效率和效果。波数域算法是地球物理数据处理常用的快速算法，与空间域算法相比，它具有计算简单、速度快的优点，在磁力数据处理解释中得到广泛应用。总体来讲，传统三维磁力反演采用空间域算法，计算简单，但计算量大，对于大数据体模型反演效率低下。磁全张量梯度三维反演的波数域方法对提高反演精度和效率、促进精细地质解释具有重要意义。
技术实现思路
为了快速重建地下空间的三维物性分布，通过利用地面或航空等实测磁全张量梯度异常数据，推断出磁性体(金属矿体、火成岩体、隐伏爆炸物、隐伏金属文物等)物性参数、几何参数及其在地下半空间的分布情况，从而达到寻找目标地质体的目的。该技术定位能力强，分辨率高，已成为地质填图、区域地质构造研究、金属矿勘探、工程勘察、考古等领域的关键技术。本专利技术提供一种磁全张量梯度反演地下三维磁性分布的波数域方法；本专利技术利用研究区内实测磁全张量梯度异常数据以及研究区内先验信息，通过对已知观测异常数据进行波数域迭代反演，不断更新磁模型数据，最终获得满足误差限的磁三维网格模型数据。本专利技术是通过以下技术方案实现的：一种磁全张量梯度反演地下三维磁性分布的波数域方法,所述方法首先对该研究区域观测磁全张量梯度异常进行反演，进而获得磁三维网格模型数据；然后，对模型数据进行正演，得到理论磁全张量梯度异常；将其与实际观测数据相减得到理论异常残差，若异常残差的最小范数解不满足误差限，则对异常残差进行反演得到异常残差模型，重复上述步骤，不断更新磁模型数据，最终获得满足误差限的磁三维网格模型数据，重建地下半空间磁性体的三维分布；进一步地，所述方法包括如下步骤：S1：根据该研究区的先验信息，获得该区磁倾角、磁偏角、磁性体物性范围及上下界面埋深；S2：设置反演滤波参数、反衰减因子、反演深度范围及步长；S3：对观测全张量梯度异常Tobs进行波数域三维快速约束反演，得到磁三维网格模型数据M，并根据先验信息对其进行物性约束；S4：再对得到的三维网格数据M进行波数域三维快速正演，进而获得磁全张量梯度异常Tcal；S5：将理论异常与观测异常相减，得到理论异常残差δT；S6：判断异常残差δT的最小范数解是否满足误差限，若不满足，通过对异常残差δT反演得到异常残差模型δM，并更新模型M＝M+δM，再重复前述步骤，直至满足误差限，最终得到磁三维网格模型数据；进一步地，所述S3中波数域三维快速反演的过程具体为：S311:对该研究区观测磁全张量梯度异常Tobs进行等间距网格化；S312：根据两个方向上测点数量，选取接近最大值的2的整数次幂进行扩边；S313：对扩边后的观测异常数据进行二维傅里叶变换，得到观测异常频谱；S314：将观测异常频谱与反演滤波因子以及界面约束因子相乘，然后对其进行二维反傅里叶变换，并同时进行消边，最终获得三维网格模型数据Tcal；进一步地，所述S314中反演滤波因子可由如下公式计算得到：其中：为磁场强度分布方向矢量；T为地磁场强度；kx，ky分别为x，y的波数；n为滤波函数斜率，n∈(0,10)；z为反演深度；N为反衰减因子，初始为1，在每次迭代中增加0.5；为全张量梯度因子；进一步地，所述S314中界面约束因子可由如下公式计算得到：其中：α＝0.001为界面约束因子最佳参数值；r为界面约束因子斜率；zrange为反演的深度范围；ztop，zbottom分别为磁性体上下界面埋深；z为反演深度；进一步地，所述S3中物性约束过程具体为：S321：根据该研究区内的先验信息，获得磁性体的磁化率范围(κ1～κ2)；S322：对于磁三维网格模型M，遍历每个网格单元，当磁化率值小于κ1时，修改反演的磁化率值，使其磁化率强制等于κ1，当磁化率值大于κ2时，修改反演的磁化率值，使其磁化率强制等于κ2；进一步地，所述S4中波数域三维快速正演的过程具体为：S41：根据三维网格模型数据M三个方向上的测点数量，选取接近最大值的2的整数次幂进行扩边；S42：对扩边后的三维网格模型进行三维傅里叶变换，得到三维网格模型频谱；S43：将三维网格模型频谱与相应的正演滤波因子相乘，得到三维全张量梯度异常频谱；S44：对S43中获得的三维全张量梯度异常频谱进行三维反傅里叶变换，并对其进行消边，进而获得空间域三维全张量梯度异常，提取相应观测面的理论三维全张量梯度异常Tcal；进一步地，所述S43中正演滤波因子可由如下公式计算得到：其中：为磁场强度分布方向矢量；T为地磁场强度；kx，ky，kz分别为x，y，z的波数；为全张量梯度因子；本专利技术的有益效果如下：1)本专利技术使用实测磁全张量梯度异常进行反演，通过磁全张量梯度异常数据能够获得更多的反映场源特点及细节信息，提高计算精度；2)本专利技术应用三维网格模型来模拟近似地下磁性体三维分布情况；3)本专利技术采用波数域算法，它具有计算简单本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种磁全张量梯度反演地下三维磁性分布的波数域方法，所述方法用于推断地下地质体形状、产状、深度和磁性参数等，其特征在于，所述方法利用研究区内实测磁全张量梯度异常数据以及研究区内先验信息，通过对已知观测异常数据进行波数域迭代反演，不断更新磁模型数据，获得满足误差限的磁三维网格模型数据，进而重建地下半空间磁性体的三维分布，从而实现目标地质体的推断。

【技术特征摘要】
2017.07.31 CN 20171064311601.一种磁全张量梯度反演地下三维磁性分布的波数域方法，所述方法用于推断地下地质体形状、产状、深度和磁性参数等，其特征在于，所述方法利用研究区内实测磁全张量梯度异常数据以及研究区内先验信息，通过对已知观测异常数据进行波数域迭代反演，不断更新磁模型数据，获得满足误差限的磁三维网格模型数据，进而重建地下半空间磁性体的三维分布，从而实现目标地质体的推断。2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述方法包括：S1：根据该研究区的先验信息，获得该区磁倾角、磁偏角、磁性体物性范围及上下界面埋深；S2：设置反演滤波参数、反衰减因子、反演深度范围及步长；S3：对观测全张量梯度异常Tobs进行波数域三维快速约束反演，得到磁三维网格模型数据M，并根据先验信息对其进行物性约束；S4：再对得到的三维网格数据M进行波数域三维快速正演，进而获得理论磁全张量梯度异常Tcal；S5：将理论异常与观测异常相减，得到理论异常残差δT；S6：判断异常残差δT的最小范数解是否满足误差限，若不满足，通过对异常残差δT反演得到异常残差模型δM，并更新模型M＝M+δM，再重复前述步骤，直至满足误差限，最终得到磁三维网格模型数据。3.根据权利要求2所述方法，其特征在于，所述S3中波数域三维快速反演的过程具体为：S311:对该研究区观测磁全张量梯度异常Tobs进行等间距网格化；S312：根据两个方向上测点数量，选取接近最大值的2的整数次幂进行扩边；S313：对扩边后的观测异常数据进行二维傅里叶变换，得到观测异常频谱；S314：将观测异常频谱与反演滤波因子以及界面约束因子相乘，然后对其进行二维反傅里叶变换，并同时进行消边，最终获得三维网格模型数据Tcal。4...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭良辉，崔亚彤，
申请(专利权)人：中国地质大学北京，
类型：发明
国别省市：北京,11