基于不同約束條件的瞬變電磁快速三維反演方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及地球物理勘探技術地下地質體探測技術領域，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】
[0002] 瞬變電磁法利用接地電極或不接地回線向地下發射雙極性脈沖電流，地下介質在 其激發下的感應渦流產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、礦產等地下資源探測領域。瞬變電磁數據的反演解釋 工作是瞬變電磁法勘探中的重要環節。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，對瞬變電磁數據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構信息，目前，隨著計算技術的發展，國 外已經開展三維反演工作，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，數據量巨大，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 行瞬變電磁數據的解釋。因此，本領域技術人員需要迫切解決的一個技術問題就是:如何實 現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。

【發明內容】

[0004] (一)要解決的技術問題
[0005] 為了解決現有的三維反演方法中存在的數據量大、運算速度慢、難以投入應用的 技術問題，本發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)技術方案
[0007] 根據本發明的一個方面，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:在地面上鋪設發射裝置和接收點，設定地下異常區域，將異常區域劃分 為立方體形狀的微元，根據發射裝置、接收點以及微元的幾何參數計算幾何耦合因子矩陣； 步驟B:發射裝置發射電流信號，電流關斷后，各個接收點采集磁場數據，然后采用均勻大地 模型，將采集的磁場數據轉換為視電導率深度圖；步驟C:根據瞬變電磁一階矩變換，基于視 電導率深度圖和測量磁場數據獲取接收點處的異常區域的參考一階矩;步驟D:構建反演中 時間常數向量的約束條件;步驟E:基于異常區域的參考一階矩及其誤差、微元對應的時間 常數向量以及幾何耦合因子矩陣構建反演運算的目標函數;步驟F:基于微元對應的時間常 數向量的約束條件，采用最優化算法對反演運算的目標函數進行迭代；以及步驟G:判斷迭 代后的目標函數是否收斂，若收斂，則保存最優化時間常數向量作為反演最終結果，即τ = (11，^_，1以，否則，返回步驟?執行，其中，^是異常區域內第1^個微元的電導率對應的時 間常數，根據時間常數向量的反演最終結果得到異常體的位置和體積。
[0008] (三)有益效果
[0009] 從上述技術方案可以看出，本發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據處理方法，使得三維反演過程處理的數據 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化算法，使反演過程向貼近于實際地下結構的方 向優化，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據的CDI切面圖；
[0017]圖5為測量數據一階矩、背景一階矩、異常區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切面圖；
[0019] 圖7為⑶I起始模型的反演時間常數切面圖；
[0020] 圖8為電導率加權值的切面圖；
[0021] 圖9為采用電導率加權的反演時間常數切面圖；
[0022] 圖10為深度加權值的切面圖；
[0023]圖11為采用深度加權的反演時間常數切面圖；
[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]為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照 附圖，對本發明進一步詳細說明。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方式，為所屬技術領域中普通技術人員 所知的形式。另外，雖然本文可提供包含特定值的參數的示范，但應了解，參數無需確切等 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明的保護范圍。
[0026]本發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果，引入不同約束條件，快速、準確地實現了地下異常體的三維反 演。
[0027] 在本發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據實施快速三維反演的方法。Marco模塊由澳大利亞聯邦科學工業 研究院(CSIR0)開發，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，在地面上鋪設發射裝置和接收點，設定地下異常區域，將異常區域劃分為 立方體形狀的微元，根據發射裝置、接收點以及微元的幾何參數計算幾何耦合因子矩陣； [00 31 ]步驟A具體包括：
[0032]子步驟A1:在被探測區域設置發射裝置和接收點；
[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，發射裝置為矩形大定源發射線框。圖2為發射線框和接收測線的二 維布局圖。
[0035]子步驟A2:將異常區域劃分為微元，其中，該異常區域為被探測區域內可能存在異 常體的目標區域;具體而言，該子步驟A2具體包括:設定反演中異常區域范圍為-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），將異常區域劃分為K個邊長為25m的立方體微元， 微元總數量K = 230400;
[0036]子步驟A3:根據發射裝置、接收點以及微元的幾何參數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 變電磁測量數據無關，它只與發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據項；
[0041] 步驟B:發射裝置發射電流信號，電流關斷后，各個接收點采集磁場數據，然后采用 均勻大地模型，將采集的磁場數據轉換為視電導率深度圖（CDI):
[0042] 圖4為仿真的瞬變電磁測量數據的CDI切面圖，從圖中可以看出，高電導率區域一 定程度反應了平板異常體的位置，但是高電導率區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值，在實地測量數據反演中，CDI也 可以作為參考，驗證反演結果的可靠性；
[0043] 步驟C，根據瞬變電磁一階矩變換，基于視電導率深度圖（CDI)和測量磁場數據獲 取接收點處的異常區域的參考一階矩；
[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