磁共振與瞬變電磁空間約束聯(lián)合反演方法
【技術(shù)領(lǐng)域】：
[0001] 本發(fā)明涉及一種地球物理探測(cè)方法及其數(shù)據(jù)解釋，在地勢(shì)起伏、地層電性W及大 地模型連續(xù)變化的條件下，利用磁共振與瞬變電磁空間約束聯(lián)合反演的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)反演 解釋。
【背景技術(shù)】：
[0002] 水資源短缺嚴(yán)重制約我國(guó)西部經(jīng)濟(jì)發(fā)展，而復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境中賦存的裂隙水、巖 溶水增加了勘探難度。國(guó)際上采用的地震、電磁法和高密度電法等技術(shù)能夠根據(jù)空間構(gòu)造 和電阻率信息間接判斷水源地，但不具備定性和定量分析能力。
[0003] 磁共振測(cè)深（MR巧是世界上唯一直接探測(cè)地下水的地球物理新方法，具有定性、 定量分析水含量的特點(diǎn)，但MRS相位信息數(shù)據(jù)量少，易受硬件系統(tǒng)及環(huán)境干擾影響，導(dǎo)致實(shí) 際數(shù)據(jù)反演得到的電阻率分布并不準(zhǔn)確。瞬變電磁法（TEM)利用不接地的回線發(fā)射一次磁 場(chǎng)，在一次磁場(chǎng)的間歇期間接收由地下良導(dǎo)體受激勵(lì)引起的潤(rùn)流所產(chǎn)生的二次感應(yīng)磁場(chǎng)， 能夠獲取地下幾百米范圍內(nèi)的電阻率信息。
[0004] Behroozmand 在 GE0P肌SICS[2012, 77(4)，191-200] "Improvement in MRS parameter estimation by joint and laterally constrained inversion of MRS and TEM data"中采用MRS與TEM聯(lián)合反演，引入電阻率信息，適用于電性復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境解釋， 將聯(lián)合反演與LCI橫向約束結(jié)合進(jìn)行地下水探測(cè)，判定含水層位置及分布情況。
[0005] 萬(wàn)玲在 Qiinese Journal of Geophysics[2013, 56(11)]"基于自適應(yīng)遺傳算法的 MRS-TEM聯(lián)合反演方法研究"中通過(guò)電阻率分布信息對(duì)含水量反演過(guò)程的實(shí)時(shí)修正，反演算 法采用自適應(yīng)遺傳算法（AGA)進(jìn)行，基于繁殖規(guī)則，動(dòng)態(tài)調(diào)整交叉概率和變異概率，解決了 標(biāo)準(zhǔn)遺傳算法易未成熟收斂而難W得到全局最優(yōu)解問(wèn)題。但W上方法沒(méi)有考慮相鄰測(cè)線與 測(cè)點(diǎn)在空間范圍內(nèi)的相關(guān)性，也沒(méi)有將探測(cè)剖面傾斜角度等因素引入反演，致使誤差傳遞， 而且將反演擴(kuò)展至二維、H維也面臨著數(shù)據(jù)矩陣過(guò)于鹿大的計(jì)算難題。

【發(fā)明內(nèi)容】
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[0006] 本發(fā)明的目的在于針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種適用于磁共振與瞬變電磁 空間約束聯(lián)合反演數(shù)據(jù)解釋的方法。主要包括在地磁場(chǎng)環(huán)境下，設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)系數(shù)矩陣建立探 測(cè)傾角模型，將地磁場(chǎng)方向參數(shù)引入磁共振反演；采用H維大地模型中磁共振與瞬變電磁 空間約束聯(lián)合反演方案，實(shí)現(xiàn)電阻率、層厚度、含水量、弛豫時(shí)間的光滑連續(xù)約束，解決反演 的非唯一性；基于相鄰測(cè)點(diǎn)空間范圍內(nèi)的關(guān)聯(lián)性，同時(shí)反演測(cè)區(qū)全部測(cè)線測(cè)點(diǎn)的磁共振與 瞬變電磁數(shù)據(jù)，提出預(yù)處理共輛梯度大型矩陣計(jì)算技術(shù)，實(shí)現(xiàn)聯(lián)合反演空間約束。
[0007] 本發(fā)明的目的是通過(guò)W下技術(shù)方案方式實(shí)現(xiàn)的：
[0008] 用等價(jià)變換法與數(shù)字濾波法相結(jié)合進(jìn)行回線源任意接收位置磁共振激發(fā)場(chǎng)及瞬 變電磁接收?qǐng)隹焖僬?；通過(guò)設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)系數(shù)矩陣建立探測(cè)傾角模型，將參數(shù)引入磁共振反 演；由于數(shù)據(jù)噪聲大小與反演權(quán)系數(shù)成反比，即1/噪聲，根據(jù)實(shí)測(cè)MRS和TEM數(shù)據(jù)確定 MRS-TEM聯(lián)合反演權(quán)系數(shù)，自適應(yīng)調(diào)整正則化參數(shù)，構(gòu)建MRS-TEM全數(shù)據(jù)聯(lián)合反演目標(biāo)函 數(shù)；結(jié)合地下空間網(wǎng)格化，建立H維大地模型；引入先驗(yàn)信息約束矩陣、粗趟度矩陣及層厚 度空間約束矩陣構(gòu)建反演迭代方程組，實(shí)現(xiàn)模型H維方向約束矩陣。
[0009] 磁共振與瞬變電磁空間約束聯(lián)合反演方法，包括W下步驟：
[0010] a、正演計(jì)算H維核函數(shù)K3D(q;r)，代表了位置r處MRS信號(hào)的靈敏度；
[0011] b、利用等價(jià)變換法和數(shù)字濾波法相結(jié)合的方法進(jìn)行回線源任意接收位置磁共振 激發(fā)場(chǎng)及瞬變電磁接收?qǐng)隹焖僬萦?jì)算；
[0012] C、考慮地磁場(chǎng)方向和天線方向，建立初始模型，在地磁傾角D與地磁偏角I影響 下，激發(fā)場(chǎng)的表達(dá)式為：
[0013] 巧= R,.R/,馬，
[0014] 其中，馬為任意方向發(fā)射的激發(fā)場(chǎng)矢量，Ri，Rd分別為角度矩陣；
[0015] 簡(jiǎn)化MRS激發(fā)場(chǎng)計(jì)算方法，定義地磁場(chǎng)方向4指向正北，地磁傾角D = 0°，地磁 偏角I = 0°時(shí)為初始模型，首先W Z軸為旋轉(zhuǎn)軸，X軸和y軸沿順時(shí)針旋轉(zhuǎn)角度D，記為坐 標(biāo)系X' y' Z'，地磁場(chǎng)方向轉(zhuǎn)為&。其次Wy'軸為旋轉(zhuǎn)軸，X'軸和Z'軸沿順時(shí)針旋轉(zhuǎn) 角度I，記為坐標(biāo)系X" y" Z"，此時(shí)地磁場(chǎng)方向?yàn)槊浚?br>[0016] d、考慮剖面角度與坡體傾角，建立最簡(jiǎn)模型，天線的法向傾角a (剖面角度）和偏 角目（坡體傾角），分別表示北向東偏離的角度和水平向地下傾斜的角度，激發(fā)場(chǎng)的表達(dá)式 為：
[0017] 邸=R,,,'R"屋 T
[0018] 其中，馬為任意方向發(fā)射的激發(fā)場(chǎng)矢量，Re, R。分別為角度矩陣；
[0019] 天線的法向傾角a (剖面角度）和偏角目（坡體傾角），分別表示北向東偏離的角 度和水平向地下傾斜的角度，當(dāng)a =0,目=0時(shí)，天線垂向放置，法向方向指向X軸，定義 為最簡(jiǎn)模型，采用步驟C中的旋轉(zhuǎn)方式進(jìn)行坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)。
[0020] e、由于數(shù)據(jù)噪聲大小與反演權(quán)系數(shù)成反比，即1/噪聲，根據(jù)實(shí)測(cè)MRS和TEM數(shù)據(jù) 確定MRS-TEM聯(lián)合反演權(quán)系數(shù)，自適應(yīng)調(diào)整正則化參數(shù)，構(gòu)建MRS-TEM全數(shù)據(jù)聯(lián)合反演目標(biāo) 函數(shù)；
[0021] f、根據(jù)實(shí)際地質(zhì)情況及巖石電性特征確定模型參數(shù)搜索空間，構(gòu)建H維光滑大地 模型；
[0022] g、將測(cè)區(qū)地磁傾角、地磁偏角、坡體傾角和剖面傾角引入旋轉(zhuǎn)系數(shù)矩陣進(jìn)行計(jì)算， 得到測(cè)區(qū)的激發(fā)場(chǎng)表達(dá)式：.
[0023] K抽取測(cè)區(qū)大地模型，進(jìn)行MRS、TEM快速正演計(jì)算，獲得模型數(shù)據(jù)d (nimJ，判斷數(shù) 據(jù)擬合誤差是否小于設(shè)定誤差，若是，則輸出反演結(jié)果并快速成像；若不是，則進(jìn)行空間約 束矩陣計(jì)算；
[0024] i、進(jìn)行空間約束矩陣計(jì)算，包括先驗(yàn)信息約束矩陣計(jì)算、粗趟度矩陣計(jì)算及層厚 度約束矩陣計(jì)算；
[0025] j、構(gòu)建反演迭代方程組，并運(yùn)用預(yù)處理共輛梯度法解方程，得到新模型參數(shù)；
[0026] k、計(jì)算新模型參數(shù)的磁共振、瞬變電磁響應(yīng)dOvi)，重復(fù)執(zhí)行上述反演過(guò)程，直到 數(shù)據(jù)擬合誤差小于給定反演擬合誤差，然后輸出反演結(jié)果并快速成像。
[0027] 有益效果；本發(fā)明公開(kāi)的磁共振與瞬變電磁空間約束聯(lián)合反演方法適用于地勢(shì)起 伏、地層電性復(fù)雜多變的二維、H維地下水探測(cè)，設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)系數(shù)矩陣建立探測(cè)傾角模型，將 地磁場(chǎng)方向參數(shù)引入磁共振反演，為復(fù)雜地形的含水層準(zhǔn)確解釋提供理論依據(jù)；采用H維 大地模型中磁共振與瞬變電磁空間約束聯(lián)合反演方案，實(shí)現(xiàn)電阻率、層厚度、含水量、弛豫 時(shí)間的光滑連續(xù)約束，解決反演的非唯一性問(wèn)題；由于全體采集數(shù)據(jù)集參與反演，提出基于 預(yù)處理共輛梯度法的大型矩陣計(jì)算技術(shù)，解決海量數(shù)據(jù)參與空間約束反演的大型矩陣優(yōu)化 與計(jì)算難題，現(xiàn)實(shí)意義巨大。
【附圖說(shuō)明】：
[0028] 圖1為初始模型、最簡(jiǎn)模型及坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)
[0029] (a)為地磁場(chǎng)方向坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)
[0030] 化）為天線方向坐標(biāo)旋轉(zhuǎn) [00引]《(Nodh)正北方向
[0032] Y巧ast)正東方向
[0033] Z (Down)垂直向下方向
[0034] I ;地磁偏角
[00對(duì) D ;地磁傾角
[0036] a :天線的法向傾角
[0037] 目：天線的法向偏角
[0038] n ;探測(cè)線圈法線單位方向向量
[0039] b;地磁場(chǎng)單位方向向量
[0040] Bt;激發(fā)場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)矢量
[0041] 圖2為測(cè)線方向大地模型示意圖
[0042] X代表所分層數(shù)，P、thk、W和每分別代表各層介質(zhì)電阻率、層厚度、含水量和平均 弛豫時(shí)間。
[0043] 圖3為磁共振與瞬變電磁空間約束聯(lián)合反演流程圖。
【具體實(shí)施方式】：
[0044] 磁共振與瞬變電磁空間約束聯(lián)合反演是一種適用于地勢(shì)起伏、地層電性復(fù)雜多變 的二維、H維地下水探測(cè)的方法，其將地磁場(chǎng)方向參數(shù)引入磁共振反演，準(zhǔn)確計(jì)算激發(fā)（接 收）磁場(chǎng)分量W及地磁場(chǎng)方向向量，使結(jié)果更加準(zhǔn)確、可靠；由于數(shù)據(jù)噪聲大小與反演權(quán)系 數(shù)成反比，即1/噪聲，根據(jù)實(shí)測(cè)MRS和TEM數(shù)據(jù)確定MRS-TEM聯(lián)合反演權(quán)系數(shù)，構(gòu)建MRS-TEM 全數(shù)據(jù)聯(lián)合反演目標(biāo)函數(shù)，引入先驗(yàn)信息約束矩陣、粗趟度矩陣及層厚度約束矩陣等空間 約束矩陣構(gòu)建反演迭代方程組，并基于預(yù)處理共輛