重力位谱分析及重力异常导数换算新方法——余弦变换

为了提高重力异常导数换算的精度，真实有效地反映地质体的异常特征，提出用余弦变换计算异常导数的新方法. 给出并证明了两个定理，利用它们推导出重力位余弦谱一般表达式以及重力异常各阶导数计算公式，建立了位场余弦谱分析理论. 模型实验中发现，用Fourier变换计算的一阶导数与理论导数偏差很大，而余弦变换计算的导数与理论异常导数拟合效果非常好，除边界几个数据因重力异常的有限截断产生的吉布斯效应残留使误差较大外，数据的计算精度均很高，误差为-009%～5%.     

对《基于离散余弦变换的磁位谱分析及磁异常导数计算方法》一文的评论

被评论的论文(简称原文)中应用离散余弦变换(DCT法)计算磁异常导数,并与离散Fourier变换法(DFT法)计算结果进行对比,得到“DCT法明显优于DFT法”的结论.我们对原文进行了验证.原文磁异常导数波数响应计算的错误导致DFT法计算的错误,最终导致结论的错误.原文相关两篇论文中应用DCT法分别进行重力异常的导数换算和重力异常的向上延拓,也存在同样的错误.     

利用余弦变换计算重力异常的向上延拓

利用余弦变换计算重力异常的向上延拓是一种新方法.根据余弦变换的基本性质，推导了二度、三度体异常向上延拓余弦变换谱理论公式，采用离散余弦变换实现了该法的数值计算；研究了无限长水平圆柱体的补偿因子中主频段的特性，给出了二度体的线性补偿方式；补偿后的理论模型异常向上延拓具有较高的计算精度，除边部几个数据因数据的离散和有限截断使误差较大外（最大误差为6.23%），其余数据的误差均在1%以内，理论值和计算值曲线基本重合.这说明，与Fourier变换相比，离散余弦变换在数值计算中，受非周期性深度因子的影响小，补偿方式易于选择，其计算方法优于Fourier变换.     

磁异常模量垂向一阶导数的特征及应用

磁异常转换模量(magnitude magnetic transforms,简称MMTs)相比传统的数据处理方法如化极、总梯度模等,其产生的异常更接近实际磁性异常体的水平位置,以便进行磁法解释.本文基于转换模量,提出了磁异常模量的垂向一阶导数的处理方法.进一步分析模量垂向一阶导数的特征可知,对于2D异常体其完全不依赖于...     

应用磁视散度及磁源重力异常确定低磁纬度地区磁性体分布-以哥伦比亚普图马约盆地为例

低磁纬度地区受斜磁化的影响,用常规方法很难准确确定磁性体的平面分布特征.为了研究位于低磁纬度地区普图马约盆地的磁性体分布特征,本文根据场的散度原理,假定磁△T异常为具有一定方向的矢量场,其方向与磁化方向一致,导出了磁△T异常视散度的计算方法;根据磁位与引力位的关系,在频率域中通过磁△T异常求取了磁源重力异常,并尝试利用拉普拉斯方程计算磁源重力异常垂向二阶导数.本文设计理论模型讨论了磁△T异常视散度、磁源重力异常垂向二阶导数的特征与磁性体平面分布特征的关系,证明了上述方法的有效性.进而利用上述方法推测了普图马约盆地磁性体的平面分布特征,结果表明:应用磁视散度及磁源重力异常确定的普图马约盆地磁性体分布与实际地质特征吻合较好,取得的成果对普图马约盆地相关地质研究及对低磁纬度地区的磁性体的确定有一定的参考意义.     

基于航磁矢量数据的磁源总磁化方向估算

在地质体具有较强剩磁或自退磁效应的情况下,获得地质体总磁化方向对磁法勘探的数据处理、反演及解释具有重要意义.与传统航磁总场测量相比,航磁矢量(三分量)测量能够获得地磁场的矢量信息.基于三分量磁异常一阶矩与磁源磁矩的积分关系,我们实现了基于航磁矢量数据的磁源总磁化方向估算.针对该方法易受相邻异常影响,从而使多异常的估算难以确定磁源中心位置的问题,分析了在不同磁化倾角下,估算的磁化偏角、倾角与实际磁源中心位置的关系,并根据该关系采取了限定估算区域的方法,获得了多异常的估算结果.将该方法应用于东天山启鑫地区实测航磁三分量数据,估算了具有强剩磁的启鑫岩体总磁化方向,并将估算的方向应用于化极计算.化极结果显示,减少了启鑫岩体磁异常受斜磁化的影响,且与磁异常模量计算结果类似.该方法假设磁源均匀磁化,估算结果可视为地质体总磁化方向的整体体现,对强剩磁地质体磁异常的数据处理、反演及解释具有实际意义.     

全张量磁梯度数据的斜导数特征值边界识别方法研究

本文提出了一种全张量磁梯度数据的斜导数边界识别方法,该方法利用全张量磁梯度数据定义了北向斜导数、东向斜导数和垂向斜导数.模型试验表明,北向和东向斜导数无法有效识别磁性异常体边界,异常形态复杂虚假异常较多,而垂向斜导数在高纬度斜磁化或者垂直磁化条件下可以清晰而准确得识别地质体的边界,具有一定的深度识别能力.与现有磁张量梯度的边界识别方法相比,识别效果好,可以有效均衡不同深度地质体的响应.将上述方法应用于大兴安岭地区实测航磁三分量数据转换得到的全张量数据,获得了研究区浅部磁性体的分布,并与三分量数据进行联合解释,取得良好的地质效果.     

基于离散余弦变换（DCT）的化磁极方法

针对提高磁异常化磁极的质量问题,提出基于离散余弦变换(DCT)的化磁极方法.以位场余弦变换谱分析为基础,从理论上推导了基于DCT的二度和三度体总场磁异常化磁极转换公式.在倾斜板状体模型实验中,化磁极误差小于0.001 nT,具有较高的精度;在单球体及多球体模型实验中,采用基于DCT的化磁极方法在5.倾斜磁化时就可以取得较好的化磁极结果,15°时化磁极的效果更加明显,其等值线的形态、幅值以及所反映的磁性体的水平位置都得到较好的恢复,这说明,采用本文方法进行化磁极时,可以取得较好的效果.     

吐鲁番中南部地区航磁异常特征及其地质意义

为了深入研究吐鲁番中南部地区航磁异常特征及其地质意义,本文基于1:50000航空磁力ΔT总场异常数据计算了航磁化极异常,并对航磁化极异常数据利用正则化滤波方法进行了异常的分解、利用罗森巴赫Ⅱ式进行了垂向二阶导数异常的换算,获取了吐鲁番中南部地区区域磁力异常、局部磁力异常及垂向二阶导数异常.结合已有的地质及地球物理研究成果,对航磁异常特征进行了深入分析,并就磁力异常与地表地质信息之间的关系进行了深入研究,探讨了本区断裂分布、岩浆岩分布及磁性特征.研究结果表明,研究区太古界总体表现为较强磁性,元古界、古生界、中生界及新生界总体表现为弱磁性.研究区构造复杂,断裂构造特征具有明显的分区性.研究区岩浆活动明显受构造控制,岩体长轴与构造走向一致.研究区中性岩表现为弱磁性,而酸性岩则大致以独峰山—梧桐沟一线为界表现为北弱南强的磁性特征.     

磁赤道处化极方法

化向地磁极(化极)是最基本的磁测资料处理方法之一,化极能消除或减少斜磁化影响,提高对磁测资料的认识程度和解释水平,对研究地壳产生的磁异常具有重要意义.但低纬度地区特别是磁赤道处,化极处理很不稳定甚至奇异,一直是位场研究的难点.针对地磁纬度较低特别是磁赤道地区磁异常化极的困难,利用从磁北极处垂直磁化向低纬度地区水平磁化方向转换稳定的特点,提出"狭义化赤"概念,并将其与低纬度磁异常"倒相"解释方法结合,提出专门用于磁赤道处化极的方法.该方法扩展了现有的化极理论,实现了磁赤道处的稳定化极.区别于目前任何方法,专门用于(近)水平磁化条件下的化极计算,具有原理简单,实现方便,收敛速度快等特点.对理论模型和实际资料计算表明这种针对磁赤道地区磁异常的化极处理方法是稳定、可靠的.     

唐山地震与震磁效应的最佳观测

根据作者与Hastie和Stacey提出的三维压磁效应模式计算方法,围绕1976年唐山大地震,计算了七种不同断层模式的压磁效应,比较了在不同磁纬处,走向滑动断层的不同走向、倾角和埋深在地面上所引起的压磁异常场。结果表明,震磁效应的可观测性同地震的破裂机制有着紧密的关系。断层倾角45——60对应着最佳观测条件,其压磁异常峰值可高达12nT;在最差观测条件时压磁异常量几乎无法测出,这时断层位于磁纬0处,或走向为E-W,或埋深为10公里左右。在大多数模式中,垂直分量的异常略大于总强度异常,但在磁赤道附近可高达三倍左右。对唐山大地震的计算表明,压磁异常量约3——4nT,其异常大于1nT区域的线性尺度与断层长度之比仅为1.04——1.10。由于压磁场是地震过程的一种弱效应场,目前使用仪器的观测精度不够和磁测点的震中距过大,可能是未测出该地震明显的磁异常的原因。      

A FAST FOURIER TRANSFORM METHOD FOR RAPID COMPUTATION OF GRAVITY AND MAGNETIC ANOMALIES DUE TO ARBITRARY BODIES*

The spectrum of a magnetic or a gravity anomaly due to a body of a given shape with either homogeneous magnetization or uniform density distribution can be expressed as a product of the Fourier transforms of the source geometry and the Green's function. The transform of the source geometry for any irregularly-shaped body can be accurately determined by representing the body as closely as possible by a number of prismatic bodies. The Green's function is not dependent upon the source geometry. So the analytical expression for its transform remains the same for all causative bodies. It is, therefore, not difficult to obtain the spectrum of an anomaly by multiplying the transform of the source geometry by that of the Green's function. Then the inverse of this spectrum, which yields the anomaly in the space domain, is calculated by using the Fast Fourier Transform algorithm. Many examples show the reliability and accuracy of the method for calculating potential field anomalies.     

利用Hilbert变换计算重力归一化总梯度

针对提高重力勘探正反演解释的分辨率问题,提出利用Hilbert变换计算和研究重力归一化总梯度.文中从理论上详细地证明了方法的可行性,给出了适合计算机实现的计算方法.为探讨该方法对油气藏的分辨能力,在模型计算中,分别利用Fourier级数法、Fourier变换法和本文提出的Hilbert变换法计算模型的GH场值,发现当三度体储油球冠模型（模拟似三度贮油气藏背斜模型）油气藏部分（低密度体）厚度减小到低于球冠厚度的十分之一时,Fourier级数及变换法不能分辨出低密度体所产生的异常,而Hilbert变换法仍然可以清晰地识别,这说明用Hilbert变换法计算的GH场对异常识别的分辨率优于其他两种方法.     

DFT理论及其新算法研究

本文给出了有限离散点或周期离散点的新的傅氏变换计算法。它与经典的用周期性Diracδ抽样理论之纯离散变换的算法不同,而是根据抽样点的原曲线情况,采用任意幂多项式甚至无限幂（理想光滑化）曲线来模拟的新算法。它计算简便,只要在原FFT计算结果上乘上一个本文导出的简单的β_n或β_∞因子即可。 文中给出算例,阐述了该算法之优点。在理论上它不仅给出全频域的连续变换值,并且也避免了过去DFT计算中在高频处出现的混迭误差。这对信息的合理抽样,提高计算精度等方面,具有理论和实际意义。     

THE USE OF FOURIER SERIES METHOD IN UPWARD CONTINUATION WITH NEW IMPROVEMENTS*

This paper shows how to reduce the errors near edges of potential field data that result from using Fourier series in the computation of upward continuation of potential field anomalies. This kind of error, if uncorrected, can lead to erroneous geological interpretation. The errors that occur at both edges of potential field data after upward continuation originate from the representation of data by using Fourier series from which data becomes periodic with discontinuities or sharp changes between each period. In order to reduce this type of error, we propose, either 1) to use only the cosine series, or 2) to add a certain number of constant data to both edges of the original data before continuation. Using these new schemes, we have demonstrated the improvement on the accuracy near edges of continued anomalies with profiles of magnetic anomaly computed from an assumed model.     

双轴各向异性介质多分量感应测井响应快速计算

为研究双轴各向异性介质多分量感应测井响应特征,本文基于三重傅里叶变换,推导任意方向偶极子源的谱域电磁场解析式;采用围线积分方法,自适应截断积分区间,结合谱域电磁场周期特性,实现三重傅里叶变换的精确快速积分;进而,针对双轴各向异性倾斜地层,模拟研究不同纵横向各向异性条件多分量感应测井响应特征.结果表明:利用谱域内电磁场在周向的周期特性简化解析式,可将计算速度提高4倍;自适应截断积分区间方法保证了计算精度,并极大地减少了积分节点数.对于倾斜双轴各向异性介质,倾角较大时,共面分量可反映地层横向各向异性,同轴分量可反映地层纵向各向异性;倾角较小时,同轴分量可反映地层横向各向异性,共面分量可反映地层纵向各向异性.     

Least-squares Minimization Approaches to Interpret Total Magnetic Anomalies Due to Spheres

We have developed three different least-squares approaches to determine successively: the depth, magnetic angle, and amplitude coefficient of a buried sphere from a total magnetic anomaly. By defining the anomaly value at the origin and the nearest zero-anomaly distance from the origin on the profile, the problem of depth determination is transformed into the problem of finding a solution of a nonlinear equation of the form f(z)=0. Knowing the depth and applying the least-squares method, the magnetic angle and amplitude coefficient are determined using two simple linear equations. In this way, the depth, magnetic angle, and amplitude coefficient are determined individually from all observed total magnetic data. The method is applied to synthetic examples with and without random errors and tested on a field example from Senegal, West Africa. In all cases, the depth solutions are in good agreement with the actual ones.