基于改进的小子域滤波的重力异常及重力梯度张量边缘增强(英文)

针对利用重磁资料增强地质体边界在图像中的视觉效果和提高地质解译的准确性问题,提出应用改进的小子域滤波方法对重力异常及重力梯度张量数据进行增强处理。根据滑动窗口子域平均选择原理,探讨了改进的小子域滤波方法在位场异常数据含有高斯白噪声时,不同窗口大小对地质体边界的识别效果及其在具有不同边界延伸方向地质体中的应用效果。模型试验结果表明,利用改进的小子域滤波对重力梯度张量数据进行增强处理,得到的地质体边界形态失真更小,且受滤波窗口大小、噪声以及地质体边界方向的影响较小;对深部场源体,通过增大滤波窗口的方式,可以较好地反映深部场源体的边界。结合黑龙江省虎林盆地重力异常以及计算的重力梯度张量的处理实例表明改进的小子域滤波法较传统的小子域滤波法增强了对断裂水平位置信息的识别。     

空间归一化边界识别方法用于判断地质体的水平位置及深度(英文)

边界识别是重磁数据解释中的常用方法之一,依据其结果可划分出地质体的水平范围。边界识别结果受地质体埋深及导数计算误差的影响所识别边界与真实边界之间存在一定的差距,且边界识别法无法直观地给出地质体的深度信息。为了获得异常体的水平位置和深度信息,本文提出空间归一化边界识别方法,其对不同深度的边界识别函数进行归一化计算,空间归一化边界识别法的最大值对应于异常体的水平位置和深度。常规边界识别结果的误差随理深的减小而减小,而空间归一化边界识别法是通过最大值来判断地质体的位置,最大值是在地质体处获得,因此归一化边界识别方法所获得的结果是准确的。通过理论模型试验证明归一化边界识别方法能有效地完成异常体的水平位置和深度的计算,所获得的水平位置和深度信息与理论值相一致,为下一步的勘探计划提供了更加可靠的依据。将其应用于实际航磁数据的解释,获得了断裂的具体分布形式。     

基于地质体空间位置优化约束的航空重力梯度数据三维物性反演

重力数据的物性反演面临着严重的多解性问题,降低多解性的有效手段是加入约束条件.而边界识别、深度估计及成像方法可获取地质体的水平位置、深度范围等几何参数信息,本文将基于数据本身挖掘的地质体几何参数信息约束到物性反演中,以降低反演的多解性.通过引入基于深度信息的深度加权函数及基于水平位置的水平梯度加权函数建立优化约束条件,有效地提高了反演结果的横向及纵向分辨率.重力梯度数据包含更多的地质体空间特征信息,将优化约束反演方法应用到全张量数据的反演中,模型试验表明本文方法反演结果与理论模型更加吻合.最后对美国路易斯安那州文顿盐丘实测航空重力梯度数据的应用表明,本文方法在其他地球物理、地质资料不足的情况下获得更可靠的反演结果.     

基于单元细分H-自适应有限元全张量重力梯度正演

在重力梯度各阶张量正演中,难于求取复杂地质体的解析式,转而利用已知解析解的简单规则几何形体近似剖分地质体,其会引起较大的几何拟合误差.本文首先从全张量重力梯度解析公式出发结合等参变换基于有限元分析给出了满足地下复杂地质体正演的型函数,引入体积分的误差指示器用以估计全张量重力梯度误差,提出了适用于全张量重力梯度正演的自适应计算的策略及迭代算法,数值算例证明了本文方法的正确性和有效性.     

一种改进的重力梯度全张量数据的边界识别方法

边界识别是重力资料解释中的一项重要任务.随着重力梯度测量技术的迅速发展,重力梯度张量数据在边界识别中的应用越来越广泛.本文重点研究了随着深度的增加,边界识别能力下降,正负异常中出现假边缘的问题.另外,有些边缘检测方法对走向不同的地质体识别能力有所差异.本文对基于重力梯度张量的水平方向Theta法进行改进,通过选择合适的阈值来减少虚假异常,提出了一种改进的重力梯度全张量数据的边界识别方法(IED).通过模型试验的对比,证明该方法不再受地质构造走向的影响,对不同深度的地质体边缘检测清晰、连续,且正负异常之间无虚假边界.最后,将该方法应用于加拿大圣乔治湾的重力梯度张量资料,其结果显示了更多的地质细节.     

重力水平梯度及其在地震重力前兆中的研究初探

首先根据水平无限长圆柱形地质体的理论重力异常,在频率域使用余弦变换法,通过位场变换计算了水平方向的重力梯度,并与理论重力梯度做比较,发现余弦变换法计算得到的水平重力梯度是可靠的。其次,使用频率域中的余弦变换法计算了2010年9月至2012年10月芦山地震前的累积重力水平梯度,并求得沿龙门山断裂带走向和垂向的重力水平梯度。结果表明:沿断裂带走向和垂向的重力梯度能够以明显的条带状更好地显现出重力在断裂两侧的相对变化,并且芦山震中位于重力梯度高值区的中间地带;重力水平总梯度变化显示,在理县—芦山一带、康定—石棉一带为重力梯度高值区,且高值区位置及走向与区域断裂构造基本重合,并在理县、康定以及石棉附近重力水平梯度值为极值区。     

基于阈值约束的协克里金法联合反演重力与重力梯度数据

常规协克里金方法反演重力或重力梯度数据具有抗噪性好、加入先验信息容易等优点,其反演的地下密度分布能够识别异常体中心位置,还原异常体基本形态,但反演图像光滑,分辨率低,这是由于常规方法估计的密度协方差矩阵全局发散、平稳.为了通过协克里金方法获得聚焦的密度分布需要改善密度协方差矩阵的性质.首先,本文推导了理论密度协方差公式,其性质表明,当理论模型聚焦分布时,其密度协方差矩阵是非平稳且聚焦分布的.为了打破常规协方差矩阵全局平稳、发散的特征,本文设置密度阈值处理协方差矩阵,通过不断更新协方差矩阵来迭代实现协克里金反演,最终得到相对聚焦的反演结果.用本文方法处理重力与重力梯度数据恢复两种密度模型,均得到了与正演模型匹配的反演结果;再将方法运用于文顿盐丘的实际测量重力与重力梯度数据,反演结果与已知的地质情况匹配较好.     

基于重力梯度张量数据的欧拉反演在梅山铁矿的应用

随着在石油勘查、矿产勘查、构造研究等地质工作中提出的应用位场异常研究规模相对较小的地质体及其细节的要求不断提高,传统重力方法在精度和分辨率方面已不能满足要求.重力梯度张量作为重力位二次导数,较之重力异常,能够更直观地反映地下密度体的赋存状态,基于重力梯度张量数据的反演能够提高地质体的定量模拟质量.但是由于受国内仪器的发展水平限制,直接获取实测的重力张量数据难度较大,目前对于重力张量数据的获取主要是通过数值计算的方法,把重力异常测量值变换成张量信息.本文是在样条理论的基础上,提出新的重力梯度张量计算方法,利用三次样条插值方法拟合重力异常,进一步地通过积分导数关系求取样条函数系数,实现了由重力异常求取重力梯度张量的数据计算.在此基础上,利用张量数据进行欧拉反演计算,对比常规欧拉反演结果,进一步分析张量欧拉反演精度.球体及水平板状体模型试验结果显示,张量欧拉反演更能有效地完成目标体的反演,其结果更加准确.最后,将张量欧拉反演应用到梅山铁矿区重力实测数据解释中,准确地反演出梅山主矿体的水平投影范围及矿体中心埋深.同时,相比常规欧拉反演,张量欧拉反演在刘家村附近、梅山村南部及黄林库—吴家洼地段显示出有更加收敛的欧拉解,这为梅山地区进一步找矿工作提供了重要的理论支撑.     

磁源体参数反演的快速局部波数法

现有磁异常解释的局部波数法在计算地质体位置时大多是通过复杂的方程求解来完成,且需已知地质体构造指数信息,构造指数是描述地质体类型的参数,在实际数据解释中是难以确定的,因此现有方法计算结果的精度较低。本文提出磁异常解释的快速局部波数法,定义水平与垂直局部波数的平方和为和局部波数,利用和局部波数与其它局部波数的线性组合直接、快速地实现地质体位置参数和属性参数(构造指数)的计算,无需任何先验信息及方程求解运算。通过理论模型试验证明快速局部波数法能准确地完成磁异常的解释,且受背景异常和倾斜磁化干扰较小。将快速局部波数法应用于实际磁数据的解释,获得了地质体的位置和构造指数。     

基于重力梯度张量曲率的边界识别

重力梯度张量曲率目前广泛用于重力数据的处理和解释中.为了拓宽重力梯度张量曲率的应用,本文回顾了重力梯度张量曲率的定义,从等位面的曲率定义出发,讨论了正确计算曲率的测量参考系及局部旋转的相关理论,并以单个球体和棱柱体为例来说明曲率的正确计算方式.然后,在正确计算重力梯度张量曲率的基础上,将重力梯度张量曲率应用到重力数据的边界识别中,通过理论模型和实际数据详细分析和比较了各种曲率在重力边界识别中的应用效果.结果表明:基于等位面的局部旋转坐标系是各种曲率正确计算的先决条件,纠正了曲率计算的误区;在边界识别中,局部坐标系下所计算的高斯曲率进行边界识别能够较好的圈定地下地质体的边界.     

Interpretation of magnetic and gravity gradient tensor data using normalized source strength – A case study from McFaulds Lake,Northern Ontario,Canada

In this paper, we present a case study on the use of the normalized source strength (NSS) for interpretation of magnetic and gravity gradient tensors data. This application arises in exploration of nickel, copper and platinum group element (Ni‐Cu‐PGE) deposits in the McFaulds Lake area, Northern Ontario, Canada. In this study, we have used the normalized source strength function derived from recent high resolution aeromagnetic and gravity gradiometry data for locating geological bodies. In our algorithm, we use maxima of the normalized source strength for estimating the horizontal location of the causative body. Then we estimate depth to the source and structural index at that point using the ratio between the normalized source strength and its vertical derivative calculated at two levels; the measurement level and a height h above the measurement level. To discriminate more reliable solutions from spurious ones, we reject solutions with unreasonable estimated structural indices. This method uses an upward continuation filter which reduces the effect of high frequency noise. In the magnetic case, the advantage is that, in general, the normalized magnetic source strength is relatively insensitive to magnetization direction, thus it provides more reliable information than standard techniques when geologic bodies carry remanent magnetization. For dipping gravity sources, the calculated normalized source strength yields a reliable estimate of the source location by peaking right above the top surface. Application of the method on aeromagnetic and gravity gradient tensor data sets from McFaulds Lake area indicates that most of the gravity and magnetic sources are located just beneath a 20 m thick (on average) overburden and delineated magnetic and gravity sources which can be probably approximated by geological contacts and thin dikes, come up to the overburden.     

preliminary discussion on horizontal gravity gradient and its application to seismic gravity precursor research

In this paper, according to the synthetic gravity anomaly of a horizontally infinite cylindrical geologic body, gravity gradient in horizontal direction was calculated by potential field discrete cosine transformation in frequency domain. In the calculation, the minimum curvature method was used to extend edge lines. We found that the gravity gradient field from the potential field transformation was dependable by comparison with synthetic gravity gradient, except the data in the edges. Then, the accumulative horizontal gravity gradients before Lushan M_S7.0 earthquake were calculated for the accumulative gravity anomaly from September 2010 to October 2012. In the north-south direction, gravity gradient in Daofu-Kangding-Shimian and Markang-Lixian-Lushan exhibited a positive high value, and the strike of the high value zone was in line with the strike of Xianshuihe Faults and Markang Faults. In the east-west direction, high value zone was not as obvious as that in the north-south direction. Gravity gradients in the direction along and vertical to the strike of Longmenshan Faults were calculated by the definition of directional derivative. In the along-strike direction, high gravity gradient values appeared in Markang-Lixian areas along Markang Faults and Daofu-Kangding-Shimian areas along Xianshuihe Faults, and extremum appeared in Kangding-Shimian and the area nearby Lixian. In the direction vertical to the strike of Longmenshan fault zone, high gravity gradient values appeared in Lixian-Lushan-Kangding-Shimian areas, and the extremum appeared in the area nearby Kangding. The results indicate that gravity gradient in the direction along and vertical to the strike of faults can better show the relative gravity change on the two sides of faults. Lushan M_S7.0 earthquake is located at the transition zone between the two high value zones of gravity gradient. The total horizontal gravity gradient shows that the location and strike of the high value zone are basically consistent with regional faults, and the extremums of total horizontal gravity gradient appeared nearby Lixian, Kangding and Shimian.     

断裂构造精细解释技术——三方向小子域滤波

针对利用重磁场资料解决地质构造的精细划分和解释问题，提出三方向小子域滤波方法. 根据直立岩脉重力异常曲线特征和DCT理论，分析了直立岩脉重力异常π/２相位偏移技术，给出了突出三方向直立岩脉特征的平面重力异常及其π/2相移的DCT转换的理论公式. 模型实验证实，经过坐标变换后的偏移结果，其异常梯度最大值的水平位置与铅垂台阶断面在地面上的投影位置相一致；利用传统的小子域滤波分别检测每个方向偏移处理结果中的梯级带，突出三方向的异常分界特征，从而实现三方向小子域滤波的数值计算. 在应用中表明，传统的小子域滤波只能识别出黑龙江虎林盆地11条断裂带，而三方向小子域滤波法检测出33条断裂，这说明三方向小子域滤波法大大增强了对平面断裂水平位置信息的识别.     

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%.     

Depth from extreme points method for gravity gradient tensor data

The ‘depth from extreme points’ method is an important tool to estimate the depth of sources of gravity and magnetic data. In order to interpret gravity gradient tensor data conveniently, formulas for the tensor data form regarding depth from the extreme points method were calculated in this paper. Then, all of the gradient tensor components were directly used to interpret the causative source. Beyond the g_zz component, also the g_xx and g_yy components can be used to obtain depth information. In addition, the total horizontal derivative of the depth from extreme points of the gradient tensor can be used to describe the edge information of geologic sources. In this paper, we investigated the consistency of the homogeneity degree calculated by using the different components, which leads to the calculated depth being confirmed. Therefore, a more integrated interpretation can be obtained by using the gradient tensor components. Different synthetic models were used with and without noise to test the new approach, showing stability, accuracy and speed. The proposed method proved to be a useful tool for gradient tensor data interpretation. Finally, the proposed method was applied to full tensor gradient data acquired over the Vinton Salt Dome, Louisiana, USA, and the results are in agreement with those obtained in previous research studies.     

基于加速度计重力梯度仪分析与设计

目前,重力梯度仪成为重力仪器的主要研究方向,国内尚无此种仪器问世.本文利用加速度计在旋转载体中测量公式,推导出基于加速度计重力梯度仪测量公式.分析利用此公式进行重力梯度测量时需要注意的问题.然后以美国Bell/Aero公司生产的重力梯度仪为例,导出旋转加速度计式重力梯度仪测量结果.最后总结出基于加速度计重力梯度仪设计过程中存在的各种误差,并给出解决这些问题的方案.为国内重力梯度仪的研究工作提供理论依据.     

RECENT DEVELOPMENTS IN UNDERGROUND GRAVITY SURVEYS1

Underground gravity observations in deep coal mines using the conventional gravity meters Worden (type Master) and LaCoste-Romberg (model D), both of which have been adapted to the fire damp regulations, can be accurate to ± 10 and ± 3 μgal, respectively. For underground determination of the vertical gradient of gravity the LaCoste-Romberg meter is used together with a specially designed measuring tower. Using this euipment an accuracy in tower gradient observations of ± 30 E was obtained. To apply the equipment to precision gravity observations in underground situations an additional correction, i.e. a gallery correction, is needed. High accuracy in correction is achieved by a new method of three-dimensional modelling. The gravity effect is computed for bodies with a surface approximated by triangular elements, which are generated from corner points of the body. The combination of gallery correction with tower gradient data leads to a new method for in situ density determination. It offers the possibility of horizontal instead of vertical density profiling. To demonstrate the effectiveness of the developments in underground observations the localization of a pump room is presented. Microgravity and tower gradient observations were carried out to detect the cavity. The horizontal gradient was also calculated to give a more reliable location.     

位场垂向梯度最佳自比值的边界检测技术

位场梯度换算在地质体边界检测中有着重要的应用.但传统的梯度算法易受干扰影响,计算稳定性差,且很难在复杂的叠加异常中识别出小型地质体的边界.鉴于此,本文给出了自比值的定义,提出了能够处理高阶导数的位场垂向梯度最佳自比值的边界检测方法,阐述了方法的数学含义和物理意义.模型试验表明,垂向梯度最佳自比值算法不仅计算稳定性强,而且能清晰地检测出传统梯度算法无法检测的模型体边界.在地质条件复杂的鸭绿江盆地的重力异常实例应用中,垂向三阶导数最佳自比值计算结果识别出的构造边界与实际地质体分布有着较好的对应关系,这不但与前人的工作成果互为佐证,而且自比值圈定的负异常分布区能较好地反映出浑江煤田的工作范围.     

重力和重力梯度数据联合聚焦反演方法

重力数据包含较多的低频信息,重力梯度数据包含较多的高频信息,将重力数据和重力梯度数据进行联合反演得到的结果更加可信.本文基于聚焦反演方法,实现了这一过程.因为联合反演中分量种类增加,所以计算灵敏度矩阵所需要的时间增加,为此,本文提出了一种快速计算灵敏度矩阵的方法.因为联合反演对内存的要求增大,本文选择有限内存BFGS拟牛顿法求解反演问题.本文通过再加权的方法实现深度加权.文中利用单一分量的反演结果来预测异常体的埋深信息,随后将埋深信息结合到深度加权函数中,将其用于多分量组合反演计算.给出了模型试验,发现预测得到的异常体的埋深信息与其实际埋深存在偏差,但是将这一信息应用到反演计算,能够得到与真实模型一致的结果.之后,本文通过模型试验来探究重力和重力梯度联合反演的优势,发现将重力和重力梯度数据联合,能够识别出额外的噪声,反演得到的模型更加合理.但是,对于不同分量组合得到的反演结果是相近的,反演模型的提高很小.最后,将联合反演方法应用到美国路易斯安那州Vinton岩丘的实际数据中,结果显示,将重力和重力梯度数据联合反演,反演模型得到了提高,反演得到的结果与地质资料吻合.