组合激电测深装置的应用与研究

在有色金属矿产勘查中,激电测深由于工作效率低,仅在重点异常剖面布置几个测深点,未能在工区更多剖面发挥出应有作用。为了提高激电测深野外数据采集工作效率,先后引进梯度电测深及借线遥控电极,并且自制"多极距中梯测深电极集中器",组合成一种新的遥控梯度电测深采集装置。该装置在小极距时采用对称四极(亚对称四极)测深装置,在极距较大的情况下更换成中间梯度测深装置,组合完成激电测深剖面观测。通过遥控电极阵列方式代替传统测深"渐进式"的扩大电极极距方式,提高了电测深的观测效率和解释能力。将这种新的中间梯度激电测深装置应用在构造、地层复杂的金矿勘查区,结果表明,它能大大提高激电测深效率,取得较好勘查效果。     

多极距中梯观测与反演研究

针对传统中梯激电效率高、数据量少等特点,提出多极距中梯观测技术,配合现有的多通道发射、接收机,可在不增加太多工作量的情况下,尽可能采集更多的视电阻率和视极化率数据,以获取更多的地电信息,进行二维反演,实现中梯断面成像.模型正演合成和初步实测数据的反演表明,多极距中梯观测与反演的结果可基本等效于对称四极测深效果,但工作效率成倍提高,可推广应用.     

点源二维电阻率测深边界单元法

本文重点阐述了点源二维电阻率测深边界单元方法原理、方法技术。针对电阻率测深装置特点。提出的区间截断剖分法,有利于节省计算机内存,提高计算速度,降低成本。文中用边界元法计算了若干地电形体上对称四极测深和等比装置的ρs测深曲线,获得了一些有益的结果。     

直流激电测深二维反演的若干问题研究

目前,激电数据的二维反演主要针对高密度激电数据,而对于常规的激电测深则很少涉及.据此,针对常规激电测深二维反演所涉及到的一些技术难点进行探讨.在正演过程中,根据实测数据实现有限元网格自动剖分,并采用双网格系统,用相邻节点电导率双线性连续进行有限元模拟,并对模拟的误差进行校正.在反演过程中,利用互换原理和Broyden的方法计算偏导数矩阵;采用与奇异值分解算法精度相当的共轭梯度算法求解偏导数矩阵方程.最后通过对模拟数据和实测数据进行反演试算,验证本计算方法是可行的.     

MN不等于零时水平层状大地直流电阻率测深曲线的计算

在MN趋于零时滤波计算三极装置直流电测深视电阻率的基础上,采用数值积分方法,导出了MN不趋于零时的三极(对称四极)装置直流电阻率测深曲线的计算方法。然后,利用三极和偶极的关系导出了水平层状大地偶极-偶极电测深的正演计算公式,并对水平层状大地的对称四极测深和偶极-偶极测深曲线进行了对比。     

基于二维电测深数据作三维反演的基岩探测

在城市基岩面探测时,受到城市交通、电磁等严重干扰的制约,常选用直流电测深作为主要物探方法。二维电测深剖面沿测线排列电极,采集视电阻率数据后进行二维反演,用所获得剖面方向上的二维电阻率断面图像推断地质体的位置及产状。但由于复杂的实际情况并非适合二维反演条件(走向无限延展并与测线正交),二维反演会产生较大误差。为此,可试用测区多剖面二维电测深数据作三维反演,获得测区三维电阻率立体图像,推断地质体分布的空间形态。在山东某市地质调查中,布设点距50 m、线距为100 m电测深测网,采集二维对称四极测深数据。对该测区二维电极排列建立三维反演数据格式后,进行三维电阻率反演,获得测区三维电阻率图像,推断的基岩面与钻探验证基本一致。     

类中梯装置的大功率三维激电法在甘肃花牛山金矿勘查中的应用

时间域激发极化法是应用于金矿勘查的一种重要地球物理勘探手段,以往主要采用中梯扫面和激电测深组合的方法获取激电异常。中梯扫面受限于单一固定供电极距,仅能反映某一深度的激电异常分布;常规对称四极激电测深由于需要对固定测点布设不同极距的供电电极,工作效率较低,并且不适合三维探测。近些年随着大功率、阵列观测技术发展起来的类中梯激电装置可在观测区布设多组不同极距的供电电极,兼顾了激电测深与激电剖面二者的特点,为常年干旱的戈壁滩地区金属矿深部勘查提供了一种可能的探测手段。本文基于类中梯装置大功率三维激电测量技术在甘肃花牛山金矿区开展时间域激发极化法实验工作。实验结果表明：类中梯装置大功率三维激电观测能快捷高效获得研究区不同深度的激电异常;采用与类中梯装置相适应的三维反演方法对激电数据进行三维反演,可获取研究区地下三维精细电性结构;基于矿区的三维电性结构并结合相关地质资料构建的三维地质-地球物理模型,与矿区已知金矿点位置吻合,并发现了三处潜在成矿点;类中梯装置大功率三维激电测量技术在供电困难的戈壁滩地区金属矿勘查中应用效果明显。     

铬污染对土壤细菌群落结构及其构建机制的影响

重金属铬污染场迁移过程受多种不确定因素影响,其迁移特性和监测过程很难通过实验进行研究。依据地下水流动基本规律和污染物迁移机理,采用COMSOL软件仿真分析静储量铬污染源的迁移特性及其变化规律,通过开展静态土槽物理模型实验,验证数值正演模拟的可靠性和准确性;以迁移模型为监测基础模型,采用中梯剖面和对称四极测深装置,对铬污染场迁移过程进行双频激电法监测数值正演模拟,分析平整、起伏地形和测点方位布置对监测效果的影响。结果表明：在铬污染物迁移过程中,高渗透系数的透水层对重污染区域表现出强烈的吸附效应,同时会在短时间内加剧污染区域的横向扩散;在视幅频率峰值和视电阻率谷值的异常对应关系上剖面探测要优于测深探测;对称四极测深时,在污染场的投影边缘中央设置测点可更有效地提高测量精度;在进行剖面和测深探测时,山谷会造成激电曲线出现“多峰”现象;在凸起山峰两侧山陲设置供电电极,通过视幅频率和视电阻率曲线可综合确定重度污染区域的具体位置。研究成果丰富了双频激电法对重金属土壤污染场监测的理论,为铬污染场实时监测提供理论依据和技术指导,对推动生态环境保护具有积极意义。

     

起伏地形下偶极-偶极激电测深二维反演软件开发及应用

在有限元点源二维正演模拟中,采用第二类齐次边界条件结合相应的网格剖分技术,并将二维正演模拟程序引入到偶极-偶极激电测深二维反演中,编制相应反演程序并进行集成,形成集数据输入、反演计算、数据成图和结果输出为一体的二维反演软件。通过对起伏地形下的两个理论模型合成数据及一例实测数据的反演,反演结果表明反演软件有效。     

梯度电测深剖面法及其应用

针对常规直流电测深的应用情况,改革布极方式,研究提出梯度测深剖面法。该法能简化布极工序,可用多台接收机或多通道电测仪在多个电测深点上同时(连续)观测,大大提高工作效率。其装置有三极测深、四极测深和中梯测深等,其观测剖面上由于采用供电极稀设方式,能很好地适应二维正反演计算网格,宜于获得带地形的电阻率、极化率断面,实现电测深数据的层折成像。目前,该梯度测深方法已应用于金属矿勘查和工程勘察之中,取得成效。     

重力及其梯度异常正演的Moving-footprint大尺度模型分解方法

重力及其梯度异常正演计算效率决定了反演的可行性,也是高效构建足量、多样深度学习样本数据的基础。为了进一步提高重力及其梯度异常正演的计算速度,受航空电磁领域"Moving-footprint"快速正演技术的启发,本文在基于网格点几何格架函数空间域快速正演的基础上,提出了一种"Moving-footprint"大尺度模型分解的重力及其梯度异常正演计算方法。此方法在地下半空间内选择观测点正下方一定有效范围的子空间,该观测点异常近似为其对应子空间内长方体单元的异常和,而忽略子空间外长方体单元产生的异常;当观测点移动,其对应的子空间随之移动,从而可以将地下半空间长方体模型进行大尺度模型分解,为每一个计算点所对应的子空间进行正演计算。模型实验表明,在256x256x15个长方体模型的地下半空间内选取32x32x15的子空间进行计算,重力异常及部分梯度异常的相对平均误差小于10%,计算速度提高19倍;文中方法针对1024x1024x15个长方体模型计算时间约为32min,相比已有算法中存在的超常规计算量的瓶颈问题具有显著的计算优势。     

复杂条件二维重力场及重力张量场空间波数域正演方法

随着传感器技术的发展,重力场与重力张量场测量技术发展迅速,为实现地下密度分布精细反演提供了数据保障。正演是反演的基础,解决任意密度分布复杂地质体重力场与重力张量正演高效、高精度计算问题,是实现重力高效、精细反演、人机交互反演解释的关键。针对起伏地形和任意密度分布这种复杂条件下二维重力场及重力张量场高效高精度正演问题,这里提出了一种空间波数混合域正演算法,其关键环节包括:①结合新的矩形二度体组合模型波数域表达式和一维Gauss-FFT算法,提出了一种任意密度分布和起伏地形下重力场及重力张量高效、高精度正演算法;②采用新的二维正演算法,计算观测最高点和最低点之间多个不同高度水平网格重力场及重力张量,结合三次样条插值方法,实现了起伏地形上重力场及重力张量场高效、高精度正演。模型算例结果表明,新方法具有高效、高精度的显著特点。     

基于GPU的任意三维复杂形体重磁异常快速计算

提出了基于图形处理单元的任意三维复杂形体的重磁异常快速正演计算方法.将地下半空间剖分为大小相等规则排列的一组长方体单元,任意三维复杂形体可以表示成很多不同体积和密度(磁性)的长方体的近似组合.用解析方法计算出所有这些长方体在计算点的重力(磁力)异常,并累加求和,就可以得到整个模型体在计算点引起的重(磁)异常值.为了提高近似程度,需将地下半空间剖分得很细,用传统的CPU串行程序计算相当耗时.GPU在处理能力和存储器带宽上相对CPU有明显优势,采用GPU并行算法,可大大提高计算速度.相关试验结果表明,用GPU实现的正演快速算法计算结果正确,效率明显提高,为重磁异常三维物性反演提供了基础.     

基于Gauss-FFT技术高精度三维磁异常ΔT正演

三维磁异常傅里叶正演,能够计算整个场源区域内与磁化率分布网格一致的三维磁异常。通过三维傅里叶变换推导了长方体三维磁谱表达式,当源体埋藏较深或者位于反演区域边缘时,标准FFT正演异常场由于强制周期化,边界震荡等原因,使得正演结果发生较大的畸变,为了减少标准FFT算法引起的误差,引入了3DGauss-FFT技术用于三维磁异常频率域正演。通过简单的模型正演验证,从计算时间、计算精度以及内存需求上与空间域算法及标准3DFFT算法进行比较,结果表明,3DGauss-FFT磁异常正演相比于标准FFT算法在计算精度上有很大提升,显著降低了标准3DFFT由于自身缺陷引起的误差,且在运行时间上,4点3DGauss-FFT磁异常正演算法相对于空间域算法降低了三个数量级,但内存需求有所增加,证明了3DGauss-FFT正演方法在磁异常正演方面的高效性以及准确性。     

分块区域三维地质建模方法

区域三维地质建模是区域三维地质调查的关键。在大量反复实践的基础上,提出了分块三维地质建模方法,该方法的主要步骤为：以断裂、岩体边界和不整合等为边界,把复杂的三维地质建模区域分解为内部构造相对简单的建模块或建模地质单元;分别对各建模块进行地质地球物理综合研究,编制深部地质剖面,揭示深部地质结构;采用基于剖面的建模方法按照全区统一的坐标系统构建三维地质模型;在完成全区所有建模块三维地质模型构建之后,把各个建模块的三维地质模型集成在统一的三维空间框架下,形成全区的三维地质模型。该方法具有能够简化三维地质建模过程、易于修改完善模型、易于集成模型等优势,能够克服常规的基于剖面的三维地质建模方法中存在的问题,突破了大规模区域三维地质建模的瓶颈。在本溪-临江深部地质调查中的应用表明,采用该方法可以有效构建研究区的三维地质模型,并能充分表达复杂的地下深部地质结构,为开展复杂地区大规模区域三维地质建模提供了一个重要途径。     

基于混合网格有限元的直流电阻率法三维正演研究

直流电阻率法因效率高、成本低等特点广泛应用于有色金属、煤田等矿产资源勘探和地质调查行业。但在井–地、地–井电阻率法勘探过程中,钻孔因素(井液电阻率和钻孔孔径)对不同探测模式下视电阻率响应的影响尚未明确,是否影响视电阻率资料的解释是值得探讨的一个问题。因此,提出采用混合网格有限元法实现直流电阻率三维正演。给出异常电位法满足的边值问题及有限元变分问题,应用三棱柱和四面体混合网格实现对计算区域的快速离散,并建立2种网格的线性插值基函数和单元系数矩阵;采用SSOR–PCG迭代算法求解异常电位满足的大型线性方程组,得到各观测点的响应。在保证计算精度的前提下,应用混合网格有效地离散钻孔地电模型,探讨钻孔因素对井–地、地–井观测方式视电阻率数据的影响特征。对于井–地观测方式:钻孔附近视电阻率受钻孔因素影响最大,严重影响视电阻率资料的合理解释,但随着测点收发距的增加,视电阻率响应逐渐趋于围岩电阻率;而且随着发射源深度的增加,钻孔对地表视电阻率响应的影响也逐渐减小。对于地–井观测方式:钻孔因素对浅部数据影响较大,对深部数据影响小,相比于井液电阻率,视电阻率响应更易受钻孔孔径的影响。直流电阻率法混合网格有限元三维正演算法的提出,对实际井–地、地–井电阻率法勘探具有理论指导意义,可结合钻孔信息进行正演模拟分析,选择合适的收发距,有效压制钻孔因素对实测资料的影响。      

ZTEM二维非线性共轭梯度反演研究

ZTEM(Z轴倾子电磁法)是一种天然场源的频率域航空电磁法,其特点是磁场垂直分量在空中机载平台测量,磁场水平分量在地面的固定基站测量,具有勘探深度大、速度快、成本低、覆盖面积大等技术优势。本文实现了ZTEM二维有限差分正演和二维非线性共轭梯度(NLCG)反演算法。研究对象是倾子资料,反演过程中通过解"拟正演"问题来避开雅克比矩阵的直接计算。通过理论模型合成数据反演试算,验证了ZTEM倾子资料二维NLCG反演算法的稳定性与可靠性。与大地电磁(MT) TE模式阻抗资料反演结果进行对比,发现在异常体横向边界的约束方面,ZTEM倾子反演比MT阻抗反演更具优越性。     

大地电磁三维正、反演多核并行计算的设计与实现

首先以频点为并行粒度,完成了MT三维正演并行计算,然后将该算法引入共轭梯度法MT三维反演过程中的正演求数据的残差、反演方程右端项的求取、共轭梯度求解模型增量这三个计算环节中,使得MT三维反演中的主要计算量实现并行化。对编制的MT三维正、反演并行计算程序,在多核工作站上通过理论地电模型进行了正演试算和反演验证,并在串行和并行两种计算方式下进行了计算效率对比。     

直流电阻率三维正演的预条件共轭梯度法研究

三维电阻率法对反演的精度和速度的要求越来越高,而正演是反演的基础,因此直流电阻率三维正演计算的速度和精度是三维电阻率反演实用化的关键。这里利用对称超松弛预条件共轭梯度法(SSOR-PCG),求解有限差分法离散生成的大型稀疏线性方程组,预条件矩阵的选择大大降低了系数矩阵的条件数,结合矩阵的一维非零元素压缩存储模式,使得正演计算速度得以提高,而内存占用量明显减小。在直流电阻率三维正演中采用异常场法,提高了电源点附近的解的精度。利用编制的有限差分正演程序,对两层模型、垂直接触带模型和低阻异常体模型进行了数值模拟,计算结果表明该算法是可行的,且可以明显提高正演计算的速度和精度。     

利用地震资料预测煤层古河道冲刷带

为预测沁水盆地西缘某矿区煤层古河道冲刷带,开展了地震波数值正演模拟,利用地震属性分析技术,结合波阻抗反演技术、三维可视化技术等手段,研究了煤层古河道冲刷带分布的特征。后期钻孔验证表明,利用地震资料预测煤层古河道冲刷带的方法是可行的。