印模法在AMT数据处理中的改进与应用
孔志召1,2, 山科社1, 吴勇1, 艾虎1, 王泽霞1
1.核工业航测遥感中心,河北 石家庄 050002
2.吉林大学 地球科学学院,吉林 长春 130000

作者简介: 孔志召(1984-),男,在读研究生,主要研究方向为大地电磁测量及应用。E-Mail:kzz703@163.com

摘要

在AMT数据处理中,反演模型的构建决定了最终的反演结果,不合理的反演模型直接导致反演结果的偏差。利用前人提出的印模法思想,对该方法进行了一些改进:以一维TM模式平均电阻率为均匀半空间模型电阻率进行二维反演,并以此反演结果作为元模型,全区一维平均电阻率为辅模型,理论探测深度为印模深度,构建新的反演模型。通过实例对比,认为采用该方法建立的模型能够较好地反映相应的地电结构,达到全区的平衡和统一,具有较好的应用效果。

关键词: AMT; 二维反演; 印模法; 模型构建
中图分类号:P631.1 文献标志码:A 文章编号:1000-8918(2015)02-0416-05
The improvement and applications of the impression method in AMT data processing
KONG Zhi-Zhao1,2, SHAN Ke-She1, WU Yong1, AI Hu1, WANG Ze-Xia1
1.Airborne Survey and Remote Sensing Center of Nuclear Industry,CNNC,Shijiahuang 050002,China
2.College of Earth Science,Jilin University,Changchun 130000,China
Abstract

In AMT data processing, inversion model construction determines the final inversion, whereas the inversion model of unreasonable deviation leads to erroneous inversion result. Based on thought of previously proposed impression method, the authors made some improvements in this paper: 2D inversion is conducted by using the average resistivity of one-dimensional TM model as uniform half space model resistivity and then, with the inversion result as the element model, the average resistivity as the auxiliary model, and the theoretical probing depth as theimpression depth, a new inversion model is constructed. Comparative studies of examples show that the methods used in this model can better reflect the corresponding geoelectric structure and achieve the balance and unity in the region, thus exhibiting good application effect.

Keyword: AMT; impressing method; 2D inversion; model construction

音频大地电磁测量(AMT)法以其轻便的装置和较高的分辨率在我国南方花岗岩地区得到了广泛的应用, 特别是在隐伏断裂、岩体的探测方面发挥了重要的作用。目前, AMT数据二维反演方法主要有OCCAM[1]、 RRI[2]、REBOCC[3]、SBI[4]、NLCG[5]等, 无论采用何种方法, 其实质都是通过反复修改假设模型, 使正确的结果与实测的资料最为接近, 而最终的假设模型就是二维反演成果。因此, 不同的初始反演模型其反演结果也各不相同, 甚至出现相差甚远的结果, 特别是NLCG法, 对初始模型的选择存在依赖性。陈孝雄等[6]认为:纵向分辨率随着初始模型接近实际电性结果, 分辨率逐步提高, 初始模型的好坏对反演结果的效果影响甚大。叶涛、陈小斌等认为[7], 只有当电阻率取值接近真实模型时, 得到的围岩电阻率接近真实模型的值。因此, 如何正确选择合适的初始反演模型, 成为数据二维反演的关键因素。据此, 叶涛、陈小斌等相继提出了印模法的思想[8], 依据已有反演结果和均匀半空间模型之间的加权来确定下一步二维反演的初始模型, 它一方面保留了已有反演结果中关于真实模型的宏观轮廓信息, 另一方面保证了深部电性结构的均匀性, 从而满足大地电磁二维正演所要求的底边界条件, 这为模型的建立提供了一个很好的思路。

笔者从该理论出发, 利用湖南省汝城县秀才洞地区AMT实测数据, 结合已有的钻孔资料, 以NLCG法进行数据反演中的模型选择作为本次研究的重点, 通过印模法的实际应用, 对该方法进行了进一步的改进, 既考虑了均匀半空间模型反演的有效性, 又顾及了全区电阻率分布, 从而得到接近于实际地质情况的反演结果。

1 地质背景

研究区位于鹿井矿田西南部[9], 出露的地层主要为寒武系香楠组、茶园头组及震旦系埃歧岭组, 为一套以砂岩、含炭板岩为主的浅变质岩系(图1)。岩浆岩广泛分布, 东部主要为印支期第二阶段(桃金洞岩体)中粗粒斑状黑云母二长花岗岩, 南部主要为燕山早期第三阶段(中棚岩体)中细粒二云母二长花岗岩, 局部有燕山早期第一阶段(九峰岩体)中粒斑状黑云母二长花岗岩。研究区断裂分布密集, 以NE向断裂为主。

图1 湖南省汝城县秀才洞地区地质简图[7]
1— 第四系; 2— — 寒武系茶园头组; 3— 寒武系香楠组; 4— 震旦系埃歧岭组; 5— 中棚岩体; 6— 九峰岩体; 7— 桃金洞岩体; 8— 加里东期细粒石英闪长岩; 9— 细粒花岗岩脉; 10— 伟晶岩脉; 11— 岩性界线; 12— 断裂及其编号; 13— AMT测线; 14— 钻孔

选择研究区中位于燕山早期第三阶段中棚岩体的一条地质勘探剖面, 开展音频大地电磁测量工作。该剖面共布置了4个钻孔, 最大揭露深度789.11 m, 在揭露深度内岩性以中细粒二云母二长花岗岩为主, 断裂构造发育, 以F2断裂为界, 上部呈细脉式, 表现为小断裂的密集发育, 下部表现为带状, 以硅化、钾长石化发育为特征(图2)。地质情况较为明了, 以其作为研究的对象, 讨论模型建立的方法。

图2 秀才洞地区L01线钻孔剖面[7]

2 均匀半空间模型反演

在常规处理方法中, 一般采用均匀半空间模型进行二维反演。图3即为本次采用100、1 500和5 000 Ω · m作为均匀半空间模型取得的反演结果。由图可见, 图3a与后两者相差甚远, 图3b、c整体面貌特征相同, 但图3c断面所反映的高阻体范围明显扩大, 只有图3b反演结果与地质情况吻合较好。这可以说明在均匀半空间值ρ D取值差别较大时, 其反演结果模型与实际地质情况相差甚远, 换言之, 当均匀半空间的电阻率值不合理时, 反演结果并不可靠。如何才能真实地反映地电结果特征呢?

图3 L01线不同电阻率均匀半空间模型反演结果

在大地电磁反演中, 由于一维反演结果是对真实模型的一阶近似, 在一定程度上反映了观测数据所对应的真实模型特征。笔者通过研究区内多条测线的反演结果统计发现, 采用ρ D作为均匀半空间模型, 当其二维反演电阻率的算术平均值ρ 2D与一维TM模式反演电阻率算术平均值ρ 1D大体一致时(相同深度), 其反演结果往往能真实地反映地电结构特征, 而二维反演电阻率的算术平均值ρ 2D与均匀半空间模型值ρ D同样较为接近, 即:ρ Dρ 2Dρ 1D。也就是说, 当均匀半空间电阻率值接近于目的深度一维TM模式反演平均电阻率值时, 所得的反演结果模型与真实地质模型较为一致。然而, 采用这种方法有一个较大的缺点:当在一个工作区使用时, 由于地形、地质条件以及场源、仪器等变化的影响, 各线之间实测资料有较大差异, 使得各线一维TM模式反演电阻率ρ 1D之间差别明显, 倘若采用统一的均匀半空间电阻率进行反演, 其结果也必然导致反演结果的不可靠。叶涛、陈小斌等提出的印模法[8], 为均衡这种差异提供了思路。

3 印模法原理

印模法是将初始模型的某个深度以下设为均匀半空间, 在该深度以上区域(浅部)采用加权求和的方式确定该处的电阻率值。由这种方法获得的初始模型, 其浅部保留了已有反演结果的主要几何轮廓, 就像一枚印章盖在一张白纸上一样。其中已有反演结果模型称为“ 元模型” , 均匀半空间模型称为“ 辅模型” , 用于区分均匀半空间和混合加权区边界的深度被称为“ 印模深度” , 将印模深度以上保留原有反演结果轮廓的区域称为“ 印模区” 。

如图4所示, 加权求和的方法主要采用线性加权法, 假设初始模型的印模深度为d, 均匀半空间(辅模型)的电阻率值可以是已有反演结果(元模型)在印模深度d处的平均电阻率值, 也可以人为设置。印模区的电阻率值ρ a为元模型与辅模型电阻率值的线性加权和:

ρa=d-hdρh+hdρd, 0h< dρa=ρd,      hd

式中, ρ h为元模型在某一横向位置下深度h处的值, ρ d为辅模型的电阻率值, ρ a为新构建的初始模型中某一点处的电阻率值。

图4 利用印模法构建大地电磁二维反演初始模型示意

4 印模法改进与模型建立方法

根据印模法基本思想, 采用一维反演结果作为元模型, 采用均匀半空间模型为辅模型, 但所得的反演结果并不理想, 挂面条现象仍然存在。经笔者不断试验, 采用均匀半空间模型反演结果为元模型, 全区平均电阻率为辅模型, 效果更佳。

4.1 印模深度的选取

陈小斌等认为印模深度的选取主要依据反演结果模型电阻率和初始模型的过渡区:当元模型的深部电阻率值比较大, 大于真实模型的基底电阻率值, 可以选择过渡区的极小值点作为印模深度; 反之, 则可以选择过渡区的极大值点作为印模深度[7]。笔者认为, 该过渡区的存在与探测深度有很大的关系:根据印模法原理, 由于元模型就是实测数据的反演雏形, 辅模型可看作为区域电阻率特征, 当反演深度大于数据频率范围内有效探测深度时, 深部反映为辅模型的电阻率值。陈明生认为[10], 利用博斯蒂克反演深度判定实际探测深度是较为合理的一种方法, 有效探测深度可用d=356 ρ/f求取, d代表有效探测深度, ρ 为一维TM模式平均电阻率值, f为实测数据最小频率。由该式求出研究区内每条测线的有效探测深度, 并以此作为印模深度值。笔者经过多次对比发现, 印模深度取全区有效探测深度平均值时同样可以得到较好的反演结果。

4.2 元模型与辅模型的建立

由前文可知, 以一维TM模式反演电阻率平均值作为均匀半空间模型, 进行二维反演后, 基本上可以得到较好的结果, 因此, 选用该反演结果作为元模型, 将全区一维TM模式平均电阻率为辅模型, 建立反演模型。步骤如下:①依次求取全区各条测线的一维TM模式反演电阻率算术平均值ρ 1D, 并依此求得全区一维TM模式平均电阻率ρ 0; ②以各线的ρ 1D为均匀半空间模型, 进行一次二维反演, 并将其反演结果保存为M1; ③以均匀半空间反演结果M1为元模型, 全区一维TM模式平均电阻率ρ 0为辅模型(ρ 0d), 有效探测深度d为印模深度, 从而得到如图4c所示的印模法初始模型。

4.3 印模法反演实例及其结果分析

通过以上方法建立初始模型后, 即可对实测数据进行二维反演。以L01线为例, 本次采用TM、TE模式的数据联合反演, 门限误差分别为2%和5%。利用测点中心网格自动生成法构建二维反演网格, 正则化因子的选择采用了L曲线分析法, 从0.001~1 000之间选择了一系列正则化因子, 一般选取L曲线的转折点作为拟合程度和模型粗糙度折中的最佳正则化因子, 如图5所示。图中横坐标“ sqrt(f)” 中的“ f” 为模型约束目标函数。通过L曲线分析可知, 本次反演L曲线的转折点位于10~100之间, 30为L曲线的拐点位置, 因此选择30为正则化因子。

图5 L01线正则化因子L曲线分析

由一维TM模式反演求得该线的平均电阻率约为1 500 Ω · m, 首先采用1 500 Ω · m作为均匀半空间模型进行二维NLCG反演, 得到如图6a中所示的结果, 该反演结果反映的电性结构特征与钻孔揭露较为吻合, 但就全区来看, 无法统一起来。随后将该反演模型作为元模型, 以全区一维TM模式所求得的平均电阻率值(ρ 0)作为辅模型, 经统计, 全区平均电阻率约为3 000 Ω · m, 即ρ 0=3 000 Ω · m, 由最小频率(f=15.8 Hz)求得印模深度应为3 500 m, 以此作为反演模型进行二维NLCG反演后, 结果如图6b所示, 其整体特征与图6a结果相似, 从全区来看更能与其他相邻测线相一致。

图6 L01线均匀半空间法与印模法反演后结果对比

L01线位于燕山早期第三阶段中棚岩体中, 局部有燕山早期第一阶段九峰岩体, 两期岩体的电性差异不大, 在AMT反演结果中无法区分, 但其对断裂构造反映较为明显。如图6所示, 大致以F2断裂为界, 上盘以凹槽状低阻特征为主, 钻孔揭露该段岩层以密集细裂隙为主, 岩石较为松散, 黄铁矿化、水云母化发育; F2下盘至F5断裂呈带状高阻特征, 钻孔揭露为岩石硅化、钾长石化发育。可以看出, 图6b的电性特征与上述地质条件较吻合, 能更好地反映地电结构。由此可以推断断面右侧平距700~1 000 m的区域为裂隙密集发育的反映。

5 结论

采用经过改进的印模法构建复合模型, 对AMT实测数据进行处理, 所反映出的地电结构能够较好地吻合已知的地质情况; 该模型减少了原有印模法中多次迭代计算等问题, 大大减少了反演时间, 在模型建立过程中多处采用了统计计算, 为模型的建立提供了可靠的依据。

在实际应用中应注意以下几点:

(1)在一维电阻率统计中存在深度与电阻率的辩证问题, 二者之间是相互关联的, 在统计时应首先计算平均值、标准偏差等, 剔除电阻率差异较大的(如大于平均值以上3倍标准偏差), 减少基数。

(2)改进的印模法模型的构建是以一维TM模式平均电阻率为均匀半空间电阻率进行一次二维反演, 然后以该反演结果为元模型, 以全区一维TM模式电阻率平均值为辅模型, 印模深度为理论探测深度, 进行二次二维反演。

(3)改进的印模法数据处理结果与相对应的均匀半空间模型反演结果具有相近的特征, 能更好地反映地电结构的特征; 从全区测线的反演结果来看, 显示出相邻各线有机地统一, 区域地质面貌得到较好地反映。

综上所述, 印模法在NLCG模型选择中具有较好的应用效果, 其他算法也可相应按照该方法进行模型建立。

本次方法试验基于MT-Pioneer(V5.05), 中国地震局地质研究所陈小斌研究员提供了软件和理论支撑, 在此致以真诚的感谢。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献
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