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物探与化探  2025, Vol. 49 Issue (2): 433-440    DOI: 10.11720/wtyht.2025.1422
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基于BP神经网络的时域激电谱Cole-Cole模型参数反演及应用
杨海明1(), 姚卫星1(), 唐塑1, 潘展超1,2, 关力伟1,2
1.中国地质调查局 乌鲁木齐自然资源综合调查中心,新疆 乌鲁木齐 830057
2.中亚造山带成矿预测与找矿示范创新基地,新疆 乌鲁木齐 830057
Parameter inversion and application of the Cole-Cole model for time-domain induced polarization spectra based on the backpropagation neural network
YANG Hai-Ming1(), YAO Wei-Xing1(), TANG Su1, PAN Zhan-Chao1,2, GUAN Li-Wei1,2
1. China Geological Survey Urumqi Comprehensive Survey Center on Natural Resources, Urumqi 830057, China
2. Innovation Base of Metallogenic Prediction and Prospecting in Central Asia Orogenic Belt, Urumqi 830057, China
全文: PDF(3859 KB)   HTML
输出: BibTeX | EndNote (RIS)      
摘要 

Cole-Cole模型的频谱参数可以提升时间域激电数据综合解释的分辨率,对于寻找金属矿有一定的潜力。利用BP神经网络模型预测反演频谱参数,不仅能够避免复杂的计算量提升反演速度,还可以充分挖掘时间域激电数据的使用效率来丰富地下矿体特征信息。基于此,本文利用数字滤波算法获得时间域视极化率衰减曲线表达式,以此表达式为正反演模型,对比探究训练集样本数、输入神经元个数、隐含层节点数和隐含层层数4种因素对BP神经网络模型训练及反演效果的影响,并筛选出最合适模型;进一步采用8个时间窗口的时间域激电数据,将训练好的BP神经网络模型应用在野外实测的时间域激电数据进行预测反演。研究结果表明,BP神经网络模型在理论数据集和实测数据集反演频谱参数均是可行的,反演效果具有精度高、误差小的特征,对于区分共生、伴生矿,减少误判有所帮助,具有一定的研究意义。

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杨海明
姚卫星
唐塑
潘展超
关力伟
关键词 Cole-Cole模型时间域激电BP神经网络反演    
Abstract

The spectral parameters of the Cole-Cole model can improve the resolution of comprehensive interpretation of time-domain induced polarization (IP) data, contributing somewhat to the exploration of metal deposits. Applying the backpropagation neural network (BPNN) model to the prediction and inversion of spectral parameters can avoid high computational complexity to improve the inversion speed. Moreover, the BPNN model can fully explore the utilization efficiency of time-domain IP data to enrich the characteristic information of subsurface ore bodies. Based on this, this study derived the mathematical expression of the time-domain apparent polarizability attenuation curve using the digital filtering algorithm. With the mathematical expression as the forward/inverse model, this study comparatively analyzed the impacts of four factors-the sample size of the training set, the number of neurons in the input layer, the node number of hidden layers, and the number of hidden layers-on the training and inversion effects of the BPNN model, determining the optimal model. Furthermore, this study trained the BPNN model using time-domain IP data from eight time windows. Finally, this study applied the trained BPNN model for prediction and inversion based on the measured time-domain IP data. The results indicate that the BPNN model is feasible in inverting spectral parameters based on both theoretical and measured datasets, manifesting high inversion accuracy and minor errors. Overall, the results of this study can assist in distinguishing paragenetic and associated minerals and reducing misinterpretation.

Key wordsCole-Cole model    time-domain induced polarization    backpropagation neural network    inversion
收稿日期: 2024-10-21      修回日期: 2025-01-02      出版日期: 2025-04-20
ZTFLH:  P631  
基金资助:中国地质调查局矿产资源评价项目“新疆阿勒泰清水泉—昌吉双泉金矿重点调查区调查评价”(DD20230380)
通讯作者: 姚卫星(1986-),男,高级工程师,主要从事金属矿山物探方法研究工作。Email:wtyaoweixing@163.com
作者简介: 杨海明(1991-),男,工程师,硕士,主要从事电法勘探正反演研究工作。Email:yanghaiming009@163.com
引用本文:   
杨海明, 姚卫星, 唐塑, 潘展超, 关力伟. 基于BP神经网络的时域激电谱Cole-Cole模型参数反演及应用[J]. 物探与化探, 2025, 49(2): 433-440.
YANG Hai-Ming, YAO Wei-Xing, TANG Su, PAN Zhan-Chao, GUAN Li-Wei. Parameter inversion and application of the Cole-Cole model for time-domain induced polarization spectra based on the backpropagation neural network. Geophysical and Geochemical Exploration, 2025, 49(2): 433-440.
链接本文:  
https://www.wutanyuhuatan.com/CN/10.11720/wtyht.2025.1422      或      https://www.wutanyuhuatan.com/CN/Y2025/V49/I2/433
Fig.1  两类视极化率衰减曲线对比
Fig.2  BP神经网络模型
Fig.3  3-[5]-3模型结构的训练集(a)、验证集(b)、测试集(c)、数据总集(d)回归曲线
Fig.4  8-[3 3]-3模型结构的训练集(a)、验证集(b)、测试集(c)、数据总集(d)回归曲线
Fig.5  8-[10 10 10]-3模型结构的训练集(a)、验证集(b)、测试集(c)、数据总集(d)回归曲线
Fig.6  8-[10 10 10]-3模型传递误差随训练次数变化曲线
Fig.7  8-[3 3]-3模型结构的频谱参数回归曲线:(a)频率相关系数、(b)充电率、(c)时间常数
Fig.8  8-[10 10 10]-3模型结构的频谱参数回归曲线:(a)频率相关系数、(b)充电率、(c)时间常数
参数 c m τ
模型结构 R Mse R Mse R Mse
3-[3]-3 0.686 672 0.164 371 0.659 548 0.178 509 0.616 054 0.226 556
3-[5]-3 0.703 721 0.158 974 0.699 014 0.177 708 0.680 032 0.190 873
5-[5]-3 0.825 955 0.105 401 0.833 382 0.090 517 0.726 354 0.209 827
8-[10]-3 0.883 236 0.124 673 0.869 024 0.120 921 0.853 044 0.152 909
8-[15]-3 0.833 561 0.165 781 0.812 135 0.143 291 0.752 719 0.190 345
8-[3 3]-3 0.826 257 0.095 627 0.840 143 0.100 481 0.804 028 0.187 341
8-[5 5]-3 0.945 304 0.038 803 0.953 647 0.046 215 0.873 556 0.180 023
8-[10 10]-3 0.956 072 0.035 238 0.965 203 0.026 610 0.924 37 0.119 473
8-[15 15]-3 0.943 289 0.424 467 0.949 861 0.058 321 0.879 808 0.130 944
8-[3 3 3]-3 0.955 658 0.043 565 0.980 468 0.028 764 0.915 581 0.125 348
8-[5 5 5]-3 0.975 376 0.032 639 0.982 149 0.027 649 0.973 748 0.071 334
8-[10 10 10]-3 0.992 135 0.018 607 0.997 192 0.011 095 0.996 653 0.025 730
8-[15 15 15]-3 0.979 347 0.033 456 0.969 457 0.037 855 0.968 965 0.085 321
Table 1  BP神经网络训练频谱参数的相关系数R及均方误差Mse(8 000样本集)
Fig.9  视极化率和视电阻率异常曲线
Fig.10  激电测深视极化率(a)、视电阻率(b)等值线断面
Fig.11  实测数据代入BP神经网络中训练与预测反演频谱参数等值线图:(a)频率相关系数、(b)充电率、(c)时间常数
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