引用本文
张凯飞. 基于电性约束的NLCG反演在CSAMT资料中的应用[J]. 物探与化探, 2016,40(3): 629-634.
ZHANG Kai-Fei. The Application of CSAMT Data Processed with NLCG inversion based on electrical constraints[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2016,40(3): 629-634.
Doi:10.11720/wtyht.2016.3.29  
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基于电性约束的NLCG反演在CSAMT资料中的应用
张凯飞
铁一院甘肃勘察院物探新技术研究所,甘肃 兰州 730000

作者简介: 张凯飞(1986-),男,学士,工程师。

收稿日期: 2015-08-05
摘要

在研究可控源音频大地电磁测深与NLCG反演方法基本原理的基础上,分析了运用钻探、综合测井、地质、地震、高密度电法等先验信息的电性约束反演方法,并结合宝兰客专某隧道的实测CSAMT资料进行了电性约束反演前、后的对比分析,证明了约束反演结果在断层、风化层、岩性分界、地层厚度确定等方面的准确性更高。

关键词: CSAMT; NLCG; 综合测井; 初始模型; 电性约束
中图分类号:P631 文献标志码:A 文章编号:1000-8918(2016)03-0629-06 doi: 10.11720/wtyht.2016.3.29
The Application of CSAMT Data Processed with NLCG inversion based on electrical constraints
ZHANG Kai-Fei
Geophysics Department of Gansu ploration Institute of First Survey and Design Institute of China Railway, Lanzhou 730000, China
Abstract

Based on the research of controlled source audio-frequency magnetotelluric sounding and NLCG inversion method in this paper, The author analyzed the electrical constraint inversion method which used drilling, logging, geology, seismic, high density resistivity method as a kind of priori information,and combined the measured CSAMT data of a tunnel in the BAOLAN railway, contrasted and analyzed the result which used or not used the electrical constraint inversion, finded the constraint inversion results had a higher accuracy in finding fault, weathering, lithologic and determineing the boundary thickness.

Keyword: CSAMT; NLCG; comprehensive logging; the initial model; electrical constraints

目前, 可控源音频大地电磁测深法由于其勘探深度大、效率高、成本低、不受高阻层屏蔽、横向分辨率高、可灵敏地发现断层、抗干扰能力强等特点, 在长大深埋隧道勘察中得到了广泛的运用, 但是由于静态效应、近场效应、初始模型选择等问题的存在, 使得CSAMT资料的后期处理中存在各种问题, 影响最终的地质解释。然而在现实生产工作中, 由外业踏勘、地质资料、钻孔资料以及前期高密度电法、地震等资料[1]的收集, 我们能提取出大量相关的物探与地质等先验信息, 如果将这些先验信息融入到CSAMT资料的反演处理中, 肯定能提高资料解释的准确性与合理性[2]。电性参数约束反演的思想是21世纪初由王绪本教授等提出的一种提高大地电磁测深分辨率的方法, 并且开发了基于OCCAM方法的电性约束反演的软件模块[3], 在实际隧道勘探中也得到了较好的运用效果。

文中分析了基于电性约束的NLCG反演方法, 并结合宝兰客专某隧道CSAMT实测数据进行了对比分析, 认为将地球物理先验信息以约束项的形式融入到CSAMT的资料反演解释中, 有着重要的现实意义。

1 理论基础

可控源音频大地电磁法(CSAMT)是人工源频率域测深方法。由于不同频率的电磁波在地下传播有不同的趋肤深度, 通过对不同频率电磁场强度的测量就可以得到该频率所对应深度的地电参数, 从而达到测深的目的。它通过沿一定方向(设为x方向)布置的供电电极AB向地下供入某一音频f的谐变电流Ι =Ι 0e-iω t(ω =2π f), 在一侧60° 张角的扇形区域内, 沿x方向布置测线, 沿测线逐点观测相应频率的电场分量和与之正交的磁场分量Hy, 进而计算卡尼亚视电阻率 ρa=|Ex|2ωμ|Hy|2和阻抗相位 φz=φ-φHy, 式中, φ 、 φHy为和Hy的相位, μ 是大地的磁导率, 通常取μ 0=4π × 10-7 H/m。在音频段(n× 10-1~n× 103 Hz)逐次改变供电电流和测量频率, 便可测出卡尼亚视电阻率和阻抗相位随频率的变化, 从而得到卡尼亚视电阻率、阻抗相位随频率的变化曲线, 完成频率测深 49。

NLCG法是由Fletcher 和Reeves(1964)提出来的一种改进的共轭梯度法, 其基本思想是把共轭性与最速下降方法结合, 将常规共轭梯度法的β k变化为 βkFR=‖ gk+1‖ 2/‖ gk‖ 2来求取高于二次的连续的目标函数Φ (x)的最优化解, 其大致算法详见参考文献[10-11]。笔者分析的电性约束主要为初始模型设置与模型参数选择, 选取岩石物性与几何参数的混合约束方式, 根据实际需要来选择区间约束和固定约束模式。具体到NLCG反演中的主要思想如下。

1) 根据已知的先验信息设置一个新的先验地电模型, 即新的模型目标函数Φ 0(x);

2) 再给予一定的权重系数a和约束矩阵C后与目标函数Φ (x)结合, 创建一个新的目标函数: Φn(x)=a‖C(Φ(x)-Φ0(x))‖2+‖∂Φ(x)‖2;

3) 依据实际模型需要, 设置好初始模型背景值以及约束类型, 带入NLCG反演步骤即可。

2 工程实例
2.1 工程概况

宝兰客专秦安— 兰州段是陕兰通道的重要组成部分, 位于秦安境内的某隧道是该段铁路的控制性工程之一。隧道全长4.92 km, 最大埋深达380 m, 横穿天巉高速公路, 山高坡陡, 沟壑交错, 地形恶劣, 交通较差。测区大部为第四系上更新统风积黏质黄土层覆盖, 出露有第四系全新统滑坡堆积体、阶地冲积层、第四系上更新统风积黏质黄土、新近系泥岩(局部可能夹有泥质砂岩)、震旦系变砂岩、华力西期花岗岩。任务要求查明隧道通过区第四系覆盖层厚度、土石分界线、风化层厚度、震旦系变砂岩及华力西期花岗岩起伏形态及岩体的完整性; 隧道洞身基岩的电阻率、岩体的完整性, 线路通过区段断层、岩性接触等构造情况以及富水情况。

针对该隧道埋深大、洞身长的特点, 决定在该隧道开展CSAMT方法[12], 项目采用的是加拿大凤凰

公司最新的V8多功能电法仪, 运用“ 双发多收” 的采集模式[13], 沿隧道中线布置测线, 测点距选择为25 m, 标量采集, 采集时长50 min。在线路里程DK816+495右26 m处布置了钻孔BZ-1, 对应的CSAMT测点号为S15-6; 在DK815+693右22 m处布置了钻孔BZ-2, 对应的CSAMT测点号为S21-2。钻孔岩性资料和通过收集的测井资料提取的相应层位的电性参数见表1。

表1 工区电性参数信息
2.2 CSAMT资料处理

该隧道共计完成CSAMT剖面4.92 km, 累计完成CSAMT测点220个。采用目前较先进的大地电磁测深数据处理软件Winglink, 通过D+数据预处理[14]、定性分析、多次对比、不断优化初始模型与反演参数、约束反演、定量解释[15]、地质综合解释得到了最终物探成果, 具体资料处理过程见图1。

图1 资料处理流程

本次资料处理与常规资料处理的最大不同之处在于将前期收集的其他物探资料与已知地质资料整合分析, 用这些先验信息建立约束项, 参与到数据的二维反演中, 从而使资料反演结果更合理可靠。

2.3 反演模型与结果对比分析

资料处理采用了常规NLCG反演和基于电性约束的NLCG反演两种方法, 在有限差分模型单元剖分、有效拟合频段的确定、正则化因子选取、权重系数设置、迭代次数、拟合误差[16]的选取等方面都采用相同的参数, 不同之处在于:结合综合测井与地质调查等先验信息, 后者加入了电性约束项。初始模型背景电阻率设置为50 Ω · m, 如图2、图3所示。

图2 约束反演背景值设置

图3 约束模型建立示意

2.4 资料解释与效果分析

对比图4可以发现, 加入约束项反演前后结果在整体效果上趋势一致, 即呈现出左侧大里程为高电阻电性特性(结合地质资料推测该段为华力西期花岗岩), 右侧小里程为相对低电阻电性特性(推测为第三系泥岩), 在表层均存在一层薄厚不一的不规则电性异常层(推测为不均匀风化层)。但在电阻率值分布、岩性分界线位置确定, 地层厚度确定方面两者结果的准确性存在一定差异, 主要体现在以下几个方面。

图5 加入约束项（上）和常规参数（下）的NLGG反演成功

1) 岩石对应电阻率特征, 约束反演前泥岩电阻率在反演断面上分布范围为50~150 Ω · m; 花岗岩电阻率在反演断面上分布范围为100~500 Ω · m; 不均匀风化成电阻率在反演断面上分布范围为150~500 Ω · m。而实际化验结果显示该地区泥岩电阻率实际分布在20~50 Ω · m, 花岗岩实际电阻率分布在50~400 Ω · m(局部由于挤压作用破碎且含水), 约束反演后的结果在电阻率值分布上明显要与实际情况更相符。

2) 由图5、图6对比分析钻孔1下伏的岩性分布特征, 在S15-6测点下方覆盖层、风化层厚度确定上, 约束反演后的结果与实际(实际由地表至39 m处为黄土覆盖层; 39 ~80 m段为泥岩风化层)对应更好, 而且在横向上的延续性更好。

图5 钻孔1处电性约束反演结果

图6 钻孔1处常规反演结果

3) 在岩性分界线划分方面, 由图7、图8对比分析, 约束反演前, 泥岩与花岗岩分界线更靠近大里程(左侧)位置, 且形态上更陡, 而约束反演后的岩性分界线的位置和深度上均有变化, 主要体现为:深度变浅, 位置向小里程便宜且形态上相对平缓。就钻孔2揭示的情况:在深度230 m处见花岗岩, 即S21-3测点下伏230 m处为泥岩与花岗岩分界线, 对比明显约束反演后的结果在位置和深度上都对应更好, 且与目前实际隧道开挖结果(开挖至DK816+397.5 m处现泥岩花岗岩分界线)吻合较好。

4) 在异常判定方面, 由图9、图10对比分析, 约束反演前, S4号排列上伏出现一电阻率在300 Ω · m左右的高阻异常, 下伏出现一电阻率在50 Ω · m左右的低阻异常, 无法合理解释, 而约束反演后, 则没有出现之前的异常, 并与目前实际开挖吻合较好。

图7 钻孔2处电性约束反演结果

图8 钻孔2处常规反演结果

图9 S4排列处电性约束反演结果

图10 S4排列处常规反演结果

3 结论与建议

通过对该方法的研究分析可以看出, 基于电性约束的NLCG反演是一种加入了已知地质资料等先验信息的研究方法, 符合物探由已知到未知的一般研究规律。基于电性约束的NLCG在CSAMT反演中的运用, 由初始模型建立、先验信息收集、约束条件限定、目标函数修改(加入约束项)、NLCG约束反演、对比解释提出了一套适合于CSAMT的约束反演方法, 并且结果表明该方法在岩石物性参数、断层、风化层、岩性分界、地层厚度确定等方面的准确性明显要高于一般反演的结果, 更加符合实际客观地质情况。

但是实际反演运算中同时发现该方法还存在一些问题:加入约束项后反演运算速度降低, 如果采取紧束容易陷入局部极值反演出错, 需要不断试算得到最佳效果。

针对该方法的优缺点, 笔者认为该方法将野外踏勘等收集到的已知地质资料以先验信息的约束项加入到CSAMT资料的反演处理中, 可以充分合理的运用这些先验信息, 具有广泛的运用前景。同时由于目前的大地电磁反演应用多停留在二维阶段, 对于约束反演也局限在二维范围内, 与实际地质情况还是存在一定差异, 有必要开展三维方面的反演软件开发, 并引入到三维约束反演中, 这样更有利于提高该方法的分辨率与精度, 也能进一步促进大地电磁测深方法的发展与进步。

致谢:本文在资料收集与撰写过程中得到了韩永琦教高以及蔡少峰、胡路明等高级工程师的大力支持与悉心指导, 在此一并表示谢意!

The authors have declared that no competing interests exist.

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