CN108345049B - 地下工程不良地质探测多方法约束反演与联合解释方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了地下工程不良地质探测多方法约束反演与联合解释方法，将钻探获得的岩体电阻率变化范围作为不等式先验约束信息和将前述综合方法获得的不良地质体的轮廓作为空间结构先验约束信息施加到三维电阻率跨孔CT反演方程中，执行多元信息约束联合反演，最终获得探测区域精细化的三维地质结构成像结果。本发明提出的充分利用多种探测信息进行相互约束和联合解译方法，大大优于传统多种探测手段依靠简单对比、相互验证的思路，能够最大限度地发挥综合探测的优势，对地质异常的探查识别和定位精度方面有了显著提高。

Description

地下工程不良地质探测多方法约束反演与联合解释方法

技术领域

本发明涉及地下工程探测技术领域，特别是涉及地下工程不良地质探测多方法约束反演与联合解释方法。

背景技术

近年来，我国地下工程建设进入飞速发展阶段，由于地质结构发育和分布的复杂性和隐蔽性，在施工前期难以全面查清不良地质情况，导致在施工过程中经常会遇到塌方、地表沉陷等地质灾害，灾害一旦发生轻则冲毁机具、正常施工被迫中断，重则造成重大的人员伤亡和巨大的经济损失，甚至有些工程会因此而被迫停建。因此，如何避免和处理遇到的各种不良地质问题，成为在不良地质区修建地下工程的关键所在。然而，目前单一探查方法的探测准确率有限，利用多种地球物理手段“普查”和“详查”联合探测是目前工程中应用最多的方法。

但目前综合探测大多数只是简单地将各自的解译结果进行比对分析、彼此验证和补充，不同探测方法和数据之间不存在相互联系和信息传递过程，缺乏系统性及联合解译准则。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明提供了地下工程不良地质探测多方法约束反演与联合解释方法，采用多种探测结果信息作为先验约束，实现了基于信息传递和多元地球物理信息的联合反演解释，显著压制了解译的多解性，可以对地下目标体准确地进行三维定位和成像，提高了综合探测的准确性和可靠性。

地下工程不良地质探测多方法约束反演与联合解释方法，包括：

在探测区域利用地表高密度电阻率法进行探测，获得地下地层的电阻率分布结构；

在探测区域利用瞬变电磁法进行探测，将探测数据进行处理时，以利用地表高密度电阻率法获得的电阻率分布结构作为背景场，获得地层的视电阻率分布；

针对地层的视电阻率分布初步确定异常体发育区的范围；

在异常体发育区的范围内的地表布置钻孔孔位，并在相应位置进行钻孔取芯，获得钻探信息即岩体电阻率变化范围；

综合钻探信息以及地表高密度电法和瞬变电磁法探测结果，给出地下异常体发育的轮廓；

将地表钻探获得的岩体电阻率变化范围作为不等式先验约束信息、将获得的异常体发育的轮廓作为空间结构先验约束信息施加到三维电阻率跨孔CT反演方程中，执行多元信息约束联合反演，最终获得探测区域精细化的三维地下异常体发育结构成像结果。

进一步的，所述三维电阻率跨孔CT反演方程中，电阻率CT反演目标函数如下：

Φ＝(Δd-AΔm)^T(Δd-AΔm)+λ(CΔm)^T(CΔm) (1)

式中，Δd为实际观测数据与正演理论观测数据的差向量，Δm为模型阐述的增量向量，A为偏导数矩阵，C为光滑度矩阵；λ为拉格朗日常数，代表光滑约束的权重。

进一步的，反演方程求解过程中增加已知先验信息，将由钻孔获得的岩体电阻率的范围作为不等式约束施加到反演方程中：

ρ_mini≤m_i≤ρ_maxi,i＝1,2,…,m

式中m_i为第i个网格的电阻率，ρ_mini和ρ_maxi分别为第i个网格的电阻率的下限和上限。

进一步的，将空间结构约束施加到常规三维电阻率CT探测反演目标函数中，具体为：

Φ＝(Δd-AΔm)^T(Δd-AΔm)+λ(CΔm)^T(CΔm)+η(FΔm)^T(FΔm) (2)

式中，η为拉格朗日常数，F为空间结构约束矩阵。

进一步的，F为空间结构约束矩阵，其元素取值如下:

其中，Ω_k为异常区域，Num_k为异常区域Ω_k中包含的网格数目。

本发明提出了一种地下工程不良地质探测多方法约束反演与联合解释方法，将钻探获得的岩体电阻率变化范围作为不等式先验约束信息和将前述综合方法获得的不良地质体的轮廓作为空间结构先验约束信息施加到三维电阻率跨孔CT反演方程中，执行多元信息约束联合反演，最终获得探测区域精细化的三维地质结构成像结果。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明提出的充分利用多种探测信息进行相互约束和联合解译方法，大大优于传统多种探测手段依靠简单对比、相互验证的思路，能够最大限度地发挥综合探测的优势，对地质异常的探查识别和定位精度方面有了显著提高。

(2)地质钻孔是获取探测对象内部真实岩性和物理属性的一种手段，但其获取的地质信息非常有限(仅为一孔之见)。本发明提出的测量不同深度钻孔岩芯电阻率的方法和构建的不等式约束方法，将地质钻探信息有效地融入到三维电阻率跨孔CT方法中，通过真实测得的地层电阻率上下限约束，可以将反演结果中电阻率的变化限定在更加符合实际地层电阻率的区间范围，使得反演结果更为可靠。

(3)本发明提出的空间结构约束方法，通过提取地表高密度电法、瞬变电磁法等方法获得的地下不良地质信息并在三维电阻率跨孔CT反演的初始模型中构建先验的空间约束结构，为不同探测方法和数据之间建立了联系，实现了有效信息的传递，大大压制了三维电阻率跨孔CT反演的多解性，且反演结果更加准确。

(4)本发明提出的多方法约束反演与联合解译方法，其内涵不仅指“范围普查”与“精细详查”手段的相互约束与联合，还指多种普查手段之间的层次约束与联合，如地表高密度电法、瞬变电磁法两种普查手段之间的约束(初始模型约束)与联合。这种约束与联合具有相对明确的逻辑关系，不是随意的，因此本发明提出的多方法约束反演与联合解译方法更是一种科学的综合探测体系。而且，该体系允许针对同一探测对象的其他地球物理手段通过先验约束构建的方式融入，并不仅限于所提的上述几种方法。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是本发明基于约束联合反演的综合探查方法逻辑关系图；

图2是综合探测方法测线总体布置图；

图3(a)-图3(c)分别是地表高密度电法剖面A、B、C的反演结果；

图4是二维瞬变电磁剖面A、B、C的反演结果；

图5是钻孔岩芯图；

图6(a)由地表高密度电法、瞬变电磁法和地质钻孔得到的低阻异常体三维形态；

图6(b)采用携带不等式约束和空间结构约束反演方程得到的三维电阻率反演提取结果，对小于100Ω·m的电阻率单元进行了提取和成像；

图中：1、地表高密度测线A_Wen，2、地表高密度测线B_Sch，3、地表高密度测线C_Wen，4、瞬变电磁测线TEM_A，5、瞬变电磁测线TEM_B，6、瞬变电磁测线TEM_C，7、地质钻孔①，8、地质钻孔②，9、地质钻孔③，10、地质钻孔④，11、地质钻孔⑤，12、地质钻孔⑥，13、低阻异常区①，14、低阻异常区②，15、低阻异常区③，16，低阻异常区④，17、低阻异常区⑤，18、低阻异常区⑥，19、低阻异常区⑦，20、低阻异常区⑧，21、低阻异常区⑨，22、低阻异常区⑩，23、低阻异常区

24、低阻异常区

25、低阻异常区

26、黏土，27、砂质黏土(含岩块碎屑)，28、破碎岩体，29、灰岩，30、三维空间约束结构Ω₁(由14、17、20、22、24、25所得)，31、三维空间约束结构Ω₂(由15、18、21、23所得)，32、反演结果中电阻率值小于100Ω·m的异常体。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

一种用于地下工程不良地质探测多方法约束反演与联合解释方法，将不等式先验约束信息和空间结构先验约束信息施加到三维电阻率跨孔CT反演方程中，执行多元信息约束联合反演，最终获得精细化的三维地下地质成像，如图1所示，具体包括以下步骤：

A.首先，在探测区域地表布置高密度电法测线进行探测，获得地下地层的电阻率分布结构；

B.在探测区域地表布置瞬变电磁测线进行探测，数据处理时，利用地表高密度电法提供的地层电阻率结构作为背景场(或初始模型)，从而获得地层的视电阻率分布结果；对地表高密度电法和瞬变电磁法得到的结果进行分析，圈定疑似异常体发育区的范围；

C.根据地表高密度电法和瞬变电磁法推断结果在重点区域布置合适的钻孔孔位，并在相应位置进行钻孔取芯，对岩性、岩体的电阻率属性等进行分析和记录，获得岩体的电阻率变化范围；

D.综合钻探信息、以及地表高密度电法和瞬变电磁法探测结果，给出地下异常体发育的轮廓；

E.最后利用地表布置的钻孔开展三维电阻率跨孔CT精细化探测和解译，数据处理时，将地表钻探获得的岩体电阻率变化范围作为不等式先验约束信息、将前述综合方法获得的异常体轮廓作为空间结构先验约束信息施加到三维电阻率跨孔CT反演方程中，执行多元信息约束联合反演，最终获得探测区域精细化的三维地下异常体发育结构成像结果。

所述步骤C中，对钻孔所取岩芯进行电阻率测量和分析，获得岩体电阻率的变化范围，并作为已知的先验信息为下一步开展三维电阻率跨孔CT精细化探测数据反演解译提供了比较准确的不等式约束上下限。

所述步骤D中，对地质钻探、地表高密度电法和瞬变电磁等地表普查方法获得的地下异常体范围的三维空间信息来构造空间约束结构并作为先验约束信息施加到三维电阻率跨孔CT反演方程中，执行多元信息约束联合反演，最终获得精细化的三维地质发育结构成像结果。

具体反演方程如下：电阻率CT反演目标函数：

Φ＝(Δd-AΔm)^T(Δd-AΔm)+λ(CΔm)^T(CΔm) (1)

式中，Δd为实际观测数据与正演理论观测数据的差向量，Δm为模型阐述的增量向量，A为偏导数矩阵，C为光滑度矩阵；λ为拉格朗日常数，代表光滑约束的权重。

在反演方程求解过程中增加已知先验信息，将表征模型参数变化范围的不等式约束：

施加到反演方程中，式中m_i为第i个网格的电阻率，

和

分别为第i个网格的电阻率的下限和上限。

将空间结构约束施加到常规三维电阻率跨孔CT探测反演目标函数中，得到

Φ＝(Δd-AΔm)^T(Δd-AΔm)+λ(CΔm)^T(CΔm)+η(FΔm)^T(FΔm) (2)

式中，η为拉格朗日常数，F为空间结构约束矩阵,其元素取值如下:

其中，Ω_k为异常区域，Num_k为异常区域Ω_k中包含的网格数目。

图2中，本发明在某地下工程综合探测的各种方法测线总体布置图。包括3条地表高密度测线，即图中标记为1、2、3的位置，3条瞬变电磁测线，即图中标记为4、5、6的位置，6个地质勘探钻孔，即图中标记为7、8、9、10、11、12的位置。

本发明在某地下工程综合探测的工程案例中地表高密度电法探测、瞬变电磁探测及反演结果。地表高密度电法探测的三条剖面A_Wen、B_Sch、C_Wen的反演结果分别如图3(a)、图3(b)、图3(c)所示。可以看到，反演剖面中存在三处明显的低阻异常区，包括(1)一条向左下方倾斜发育的浅层窄状低阻异常带，即图3(a)-3(c)中标记为13、16、19的区域。(2)一处沿纵深方向发育的大型团状低阻异常带，即图3(a)-3(c)中标记为14、17、20的区域。(3)一条水平带状发育的低阻异常带，即图3(a)-3(c)中标记为15、18、21的区域。进行瞬变电磁反演时，初始模型参考了相对应的电阻率反演剖面中的地层电阻率结构，得到的结果如图4所示，从反演结果中我们可以看到22、24、25三处明显的低阻异常，与地表高密度电法三条测线反演结果中所反映的低阻异常体的位置是比较吻合的，将确定的地下地质结构的空间结构约束施加到三维电阻率跨孔CT反演方程中。

图5中，本工程案例布置了6处竖直钻孔，对所有钻孔取出的岩芯做了详细的地质编录，获得岩体的电阻率变化范围，将确定的岩体电阻率的不等式约束施加到三维电阻率跨孔CT反演方程中。

图6中，本工程案例使用三维电阻率跨孔CT在6个竖直钻孔中布置电极进行观测，对观测数据进行反演处理时，由地表高密度电法、瞬变电磁法获知的异常区和由地质钻孔揭露的异常体发育段落的位置、形态信息映射到三维电阻率跨孔CT反演网格中得到图6(a)所示，即得图6(a)中30、31两个三维空间约束结构模型。采用公式(2)进行三维电阻率反演时，拉格朗日常数分别取值为λ＝0.22，η＝0.30，反演过程共迭代10次，收敛绝对误差为4.3％。为了更直观、清晰地展示三维电阻率跨孔CT反演结果中低阻异常的位置和形态，我们对反演结果中电阻率值小于100Ω·m的数据进行了提取和成像，最终得到图6(b)所示的结果。在图6(b)中，我们可以清楚地看到低阻异常的三维空间分布、形态和规模。由于三维电阻率跨孔CT反演方程中增加了由地表高密度电法、瞬变电磁法和地质钻孔提供的空间结构约束和不等式约束等先验信息，因而得到了更为精细的三维地质结构成像结果，从而使我们对地下异常体的分布和规模有了更加准确的认识和判断。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (5)

1.地下工程不良地质探测多方法约束反演与联合解释方法，其特征是，包括：

在探测区域利用地表高密度电阻率法进行探测，获得地下地层的电阻率分布结构；

在探测区域利用瞬变电磁法进行探测，将探测数据进行处理时，以利用地表高密度电阻率法获得的电阻率分布结构作为背景场，获得地层的视电阻率分布；

针对地层的视电阻率分布初步确定异常体发育区的范围；

在异常体发育区的范围内的地表布置钻孔孔位，并在相应位置进行钻孔取芯，获得钻探信息即岩体电阻率变化范围；

综合钻探信息以及地表高密度电阻率法和瞬变电磁法探测结果，给出地下异常体发育的轮廓；

将地表钻探获得的岩体电阻率变化范围作为不等式先验约束信息、将获得的异常体发育的轮廓作为空间结构先验约束信息施加到三维电阻率跨孔CT反演方程中，执行多元信息约束联合反演，最终获得探测区域精细化的三维地下异常体发育结构成像结果,通过真实测得的地层电阻率上下限约束，将反演结果中电阻率的变化限定在符合实际地层电阻率的区间范围，使得反演结果可靠。

2.如权利要求1所述的地下工程不良地质探测多方法约束反演与联合解释方法，其特征是，所述三维电阻率跨孔CT反演方程中，三维电阻率跨孔CT反演目标函数如下：

Φ＝(Δd-AΔm)^T(Δd-AΔm)+λ(CΔm)^T(CΔm) (1)

式中，Δd为实际观测数据与正演理论观测数据的差向量，Δm为模型阐述的增量向量，A为偏导数矩阵，C为光滑度矩阵；λ为拉格朗日常数，代表光滑约束的权重。

3.如权利要求2所述的地下工程不良地质探测多方法约束反演与联合解释方法，其特征是，反演方程求解过程中增加已知先验信息，将由钻孔获得的岩体电阻率变化范围作为不等式约束施加到反演方程中：

式中m_i为第i个网格的电阻率，

和

分别为第i个网格的电阻率的下限和上限。

4.如权利要求2所述的地下工程不良地质探测多方法约束反演与联合解释方法，其特征是，将空间结构先验约束施加到常规三维电阻率跨孔CT反演目标函数中，具体为：

Φ＝(Δd-AΔm)^T(Δd-AΔm)+λ(CΔm)^T(CΔm)+η(FΔm)^T(FΔm) (2)

式中，η为拉格朗日常数，F为空间结构约束矩阵。

5.如权利要求4所述的地下工程不良地质探测多方法约束反演与联合解释方法，其特征是，F为空间结构约束矩阵，其元素取值如下:

式中，Ω_k为异常区域，Num_k为异常区域Ω_k中包含的网格数目。

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