CN113156526B - 全区多源电磁测深法及多场源多分量数据联合反演技术 - Google Patents

Abstract

本发明涉及地球深部探测技术领域，具体是全区多源电磁测深法及多场源多分量数据联合反演技术。包括全区多源电磁测深工作装置和数据处理解释技术，全区多源电磁测深是新型的人工源频率域电磁勘探方法，在电偶极子源公式成立的任何地区进行测量，将电磁感应测深与几何测深有机融合，测量电磁场的一个分量或多个分量，为消除或抑制场源效应的影响采用类似于三维地震勘探的全区观测交替覆盖观测系统，通过对多个观测系统单个分量或多个分量直接反演计算获得地下地质体的电性结构。本发明提供一种全区域、真三维观测的陆地可控源电磁测量方式以及相应的三维数据联合反演计算技术，为能源、矿产、水和其它战略资源勘查提供技术支撑。

Description

全区多源电磁测深法及多场源多分量数据联合反演技术

技术领域

本发明涉及地球深部探测技术领域，具体是全区多源电磁测深法及多场源多分量数据联合反演技术。

背景技术

“向地球深部进军是我们必须解决的战略科技问题”，开展地球深部探测不仅是解决地学重大基础理论问题的需要，更是保证能源资源安全和可持续发展的战略选择。地球深部探测的主要问题是如何透视地球精细结构、精准发现深部资源和延拓地下空间，地球物理探测技术最为关键，然而，我们尚处于“向地球深部进军”的起步阶段，仍有一系列的地球物理探测技术难题亟待解决。

陆地可控源电磁法，如常见的可控源音频大地电磁测深法(Controlled sourceaudio-frequency magnetotelluric method,CSAMT)和广域电磁法(Wide fieldelectromagnetic method，WFEM)，都是在大地电磁测深法(Magnetotelluric method,MT)基础上发展起来的人工源频率域电磁测深方法，由于人工源提供了稳定、可靠的信号，使得CSAMT、WFEM与天然源的MT法相比具有较高的观测精度和观测效率，已在能源、矿产、水文、环境和工程等各个领域中发挥着越来越重要的作用，是地球深部探测重要的地球物理技术手段之一。

CSAMT是一种人工源频率域电磁测深方法，它采用两端接地的、单一的有限长导线电流源发射信号，在距离发射源3-5倍趋肤深度以远的一定区域(远区)内接收相互正交的电场及磁场，从而达到测深的目的。CSAMT观测的频率范围通常在10kHz～1Hz，通过改变频率来改变探测深度，高频探测深度小，低频探测深度大。由于该方法采用人工源发射，弥补了MT法天然信号弱的缺点，具有信号强、抗干扰能力强等优点，然而，CSAMT法对遵循麦克斯韦方程的电场、磁场解进行简化，将远区接收的电磁波近似认为平面波而沿用MT法定义的卡尼亚视电阻率法，导致了CSAMT只能在远区测量，电磁场解的近似算法也导致了CSAMT探测深度大多不超过2km，同时，在很多实际测量过程中电场和磁场受到的干扰并不相同，通过计算电场分量与磁场分量的比值并不一定能取得好的应用效果。

为了解决数据采集区域限制及探测深度小的问题，中南大学提出了广域电磁法，WFEM观测范围不再限制于3-5陪探测深度的距离，采用基于双极源电磁场表达式，计算出精确的广域视电阻率，在单个发射源外的广大的、不局限于远区的区域进行观测，同等收发距离上增大勘探深度，同时只需要测量一个场分量和同时测量多个频率，从而提高了相对精度和工作效率。WFEM摒弃了卡尼亚视电阻率公式对于电磁场分量值采取近似值的方法，而采用不作简化的广域视电阻率公式，突破了“远区”的限制，扩展了探测深度，通过只测量电磁场的1个分量，获取视电阻率。

由于人工源引入会产生场源效应会对观测数据产生明显的影响。场源效应指的是，当人工源位置不同，或者人工源下面、人工源和接收之间存在不均匀地质体时，都会引起测量区域电磁场、卡尼亚视电阻率或相位、广域视电阻率曲线的畸变。

然而，无论是CSAMT法还是WFEM法，在实际数据采集和处理过程中都忽略发射源与远区间、发射源与广大区域间的地质情况，只针对单个发射源对应的观测区域数据进行采集并作反演解释推断工作，这给数据处理结果带来较大的误差甚至是错误的结论，影响人工源频率域电磁法的探测精度。

发明内容

为了提高人工源频率域电磁法的探测精度，针对场源效应问题，本发明提供一种全区域、真三维观测的陆地可控源电磁测量方式以及相应的三维数据联合反演计算技术，为能源、矿产、水和其它战略资源勘查提供技术支撑。

本发明所采用的技术方案为：全区多源电磁测深法(Multiple sourcemagnetotelluric method,MSEM)，其特征在于：包括全区多源电磁测深测量方式和三维数据处理解释技术，所述全区多源电磁测深法是一种新型的人工源频率域电磁勘探方法，它在电偶极子(或长导线)源公式成立的任何地区进行测量，将电磁感应测深与几何测深有机融合，测量电磁场的一个分量或多个分量，为消除或抑制场源效应的影响采用类似于三维地震勘探的全区观测交替覆盖观测系统，通过对多个观测系统单个分量或多个分量直接反演计算获得地下地质体的电性结构；所述全区多源电磁测深区别于广域电磁法，广域电磁法采用全区视电阻率代替CSAMT中的卡尼亚视电阻率，所述全区多源电磁测深直观反应模型真电阻率与可控源电磁场分量之间的响应关系，通过多个发射源Tx1、Tx2、Tx3、…、Txn激发获得不同区域A、B、C、…、N的电磁场。

所述源公式成立的任何地区包括远区、过渡区和近区。

所述全区多源电磁测深数据采集区域包括CSAMT的近区、过渡区、远区或WFEM的全部区域。

多场源多分量数据联合反演技术，其特征在于：包括MSEM三维多线源多分量联合多重网格进化非线性共轭梯度反演计算方法，其特征在于：常见的人工源电磁法三维反演技术有OCCAM法、QN法、共轭梯度法、非线性共轭梯度法和高斯牛顿法，所述非线性共轭梯度(NLCG)反演方法具有计算量小、占用内存小的特点。电磁场的反演问题是欠定的，使得数据反演解释多解性，对不同地球物理数据集进行融合、交叉和联合反演已成为地球物理数据处理和解释技术的发展方向，联合反演方法有多种数据反演同一参数和多种数据反演多种参数，所述非线性共轭梯度(NLCG)反演的目标函数为

φ(m)＝[D(d^obs-d)]^T[D(d^obs-d)]+λ[W(m-m₀)]^T[W(m-m₀)]

为了提高反演计算速度，所述非线性共轭梯度(NLCG)反演过程中采用多重网格法，即较细的正演计算网格套和在模型网格上，且随着反演迭代的进程根据模型梯度变化的特点对反演模型网格进行二次细化剖分的方法。

所述m为模型参数，所述d^obs为多源发射下观测的多分量场值向量，所述d为多源发射下模型正演的多分量场值向量，所述D为数据协方差矩阵，所述W为模型光滑度矩阵，所述λ为正则化因子。

多重网格进化所述非线性共轭梯度(NLCG)反演方法流程如下：

S1:i＝1，选择初始模型m_i，正演计算初始模型下所有源的响应及目标函数的梯度

S2:令

计算出模型搜索方向；

S3:搜索步长α_i，使得目标函数

极小；

S4:如果步长α_i过小，则缩小正则化因子λ；

S5:如果正则化因子λ过小则根据模型梯度特点对反演模型网格进行重新剖分，根据模型网格重新建立正演网格；

S6:计算m_i+1＝m_i+α_iu，正演计算新模型下所有源的响应及目标函数的梯度

S7:当|r_i+1|足够小时停止迭代，否则继续；

S8:计算

S9:

计算出新的模型搜索方向；

S10:i＝i+1返回S3继续迭代。

所述i，

和/>

均简化为单位矩阵。

本发明的有益效果：

本发明全区多源电磁测深这种数据采集与处理技术将多个观测系统多个发射源下面、发射源和接收之间的不均匀地质体、接收下方的地质体融合在同一研究区域，并对不同发射源情况下的单个分量或多个分量数据直接联合反演解释，实现解决或是抑制场源效应的影响，有效提高了人工源频率域电磁法数据的解释精度。

本发明由目标函数出发，我们总希望找到一个模型使得目标函数达到极小，且数据拟合差够小，模型尽量光滑，非线性共轭梯度(NLCG)反演就是利用目标函数的梯度信息和线性搜索求取步长来逐步缩小目标函数的。在以往的人工源电磁法单源三维反演中存在较为严重的欠定问题，单个源所激发的响应包含的地下信息有限，而从多个位置激发的响应则能包含有地下更加丰富的信息，联合多源将它们多分量的所有响应都加入到同一个反演目标函数中，从而使得反演方程中介入更多、更丰富的地下响应信息，使得反演结果更准确、更加可靠。

针对传统的人工源电磁法单个发射源只对远区或广大区域进行反演计算而忽略场源效应的问题以及存在较为严重的欠定问题，仿照三维地震的工作模式引入多个长导线源激励全区观测交替覆盖的全区多源电磁测量观测方式，将整个区域的多个发射源多个电磁场分量的数据融合到同一个反演目标函数中实现联合反演计算，提高地下复杂结构的解释精度；采用模型网格进化技术提高全区多源电磁法三维反演的求解效率。

附图说明

图1为本发明全区多源电磁测量方式示意图。

图2为本发明多场源多分量数据联合反演技术多重网格进化技术示意图。

图3为本发明全区多源电磁测量多场源多分量数据联合反演技术的反演程序流程图。

图4为本发明无为盆地全区多源电磁测深技术实际测点分布图。

图5为本发明无为地区全区多源电磁测深技术反演电阻率分布图。

图6为本发明无为盆地过WWY-1井全区多源电磁测深技术反演电阻率与测井曲线对应情况图。

具体实施方式

全区多源电磁测深法，其特征在于：包括全区多源电磁测深测量方式和三维数据处理解释技术，所述全区多源电磁测深法是一种新型的人工源频率域电磁勘探方法，它在电偶极子(或长导线)源公式成立的任何地区进行测量，将电磁感应测深与几何测深有机融合，测量电磁场的一个分量或多个分量(区别CSAMT)，为抑制场源效应的影响采用类似于三维地震勘探的全区观测交替覆盖观测系统，通过对多个观测系统单个分量或多个分量直接反演计算获得地下地质体的电性结构，其数据采集如图1所示，所述全区多源电磁测深区别于广域电磁法，所述广域电磁法采用全区视电阻率代替CSAMT中的卡尼亚视电阻率，所述全区多源电磁测深直观反应模型真电阻率与可控源电磁场分量之间的响应关系，通过多个发射源Tx1、Tx2、Tx3、…、Txn激发获得不同区域A、B、C、…、N的电磁场，并对多发射源、多分量的电磁场有机融合处理解释。

所述源公式成立的任何地区包括远区、过渡带和部分近区。

所述全区多源电磁测深的数据采集区域包括CSAMT的近区、过渡区、远区或WFEM的全部区域。

多场源多分量数据联合反演技术，其特征在于：包括MSEM三维多线源多分量联合多重网格进化非线性共轭梯度反演计算方法，其特征在于：人工源电磁法三维反演技术有OCCAM法、QN法、共轭梯度法、非线性共轭梯度法和高斯牛顿法，所述非线性共轭梯度(NLCG)反演方法具有计算量小、占用内存小的特点；电磁场的反演问题是欠定的，使得数据反演解释多解性，为了减轻这一问题并提高反演的分辨率进而提高反演解释的精度，对不同地球物理数据集进行融合、交叉和联合反演已成为地球物理数据处理和解释技术的发展方向，联合反演方法有多种数据反演同一参数和多种数据反演多种参数，所述非线性共轭梯度(NLCG)反演的目标函数为

φ(m)＝[D(d^obs-d)]^T[D(d^obs-d)]+λ[W(m-m₀)]^T[W(m-m₀)]

为了提高反演计算速度，所述非线性共轭梯度(NLCG)反演过程中采用多重网格法，即较细的正演计算网格套和在模型网格上，且随着反演迭代的进程根据模型梯度变化的特点对反演模型网格进行二次细化剖分的方法，如图3所示，使反演模型更加接近实际情况，提高三维反演的速度和效率。

所述m为模型参数，所述d^obs为多源发射下观测的多分量场值向量，所述d为多源发射下模型正演的多分量场值向量，所述D为数据协方差矩阵，所述W为模型光滑度矩阵，所述λ为正则化因子，用以平衡观测数据拟合度和模型光滑度。

所述多重网格进化非线性共轭梯度(NLCG)反演方法流程如下：

S1:i＝1，选择初始模型m_i，正演计算初始模型下所有源的响应及目标函数的梯度

S2:令

计算出模型搜索方向；

S3:搜索步长α_i，使得目标函数

极小；

S4:如果步长α_i过小，则缩小正则化因子λ；

S5:如果正则化因子λ过小则根据模型梯度特点对反演模型网格进行重新剖分，根据模型网格重新建立正演网格；

S6:计算m_i+1＝m_i+α_iu，正演计算新模型下所有源的响应及目标函数的梯度

S7:当|r_i+1|足够小时停止迭代，否则继续；

S8:计算

S9:

计算出新的模型搜索方向；

S10:i＝i+1返回S3继续迭代。

所述i，

和/>

均简化为单位矩阵。

实施例1

长江下游地区是南方海相地层页岩气勘探颇具前景的地区，泥页岩分布较广、厚度较大，但构造极其复杂，逆冲、倒转构造发育，地层关系极其复杂，页岩气地质调查和研究难度很大，需要通过开展地球物理工作来提供更多信息；另外，长江下游地区工农业发达、城市密布等许多地球物理信息造成干扰，地表水系发达、建筑物多给许多地球物理方法受到限制，针对这些问题，将全区多源电磁测量工作方式及多场源多分量数据联合反演解释技术应用于长江下游无为盆地页岩气勘查。全区多源电磁测深测点分布如图4所示，图5是全区多源电磁测深反演电阻率空间分布图。图6是全区多源电磁测深反演电阻率过WWY-1井的切片图。

本发明全区多源电磁测深这种数据采集与处理方式将多个观测系统多个发射源下面、发射源源和接收之间存在不均匀地质体、接收下方的地质体融合在同一研究区域，并对不同发射源情况下的单个分量或多个分量数据直接联合反演解释，实现解决或是印制场源效应的影响，有效提高了人工源频率域电磁法数据的解释精度。

本发明由目标函数出发，我们总希望找到一个模型使得目标函数达到极小，且数据拟合差够小，模型尽量光滑，非线性共轭梯度(NLCG)反演就是利用目标函数的梯度信息和线性搜索求取步长来逐步缩小目标函数的。在以往的人工源电磁法单源三维反演中存在较为严重的欠定问题，单个源所激发的响应包含的地下信息有限，而从多个位置激发的响应则能包含有地下更加丰富的信息，联合多源将它们多分量的所有响应都加入到同一个反演目标函数中，从而使得反演方程中介入更多、更丰富的地下响应信息，使得反演结果更准确、更加可靠。

针对传统的人工源电磁法单个发射源只对远区或广大区域进行反演计算而忽略场源效应的问题以及存在较为严重的欠定问题，仿照三维地震的工作模式引入多个长导源激励全区观测交替覆盖的全区多源电磁测量观测方式，将整个区域的多个发射源多个电磁场分量的数据融合到同一个反演目标函数中实现联合反演计算，提高地下复杂结构的解释精度；采用模型网格进化技术提高全区多源电磁法三维反演的求解效率。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。

Claims (4)

1.全区多源电磁测深法，其特征在于：所述全区多源电磁测深法是一种新型的人工源频率域电磁勘探方法，它在电偶极子或长导线源公式成立的任何地区进行测量，所述全区多源电磁测深法的具体步骤如下：将电磁感应测深与几何测深有机融合，测量电磁场的一个分量或多个分量，为消除或抑制场源效应的影响采用类似于三维地震勘探的全区观测交替覆盖观测系统，所述全区多源电磁测深数据采集区域包括CSAMT的近区、过渡区、远区或WFEM的全部区域，通过对多个观测系统单个分量或多个分量直接反演计算获得地下地质体的电性结构，所述全区多源电磁测深法区别于可控源音频大地电磁法和广域电磁法，所述全区多源电磁测深法直观反应模型真电阻率与可控源电磁场分量之间的响应关系，通过多个发射源Tx1、Tx2、Tx3、…、Txn激发获得不同区域A、B、C、…、N的电磁场。

2.根据权利要求1所述的全区多源电磁测深法，其特征在于：所述源公式成立的任何地区包括远区、过渡区和近区。

3.多场源多分量数据联合反演方法，其特征在于：包括人工源电磁法三维反演技术通常有OCCAM法、QN法、共轭梯度法、非线性共轭梯度法和高斯牛顿法，电磁场的反演问题通常是欠定的，使得数据反演解释多解性，联合反演方法有多种数据反演同一参数和多种数据反演多种参数，所述非线性共轭梯度NLCG联合反演的目标函数为

φ(m)＝[D(d^obs-d)]^T[D(d^obs-d)]+λ[W(m-m₀)]^T[W(m-m₀)]，

所述m为模型参数，所述d^obs为多源发射下观测的多分量场值向量，所述d为多源发射下模型正演的多分量场值向量，所述D为数据协方差矩阵，所述W为模型光滑度矩阵，所述λ为正则化因子；

所述非线性共轭梯度NLCG反演过程中采用多重网格法，即较细的正演计算网格套和在模型网格上，且随着反演迭代的进程根据模型梯度变化的特点对反演模型网格进行二次细化剖分的方法。

4.根据权利要求3所述的多场源多分量数据联合反演方法，其特征在于：多重网格进化所述非线性共轭梯度NLCG反演方法流程如下：

S1:i＝1，选择初始模型m_i，正演计算初始模型下所有源的响应及目标函数的梯度

S2:令

计算出模型搜索方向；

S3:搜索步长α_i，使得目标函数

极小；

S4:如果步长α_i过小，则缩小正则化因子λ；

S5:如果正则化因子λ过小则根据模型梯度特点对反演模型网格进行重新剖分，根据模型网格重新建立正演网格；

S6:计算m_i+1＝m_i+α_iu_i，正演计算新模型下所有源的响应及目标函数的梯度

S7:当|r_i+1|足够小时停止迭代，否则继续；

S8:计算

S9:

计算出新的模型搜索方向；

S10:i＝i+1返回S3继续迭代。

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