CN114265124B - 基于时间域瞬变电磁概率反演的不良地质体定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于时间域瞬变电磁概率反演的不良地质体定位方法，包括：在地下勘查区域内，将地下勘查区域离散化为N个规则的网格节点，求得采集电场E或磁场H的异常变量；对异常变量建立概率密度函数；将磁场值作为求取概率的参数，并采用匹配滤波和失配函数进行概率反演；对任一节点分别施压感应电流I和感应电流‑I，分别求得对应的观测磁场值，并分别求得与标准量的拟合差

和

；求得拟合差

和

相似度，并获得异常体正演模型；利用时间域瞬变电磁概率进行反演，求得不良地质体的位置所在。通过上述方案，本发明具有逻辑简单、准确可靠等优点，在电磁场数据处理成像技术领域具有很高的实用价值和推广价值。

Description

基于时间域瞬变电磁概率反演的不良地质体定位方法

技术领域

本发明涉及电磁场数据处理成像技术领域，尤其是基于时间域瞬变电磁概率反演的不良地质体定位方法。

背景技术

目前，现有技术中大多采用传统瞬变电磁法对空间不良地质体进行探测，传统瞬变电磁法是利用异常体与围岩的物性差异。这种方法是采取接地线源或者不接地回线朝着掌子面的前方进行脉冲磁场的一次发射，在首次脉冲磁场进入间歇阶段，通过线圈或者接地电极进行二次涡流场采集。这种方法的基础原理为电磁感应定律。通常情况下二次场衰减过程主要划分为早期、中期以及晚期。电磁场在早期如同频率域当中的一些高频成分，一方面衰减快，另一方面具有较小的趋肤深度；晚期看作频率域当中的低频成分，一方面衰减慢，另一方面具有较大的趋肤深度。此方法严格测量断电之后的每一时间段伴随时间出现变化的二次场规律来获得深度不一的地电特征。

现有技术中的瞬变电磁法主要存在以下缺点：

第一，当异常体与围岩的物性差异不大时，很难确定有异常体的存在；

第二，传统的方法即使找到异常体，也很难准确定位异常体的具体位置，给工程建设带来不便和风险。

因此，急需要提出一种逻辑简单、准确可靠的基于时间域瞬变电磁概率反演的不良地质体定位方法。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供基于时间域瞬变电磁概率反演的不良地质体定位方法，本发明采用的技术方案如下：

基于时间域瞬变电磁概率反演的不良地质体定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

在地下勘查区域内，将地下勘查区域离散化为N个规则的网格节点，求得采集电场E或磁场H的异常变量；

对异常变量建立概率密度函数，其表达式为：

μ(A)＝∫_Aμ(x)dx

其中，x表示非信息状态或参考非信息状态，μ(x)表示概率密度函数，μ(A)表示概率；

将磁场值作为求取概率的参数，并采用匹配滤波和失配函数进行概率反演；

对任一节点分别施压感应电流I和感应电流-I，分别求得对应的观测磁场值，并分别求得与标准量的拟合差β₁和β₂；

求得拟合差β₁和β₂相似度，并获得异常体正演模型；

利用时间域瞬变电磁概率进行反演，求得不良地质体的位置所在。

进一步地，对观测磁场值的水平变化率进行归一化处理，并作为概率反演的参数，其表达式为:

其中，I表示感应电流大小，θ表示磁场方向和观测平面法向的夹角，r表示半径，C表示采集装置与磁导率有关的常数，t表示衰减时间。

优选地，所述匹配滤波的概率反演包括以下步骤：

建立异常参数中实测地表异常响应Δf(x,y,0)与任一网格节点处的扫描函数S_p(x-x_p,y-y_p,0-z_p)经归一化处理后的相关程度，其表达式为：

所述η_p(x_p,y_p,z_p)的取值范围为[-1,1]。

优选地，所述采用失配函数概率反演，包括以下步骤：

对异常参数中的地表异常信号函数R_p(x-x_p,y-y_p,0-z_p)与概率密度函数求得、归一化处理；

将归一化处理后的地表异常信号函数和概率密度函数的拟合方差的倒数进行归一化后的值作为网格节点(x_p,y_p,z_p)上的概率，求得相关程度，其表达式为：

其中，MAX＝max{t_p(x_p,y_p,z_p)∣p＝1,2,3,……}；

其中，g(x_p,y_p,z_p)＝max{g⁺(x_p,y_p,z_p),g^-(x_p,y_p,z_p)}；

其中，g⁺(x_p,y_p,z_p)表示正性质的异常源扫描的拟合方差的倒数，g^-(x_p,y_p,z_p)表示负性质的异常源扫描的拟合方差的倒数。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明针对复杂环境和大断面隧道不良地质体超前位置预测，采用时间域瞬变电磁概率反演进行超前地质综合探测，在充分发挥传统瞬变电磁对低阻体敏感的优势前提下，本发明提出的时间域瞬变电磁概率反演，对于复杂地质条件的前方异常体空间分布进行判断，可为超前注浆和工程灾害预防提供准确的范围，实现定量化测量；

(2)本发明巧妙地将地下勘查区域离散化为数个规则的网格节点，以便于后期对任一网格节点进行扫描、异常概率分析和正演网格确定；

(3)本发明巧妙地采用概率密度函数，以电磁场异常空间分布概率的形式表现，其既能为模型反演的初始化模型提供有利的信息，又能作为反演解决的检验手段；

(4)本发明巧妙地将磁场值作为求取概率的参数，并采用匹配滤波和失配函数进行概率反演，其适应性更强；

(5)本发明通过施压感应电流I和感应电流-I，并求得拟合差β₁和β₂，其反应的是各个节点当存在感应电流时其响应与实测值的相似程度，异常体附近的节点相似程度较大，拟合差较小，反映到成像结果上它的概率绝对值较大；

(6)本发明利用时间域瞬变电磁概率进行反演，以实现对地质体的位置确定；

综上所述，本发明具有逻辑简单、准确可靠等优点，在磁数据处理成像技术领域具有很高的实用价值和推广价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需使用的附图作简单介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对保护范围的限定，对于本领域技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明的逻辑流程图。

图2为本发明的半空间网格化图。

图3为本发明中单一低阻异常概率反演结果图。

图4为本发明中同一埋深多个异常体定位结果图。

图5为本发明中不同埋深不同水平距离多个异常体概率反演结果图。

图6为本发明中实测剖面图。

图7为本发明中实测标准量等值线图。

图8为本发明中实测数据概率反演结果图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更为清楚，下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

实施例

如图1至图8所示，本实施例提供了基于时间域瞬变电磁概率反演的不良地质体定位方法，具体步骤如下：

一、确定异常参数：

数据空间为地表异常电磁场或其导数或异常视电阻率等。本实施例以时间域瞬变电磁法为基本方法，所以采集的异常参数为电场E或磁场H，由于地质体空间位置未知，三维空间坐标分别为x/y/z，z轴指向垂向，电场可分为沿x方向的Ex分量与沿y方向的Ey分量，磁场可分为沿x方向的Hx分量与沿y方向的Hy分量。

二、确定数据信号函数

设实测数据信号函数为f(x)，将地下勘查区域离散化为N个规则的小单元块，每个小单元块可看作地质参数是均匀的，另设地下半空间的参考模型的地质参数为mod0，由参考模型经正演计算得到的理论参考信号函数为f0(x)；则Δf(x)＝f(x)-f0(x)为相对于理论参考模型的实测地表异常响应信号；工作中考虑仅由第p个小单元上存在单位强度的异常源引起的测量面异常响应S_p(x-x_p,y-y_p,0-z_p)，即该单元对应的扫描函数，定义(x-x_p,y-y_p,0-z_p)为第p个单元质心。

三、确定概率密度函数

μ(A)＝∫_Aμ(x)dx

其中，x表示非信息状态或参考非信息状态，μ(x)表示概率密度函数，μ(A)表示概率。

四、将磁场值作为求取概率的参数，并采用匹配滤波和失配函数进行概率反演，具体如下：

(一)基于匹配滤波技术的概率反演

对于简单的异常体，某个网格节点处存在异常源的可能性大小就仅仅是由该处的异常源引起的地表响应与实测响应信号一致的程度，建立异常参数中实测地表异常响应Δf(x,y,0)与任一网格节点处的扫描函数S_p(x-x_p,y-y_p,0-z_p)经归一化处理后的相关程度，其表达式为：

其中，

在实际工作中，扫描函数的高阶导数可使信号的变化更明显地体现出来，提高成像的分辨率。此时，响应函数分别改为各自的高阶导数形式：

其概率绝对值越大，则网格节点上存在异常的可能性越大。显然有-1≤η_p≤1正值表示节点处有“正”异常的概率，比如正电荷、高电阻率、高含水率等等。反之则表示节点处有“负”异常的概率，如负电荷、低电阻率、低含水率等等。

基于匹配滤波技术的概率反演原理实际采用的是实测异常场曲线与扫描函数曲线的归一化后的两个函数的互相关运算或是两者的高阶导数之间的互相关运算来进行，当两个函数相同时，有概率的正的最大值1；当两个函数完全相反时，有概率的负的最大值-1；当两个函数无关时，概率接近于0。

(二)基于失配函数技术的概率反演

对于异常源较多的复杂异常体，由于实测总异常数据是地下多个异常源的响应叠加，单独某个异常源的响应与总异常响应的互相关程度必然随着异常源的增多而下降，造成反演结果的可信度下降。为此，本实施例将概率改为两种响应的拟合度，也就是说某处存在异常源的可能性为上述两种响应的拟合程度。

对异常参数中的地表异常信号函数R_p(x-x_p,y-y_p,0-z_p)与概率密度函数求得、归一化处理；将归一化处理后的地表异常信号函数和概率密度函数的拟合方差的倒数进行归一化后的值作为网格节点(x_p,y_p,z_p)上的概率，求得相关程度，其表达式为：

其中，MAX＝max{t_p(x_p,y_p,z_p)∣p＝1,2,3,……}；

其中，g(x_p,y_p,z_p)＝max{g⁺(x_p,y_p,z_p),g^-(x_p,y_p,z_p)}；

其中，g⁺(x_p,y_p,z_p)表示正性质的异常源扫描的拟合方差的倒数，g^-(x_p,y_p,z_p)表示负性质的异常源扫描的拟合方差的倒数。

显然地，当某处确有异常源时，其响应曲线与总异常响应曲线的拟合方差的倒数要比两者的相关程度要大，也即概率值在确有异常源的地方有更大的值，而在无异常源的地方，其概率值则更小，极端情况下，当扫描的模型与真实模型完全一致时，拟合方差为0，概率值为无穷大。

五、参考变量的确定：

在匹配滤波和失配函数进行概率反演中，要寻找到异常体位置信息敏感的参数代入函数进行反演。异常体的位置和性质改变引起的电磁场变化机制非常复杂，因此，要用概率反演的方法来确定异常体空间分布。要求我们能够寻找到一个量，这个量只和(或主要和)异常体的空间分布有关，而和异常体的性质相对关系很微小乃至于可忽略不计。

瞬变电磁法的原理表明，早期异常体表面电流的分布仅与矿体的形状和大小有关，而与异常体的电导率等性质几乎无关。它所引起的二次磁场地表响应刚好满足只与异常体的空间分布有关的条件，因此与常规瞬变电磁法使用晚期二次场响应反演不同，我们用早期地表响应来反演。

实际工作中，由异常体内感应电流所引起的观测磁场值，其水平变化率经归一化后的结果，只对异常体的位置敏感，因此我们选择观测的磁场值作为求取概率的标准，用来做概率反演的参数，定义ξ为磁场变化率，定义

为沿水平方向的归一化量。

在本实施例中，对观测磁场值的水平变化率进行归一化处理，并作为概率反演的参数，其表达式为:

其中，I表示感应电流大小，θ表示磁场方向和观测平面法向的夹角，r表示半径，C表示采集装置与磁导率有关的常数，t表示衰减时间。

六、反演方案选取

在本实施例中，对任一节点分别施压感应电流I和感应电流-I，分别求得对应的观测磁场值，并分别求得与标准量的拟合差β₁和β₂。具体来说，本实施例的观测磁场值的标准量为R^x，其是一个关于观测点横坐标x的函数，xⁱ表示第i个观测点的坐标，对于节点P_I，J,在其位置上试探性设置一个感应电流I,并计算出标准量

求取R^x和

的拟合差β₁；再将所设置的感应电流反向(即为^-I)，求取

和

的拟合差β2；重复上述过程，这样对于每一个节点，我们都得到一个拟合差。在本实施例中，拟合差是反应的是各个节点当存在感应电流时其响应与实测值的相似程度，异常体附近的节点相似程度较大，拟合差较小，反映到成像结果上它的概率绝对值较大。本实施例的半空间网格如图2所示。

七、时间域瞬变电磁概率反演模型验证

如图3所示，本实施例设置一个低阻体正演模型，就用大地电磁概率成像的结果进行反演，左侧为单一低阻异常体正演模型，右侧为使用概率反演获得的异常定位结果图，可以很好的对异常位置进行定位。

如图4所示，本实施例设置两个异常低阻体，埋深相同，使用本发明所述概率反演技术进行成像，可以看出，反演结果能较好的展现出异常体的空间位置，但是在水平方向的位置划分不是很清楚，当同样深度的两个异常体距离较近时，会造成相互干扰。

如图5所示，本实施例设置两个异常低阻体，埋深不同，水平位置不同，使用本发明所述技术进行概率反演，可以看出，本发明所述方法对深部异常更敏感，可以有效区分不同异常的空间位置。

为了证明上述方法的可行性，本实施例对新疆乌鲁木齐柴窝堡W13测线TEM实测资料进行对比处理。结果如下图5所示，纵坐标为时间采样点，单位10^-5s，横坐标为测点位置，等值线为感应电动势取对数后的值，由图可看出该剖面明显存在两个规模较大的低阻异常区，其位置在4200m及5000m附近，如图6所示。

如图7所示，本实施例将感应电动势转化为用于计算概率值的标准量。将各个异常单独提取出来，分别进行概率反演，其结果如下图8；对比图6和图7可知，本实施例所述数据处理方法可以很好的完成对实测异常的定位，可以应用于生产实践中提高对地下不良地质体的准确定位。

上述实施例仅为本发明的优选实施例，并非对本发明保护范围的限制，但凡采用本发明的设计原理，以及在此基础上进行非创造性劳动而作出的变化，均应属于本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.基于时间域瞬变电磁概率反演的不良地质体定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

在地下勘查区域内，将地下勘查区域离散化为N个规则的网格节点，求得采集电场E或磁场H的异常变量；

对异常变量建立概率密度函数，其表达式为：

μ(A)＝∫_Aμ(x)dx

其中，x表示非信息状态或参考非信息状态，μ(x)表示概率密度函数，μ(A)表示概率；

将磁场值作为求取概率的参数，并采用匹配滤波和失配函数进行概率反演；

对任一节点分别施压感应电流I和感应电流-I，分别求得对应的观测磁场值，并分别求得与标准量的拟合差β₁和β₂；

求得拟合差β₁和β₂相似度，并获得异常体正演模型；

利用时间域瞬变电磁概率进行反演，求得不良地质体的位置所在；

对观测磁场值的水平变化率进行归一化处理，并作为概率反演的参数，其表达式为:

其中，I表示感应电流大小，θ表示磁场方向和观测平面法向的夹角，r表示半径，C表示采集装置与磁导率有关的常数，t表示衰减时间；

所述匹配滤波的概率反演包括以下步骤：

建立异常参数中实测地表异常响应Δf(x,y,0)与任一网格节点处的扫描函数S_p(x-x_p,y-y_p,0-z_p)经归一化处理后的相关程度，其表达式为：

所述η_p(x_p,y_p,z_p)的取值范围为[-1,1]；

所述采用失配函数概率反演，包括以下步骤：

对异常参数中的地表异常信号函数R_p(x-x_p,y-y_p,0-z_p)与概率密度函数求得、归一化处理；

将归一化处理后的地表异常信号函数和概率密度函数的拟合方差的倒数进行归一化后的值作为网格节点(x_p,y_p,z_p)上的概率，求得相关程度，其表达式为：

其中，MAX＝max{t_p(x_p,y_p,z_p)∣p＝1,2,3,……}；

其中，g(x_p,y_p,z_p)＝max{g⁺(x_p,y_p,z_p),g^-(x_p,y_p,z_p)}；

其中，g⁺(x_p,y_p,z_p)表示正性质的异常源扫描的拟合方差的倒数，g^-(x_p,y_p,z_p)表示负性质的异常源扫描的拟合方差的倒数。

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