CN116360000B - 一种地壳物质结构的航空磁法探测方法 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种地壳物质结构的航空磁法探测方法，包括：获取研究区域的相关岩石信息，包括不同时代岩石的磁性统计数据和密度统计数据，以进行相关对比分析；获取研究区域的航磁数据，对航磁数据进行信号增强处理，以反映相应的地壳物质信息；对研究区域的航磁数据进行深度加权聚焦反演，根据岩石的磁性统计数据，得到研究区域地壳磁化率三维分布以及相应岩石的岩体范围；基于研究区域岩石的密度统计数据和磁性统计数据，通过重磁剖面拟合，获得研究区域地壳物性结构，并进行地壳岩性识别；基于地壳岩性识别以及航磁数据的信号增强处理结果，分析研究区域的地质属性，以进行相关地质解释。该技术为地壳物质结构提供数据解释，提高航磁技术可靠性。
Description
技术领域
本申请涉及航磁探测技术领域，具体涉及一种地壳物质结构的航空磁法探测方法。
背景技术
航空磁法数据是不同形态、深度、强度的磁性地质体在地球的基本磁场的激发下产生的综合感应场，又称航空磁异常数据。航空磁法数据对于高磁化率的铁镁质矿物十分敏感，合理的磁法数据分析和解释方法能有效提供地壳岩石的磁化率，进而约束岩石类型，例如可根据铁镁质物质含量，将地壳岩石大致分为基性岩和中酸性岩。岩石类型能对地壳的物质结构以及形成演化等重要科学问题提供关键信息。
目前已有大量的学者针对航磁数据获取、处理和解释进行了研究，但这些研究主要侧重于数据本身，而对于数据与地壳结构的关系，即如何用航磁数据进行地壳结构探测，尚存在随意性和多解性较强等问题。
为此，针对上述问题，需提出一套系统的航磁技术方法，用于地壳物质结构探测和解释，提高航空磁法探测技术的实用性、可靠性，降低航磁地质解释的多解性。
发明内容
为了解决现有航磁数据地质解释的多解性、有效约束地壳结构探测的问题，本申请提供一种地壳物质结构的航空磁法探测方法，结合可靠的岩石的磁性统计数据和密度统计数据，高效融合航磁数据获取、信号增强、三维反演、剖面拟合、岩性识别等技术，为地壳物质结构的形成演化提供关键信息及数据解释，提高了航空磁法探测技术的实用性、可靠性。
本申请解决其技术问题所采用的技术方案是：一种地壳物质结构的航空磁法探测方法，其特征在于，包括：
获取研究区域的相关岩石信息，包括不同时代岩石的磁性统计数据和密度统计数据，以进行相关对比分析；
获取研究区域的航磁数据，对航磁数据进行信号增强处理，以反映相应的地壳物质信息；
对研究区域的航磁数据进行深度加权聚焦反演，根据岩石的磁性统计数据，得到研究区域地壳磁化率三维分布以及相应岩石的岩体范围；
基于研究区域岩石的密度统计数据和磁性统计数据，通过重磁剖面拟合，获得研究区域地壳物性结构，并进行地壳岩性识别；
基于地壳岩性识别以及航磁数据的信号增强处理结果，分析研究区域的地质属性，以进行相关地质解释。
在一种具体的实施方案中，所述深度加权聚焦反演包括步骤：
建立研究区域的三维网格模型M，针对航磁数据的二维网格数据N，建立三维网格模型M的磁场正演公式A(m)，求取二维网格数据N中每一数据单元d对三维网格模型M每一单元模型m的偏导数矩阵Fm，并计算得到深度加权算子对角阵
建立目标函数P(m)＝Φ(m)+αS(m)并求解极值，对航磁数据进行深度加权聚焦反演，其中：
Φ(m)＝‖A(m)-d‖2，为数据拟合泛函，以使得航磁数据反演得到的磁异常与观测磁异常相匹配；
S(m)＝‖WeWmm‖2，为模型拟合泛函，以提高航磁数据反演的稳定性和可靠性，并提升分辨率；
α为正则化因子，以平衡目标函数P(m)中Φ(m)和S(m)；
为最小支撑泛函，聚焦因子β用于避免式中单元模型m为零时分母没有意义，并且起到聚焦作用。
在一种具体的实施方案中，对航磁数据进行信号增强处理的方法包括：化到地磁极以增强磁异常与磁源体的位置匹配关系、向上延拓以增强中下地壳磁源体的信号、一阶垂向导数以增强浅部磁源体的信号、三维解析信号以增强磁异常识别磁性体边界的能力。
在一种具体的实施方案中，所述目标函数P(m)采用共轭梯度法进行求解。
在一种具体的实施方案中，所述正则化因子α在迭代过程中按照一定的比例因子衰减，以使得前期迭代主要侧重位置聚焦，后期迭代主要侧重数据拟合。
在一种具体的实施方案中，所述目标函数P(m)在求解时，根据研究区域岩石的磁性统计数据并选择相关岩石的磁化率最大值作为磁化率的上限、零值作为下限来求解目标函数P(m)，以得到研究区域地壳磁化率三维分布。
在一种具体的实施方案中，在分析研究区域相应岩石的岩体范围时，根据研究区域岩石类型的磁性统计数据并选择相应岩石的磁化率平均值作为阈值，得到大于阈值的岩石的岩体范围。
在一种具体的实施方案中，在分析研究区域地壳物性结构时，基于研究区域岩石的岩体范围和密度统计数据，进行重磁剖面拟合，获得研究区域地壳物性结构，所述地壳物性结构包括地壳的密度结构。
在一种具体的实施方案中，获取研究区域的相关岩石信息时，将岩石按照时代进行分类，并对每一时代的岩石按照成因进行分类，以获取相应时代相应类型岩石的磁性统计数据和密度统计数据。
在一种具体的实施方案中，对每一时代的岩石按照成因的分类包括沉积岩、岩浆岩、变质岩；所述岩浆岩分为基性岩和中酸性岩进行分析，以解决岩浆岩磁性差异大的问题。
本申请的优点是：
1、地壳物质结构的航空磁法探测方法在可靠的岩石的磁性统计数据和密度统计数据基础上，高效融合了航磁数据获取、信号增强、三维反演、剖面拟合、岩性识别等技术，形成了一套新的航磁数据解释流程。
2、地壳物质结构的航空磁法探测方法通过迭代反演和剖面拟合，使原本不相关的岩石密度和磁化率产生联系，以高效鉴定引起磁异常的磁源体的性质，从而为地壳物质结构探测及形成演化提供关键信息。
附图说明
图1为本申请的一种地壳物质结构的航空磁法探测方法流程示意图；
图2为本申请的一种地壳物质结构的航空磁法探测方法对研究区域实测的岩石的磁性统计数据和密度统计数据示意图；
图3为本申请的一种地壳物质结构的航空磁法探测方法重磁剖面拟合示意图。
具体实施方式
本申请实施例通过提供一种地壳物质结构的航空磁法探测方法，解决现有航磁数据地质解释的多解性、有效约束地壳结构探测的问题，总体思路如下：
请参阅图1，本申请提供一种地壳物质结构的航空磁法探测方法，包括：获取研究区域的相关岩石信息，包括不同时代岩石的磁性统计数据和密度统计数据，以进行相关对比分析；获取研究区域的航磁数据，对航磁数据进行信号增强处理，以反映相应的地壳物质信息；对研究区域的航磁数据进行深度加权聚焦反演，根据岩石的磁性统计数据，得到研究区域地壳磁化率三维分布以及相应岩石的岩体范围；基于研究区域岩石的密度统计数据和磁性统计数据，通过重磁剖面拟合，获得研究区域地壳物性结构，并进行地壳岩性识别；基于地壳岩性识别以及航磁数据的信号增强处理结果，分析研究区域的地质属性，以进行相关地质解释。该方法在可靠的岩石的磁性统计数据和密度统计数据基础上，高效融合航磁数据获取、信号增强、三维反演、剖面拟合、岩性识别等技术，形成一套新的航磁数据解释流程。
本例中，请参阅图2，在获取研究区域的相关岩石信息时，通过有针对性的野外实测，获取阿拉善地区不同时代、不同类型的岩石样品的磁性统计数据和密度统计数据。具体地，将岩石按照时代进行分类，并对每一时代的岩石按照成因进行分类，例如岩石样品首先按照新生代、中生代、古生代，前寒武纪若干时代进行分类，然后对于每一个时代的岩石，再按照沉积岩、岩浆岩、变质岩进行分类，在图2中，磁化率坐标为对数坐标，根据岩石密度统计数据和岩石磁性统计数据，同时在图的上侧给出了岩石密度分布谱，图的右侧给出了岩石磁性分布谱。因为阿拉善地区岩浆岩磁性差异巨大，因此再将岩浆岩分为基性岩和中酸性岩进行分析和统计。
在分析研究区域阿拉善地区的地壳物质结构时，采用高性能直升机搭载铯光泵磁力仪获取阿拉善地区高精度航磁数据。对获取的阿拉善地区航磁数据进行多种类型的信号增强处理，以有针对性地反映地壳物质信息。这些处理方法包括：化到地磁极，以增强磁异常与磁源体的位置匹配关系；向上延拓，以增强中下地壳磁源体的信号；一阶垂向导数，以增强浅部磁源体的信号；三维解析信号，以增强磁异常识别磁性体边界的能力。
对航磁数据进行深度加权聚焦反演，以对岩石进行相关岩性识别和地质解释，具体地，建立研究区域的三维网格模型M，针对航磁数据的二维网格数据N，建立三维网格模型M的磁场正演公式A(m)，求取网格数据N中每一数据单元d对三维网格模型M每一单元模型m的偏导数矩阵Fm，并计算得到深度加权算子对角阵建立目标函数P(m)＝Φ(m)+αS(m)并求解极值，对航磁数据进行深度加权聚焦反演，其中：
Φ(m)＝‖A(m)-d‖2，为数据拟合泛函，Φ(m)作为常用的最小二乘数据拟合项，可使得航磁数据反演得到的磁异常与观测磁异常相匹配；
S(m)＝‖WeWmm‖2，为模型拟合泛函，S(m)作为正则化项，可提高航磁数据反演的稳定性和可靠性，并提升分辨率；
α为正则化因子，以平衡目标函数P(m)中Φ(m)和S(m)；
为最小支撑泛函，聚焦因子β用于避免式中单元模型m为零时分母没有意义，并且起到聚焦作用。
本实施例中，对目标函数P(m)采用共轭梯度法进行求解。在求解迭代过程中，根据岩石的磁性统计数据，选择研究区域相关岩石例如主要强磁性岩石的磁化率最大值作为磁化率的上限，零值作为下限来求解目标函数P(m)；同时，正则化因子α在迭代过程中按照一定的比例因子衰减，使得前期迭代主要侧重位置聚焦，后期迭代主要侧重数据拟合，从而获得研究区域地壳磁化率三维分布。本实施例通过使用深度加权算子，能有效克服位场反演时产生的趋肤效应；通过使用聚焦算子，能有效克服位场反演时的模型发散问题，使地质体边界更清晰。
进一步地，根据研究区域岩石的磁性统计数据，选择相关岩石例如主要强磁性岩石的磁化率平均值作为阈值，例如以阿拉善地区主要强磁性岩石的磁化率平均值1400×10-5SI作为阈值，得到大于阈值的岩石的岩体范围，在此基础上，垂直构造走向选择若干条剖面，结合研究区域岩石的密度统计数据，通过重磁剖面拟合，获得研究区域地壳物性结构，地壳物性结构包括地壳的密度结构，请参阅图3，其中A图给出了磁异常拟合结果，B图给出了布格重力异常拟合结果，C图给出了地壳物性结构拟合结果。
根据研究区域地壳物性结构，结合岩石的密度统计数据，进行地壳岩性识别，并根据航磁数据的信号增强处理结果，分析研究区域的地质属性，并进行相关地质解释，判断相关岩石的深度、规模、形成时代、以及岩石类型，例如：如果是中低密度，则该岩石中的长英质矿物含量较高；如果是高密度，则该岩石中的铁镁质矿物含量较高。本例中判断阿拉善查干楚鲁地区中下地壳高磁性高密度地质体，如图3中密度D为2.9g/cm3，磁化率S为1800×10-5SI所示的块体，代表了晚古生代古亚洲洋残留洋壳，具有典型的铁镁质岩石特征。
本实施例在可靠的岩石的磁性统计数据和密度统计数据基础上，高效融合了航磁数据获取、信号增强、三维反演、剖面拟合、岩性识别等技术，形成了一套新的航磁数据解释流程；在迭代反演和剖面拟合中，使原本不相关的岩石密度和磁化率产生联系，能高效鉴定引起磁异常的磁源体的性质，例如是长英质岩石还是铁镁质岩石，从而为地壳物质结构探测及形成演化提供关键信息。
本实施例还提供了一种基于地壳物质结构的航空磁法探测方法的设备，包括一个或多个处理器、存储装置。存储装置用于存储一个或多个程序，当一个或多个程序被一个或多个处理器执行，使得一个或多个处理器实现地壳物质结构的航空磁法探测方法。
设备的组件可以包括但不限于：一个或者多个处理器或者处理单元，存储器，连接不同系统组件(包括存储器和处理单元)的总线。
总线表示几类总线结构中的一种或多种，包括存储器总线或者存储器控制器，外围总线，图形加速端口，处理器或者使用多种总线结构中的任意总线结构的局域总线。举例来说，这些体系结构包括但不限于工业标准体系结构(ISA)总线，微通道体系结构(MAC)总线，增强型ISA总线、视频电子标准协会(VESA)局域总线以及外围组件互连(PCI)总线。
基于地壳物质结构的航空磁法探测方法的设备典型地包括多种计算机系统可读介质。这些介质可以是任何能够被基于地壳物质结构的航空磁法探测方法的设备访问的可用介质，包括易失性和非易失性介质，可移动的和不可移动的介质。
存储器可以包括易失性存储器形式的计算机系统可读介质，例如随机存取存储器(RAM)30和/或高速缓存存储器。基于地壳物质结构的航空磁法探测方法的设备可以进一步包括其它可移动/不可移动的、易失性/非易失性计算机系统存储介质。仅作为举例，存储系统可以用于读写不可移动的、非易失性磁介质(通常称为“硬盘驱动器”)，可以提供用于对可移动非易失性磁盘(例如“软盘”)读写的磁盘驱动器，以及对可移动非易失性光盘(例如CD-ROM，DVD-ROM或者其它光介质)读写的光盘驱动器。在这些情况下，每个驱动器可以通过一个或者多个数据介质接口与总线相连。存储器可以包括至少一个程序产品，该程序产品具有一组(例如至少一个)程序模块，这些程序模块被配置以执行本发明各实施例的功能。
具有一组(至少一个)程序模块的程序/实用工具，可以存储在例如存储器中，这样的程序模块包括但不限于操作系统、一个或者多个应用程序、其它程序模块以及程序数据，这些示例中的每一个或某种组合中可能包括网络环境的实现。程序模块通常执行本发明所描述的实施例中的功能和/或方法。
基于地壳物质结构的航空磁法探测方法的设备也可以与一个或多个外部设备(例如键盘、指向设备、显示器等)通信，还可与一个或者多个使得用户能与该基于地壳物质结构的航空磁法探测方法的设备交互的设备通信，和/或与使得该基于地壳物质结构的航空磁法探测方法的设备能与一个或多个其它计算设备进行通信的任何设备(例如网卡，调制解调器等等)通信。这种通信可以通过输入/输出(I/O)接口进行。并且，基于地壳物质结构的航空磁法探测方法的设备还可以通过网络适配器与一个或者多个网络(例如局域网(LAN)，广域网(WAN)和/或公共网络，例如因特网)通信。网络适配器通过总线与基于地壳物质结构的航空磁法探测方法的设备的其它模块通信，可以结合基于地壳物质结构的航空磁法探测方法的设备使用其它硬件和/或软件模块，包括但不限于：微代码、设备驱动器、冗余处理单元、外部磁盘驱动阵列、RAID系统、磁带驱动器以及数据备份存储系统等。处理单元通过运行存储在存储器中的程序，从而执行各种功能应用以及数据处理。
同时，本实施例还可以包括一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质中存储有程序，该程序被处理器执行时实现地壳物质结构的航空磁法探测方法。
本实施例的计算机存储介质，可以采用一个或多个计算机可读的介质的任意组合。计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质。计算机可读存储介质，例如可以是，但不限于电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本文件中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。
计算机可读的信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了计算机可读的程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括但不限于电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。计算机可读的信号介质还可以是计算机可读存储介质以外的任何计算机可读介质，该计算机可读介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。
计算机可读介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输，包括但不限于无线、电线、光缆、RF等等，或者上述的任意合适的组合。可以以一种或多种程序设计语言或其组合来编写用于执行本发明操作的计算机程序代码，所述程序设计语言包括面向对象的程序设计语言，诸如Java、Smalltalk、C++，还包括常规的过程式程序设计语言，诸如“C”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络包括局域网(LAN)或广域网(WAN)—连接到用户计算机，或者，可以连接到外部计算机(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。
综上，本申请通过地壳物质结构的航空磁法探测方法，对现有的航磁地质解释中存在的多解性问题具有良好的约束作用，为地壳物质结构的形成演化提供关键信息及数据解释，提高了航空磁法探测技术的实用性、可靠性。
最后应说明的是：显然，上述实施例仅是为清楚地说明本申请所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本申请的保护范围之中。
Claims (9)
1.一种地壳物质结构的航空磁法探测方法，其特征在于，包括：
获取研究区域的相关岩石信息，包括不同时代岩石的磁性统计数据和密度统计数据，以进行相关对比分析；
获取研究区域的航磁数据，对航磁数据进行信号增强处理，以反映相应的地壳物质信息；
对研究区域的航磁数据进行深度加权聚焦反演，根据岩石的磁性统计数据，得到研究区域地壳磁化率三维分布以及相应岩石的岩体范围；
基于研究区域岩石的密度统计数据和磁性统计数据，通过重磁剖面拟合，获得研究区域地壳物性结构，并进行地壳岩性识别；
基于地壳岩性识别以及航磁数据的信号增强处理结果，分析研究区域的地质属性，以进行相关地质解释；
所述深度加权聚焦反演包括步骤：
建立研究区域的三维网格模型M，针对航磁数据的二维网格数据N，建立三维网格模型M的磁场正演公式A(m)，求取二维网格数据N中每一数据单元d对三维网格模型M每一单元模型m的偏导数矩阵Fm，并计算得到深度加权算子对角阵
建立目标函数P(m)＝Φ(m)+αS(m)并求解极值，对航磁数据进行深度加权聚焦反演，其中：
Φ(m)＝‖A(m)-d‖2，为数据拟合泛函，以使得航磁数据反演得到的磁异常与观测磁异常相匹配；
S(m)＝‖WeWmm‖2，为模型拟合泛函，以提高航磁数据反演的稳定性和可靠性，并提升分辨率；
α为正则化因子，以平衡目标函数P(m)中Φ(m)和S(m)；
为最小支撑泛函，聚焦因子β用于避免式中单元模型m为零时分母没有意义，并且起到聚焦作用。
2.如权利要求1所述的一种地壳物质结构的航空磁法探测方法，其特征在于，对航磁数据进行信号增强处理的方法包括：化到地磁极以增强磁异常与磁源体的位置匹配关系、向上延拓以增强中下地壳磁源体的信号、一阶垂向导数以增强浅部磁源体的信号、三维解析信号以增强磁异常识别磁性体边界的能力。
3.如权利要求2所述的一种地壳物质结构的航空磁法探测方法，其特征在于，所述目标函数P(m)采用共轭梯度法进行求解。
4.如权利要求2或3中所述的一种地壳物质结构的航空磁法探测方法，其特征在于，所述正则化因子α在迭代过程中按照一定的比例因子衰减，以使得前期迭代主要侧重位置聚焦，后期迭代主要侧重数据拟合。
5.如权利要求4所述的一种地壳物质结构的航空磁法探测方法，其特征在于，所述目标函数P(m)在求解时，根据研究区域岩石的磁性统计数据并选择相关岩石的磁化率最大值作为磁化率的上限、零值作为下限来求解目标函数P(m)，以得到研究区域地壳磁化率三维分布。
6.如权利要求5所述的一种地壳物质结构的航空磁法探测方法，其特征在于，在分析研究区域相应岩石的岩体范围时，根据研究区域岩石类型的磁性统计数据并选择相应岩石的磁化率平均值作为阈值，得到大于阈值的岩石的岩体范围。
7.如权利要求6所述的一种地壳物质结构的航空磁法探测方法，其特征在于，在分析研究区域地壳物性结构时，基于研究区域岩石的岩体范围和密度统计数据，进行重磁剖面拟合，获得研究区域地壳物性结构，所述地壳物性结构包括地壳的密度结构。
8.如权利要求6或7中所述的一种地壳物质结构的航空磁法探测方法，其特征在于，获取研究区域的相关岩石信息时，将岩石按照时代进行分类，并对每一时代的岩石按照成因进行分类，以获取相应时代相应类型岩石的磁性统计数据和密度统计数据。
9.如权利要求8所述的一种地壳物质结构的航空磁法探测方法，其特征在于，对每一时代的岩石按照成因的分类包括沉积岩、岩浆岩、变质岩；所述岩浆岩分为基性岩和中酸性岩进行分析，以解决岩浆岩磁性差异大的问题。
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