基于等效源技术的重磁场重构方法

发布时间：2020-07-12 23:11

【摘要】：重力场和地磁场的空间特性及其变化是重力学和地磁学研究中的重要内容。基于本构关系以及有限的观测数据,采用数学物理方法可重构(reconstruction)或重建重力场和地磁场,并应用于重力场和地磁场的空间延拓、梯度计算、分量转换以及插值和网格化等方面,可以得到更丰富、更完整的重磁场三维空间信息。而且,重磁场观测数据通常是离散的,对离散观测数据进行重构,不仅可以提高数据转换的质量,还有利于准确认识场源特征,进而有助于叠加场的有效分离。事实上,离散位场观测数据的重构技术早已广泛应用于不同领域,但随着位场观测技术与计算机科技水平的提高,对位场重构技术提出了新的要求。因此,发展位场重构技术具有重要的学术意义和实用价值。等效源方法是一种常用的重磁场重构方法。该方法基于位场的等效性原理,利用一组简单的等效场源代替真实场源,通过充分拟合观测数据建立等效源模型,进而利用等效源模型正演实现场的重构和转换;具有适用性广、稳定性强和计算精度高的优势,受到国内外学者的广泛关注。但是,目前的等效源方法仍存在一些不足,如重构过程中会出现低频段信号的“泄露”、等效源模型设置方案缺少针对性等。本论文针对传统等效源方法中存在的问题,通过理论模型试验和分析,开展了等效源优化设置和反演算法等方面的研究。论文从等效源方法理论出发,讨论了等效源单元体形状、等效源深度、等效层展布形态、等效源磁化方向(针对地磁异常而言)和等效单元网格密度等参数的选取对重构效果的影响。通过分析产生信号“泄露”的原因,认为利用多层等效源代替单层等效源能够有效抑制信号的“泄露”;并根据理论模型试验,从重构精度、低频段信号恢复情况以及计算效率等方面进行对比,表明三层等效源方案具有最佳的重构效果。基于以上研究工作,本文提出了一种构建三层等效源模型的技术方案,即将第一层等效源布设在近地表约1~6倍离散数据点距深处;第二层等效源深度结合场源深度估计方法进行设置;第三层则设置在基底深度附近。其中第一层和第二层等效源可以随地形起伏或沿水平面进行空间展布;而为减少设置难度,第三层等效源选择沿水平面展布。等效源单元体选用长方体能较好地保留多频段位场信息,且其几何尺寸随着设置深度增加而加大,以保证各单元体相应的敏感度并控制单元体总数量。该方案所构建的三层等效源,在观测面之下呈正梯形分布,有效地减小了数据区域边部效应。论文针对等效源物性反演算法进行了讨论。对比了各反演算法的优劣,并结合三层等效源方案,选择预优共轭梯度算法用于反演,获取等效源物性分布。该算法可通过设置预优因子使深层等效源发挥作用,以减小“趋肤效应”的影响,并使计算效率得到有效提高。此外,我们引入重构重磁场的梯度值拟合误差作为评价重构效果的参数,以提高重构的准确度。论文通过大量二维与三维理论模型试验表明,本文提出的方法不仅可以高精度重构空间重磁场数据,而且能够获得高精度的异常梯度和分量等转换结果,同时可以很好地实现重磁场数据的插值、网格化及多源数据融合等应用,与传统方法相比有显著的优势。最后,论文利用实测重磁资料验证了该方法的稳定性和实用性。
【学位授予单位】：中国地质大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：P631
【图文】：

等效源,上模型,正演,异常数据

说明简单理论模型试验，对基于等效源方法的重磁场 2.4.1 所示，设计二维水平圆柱体模型，中心埋深面水平，长度 2 km，高程 0 m，测点间距 10 m。先3；磁化强度 1 A/m，有效磁化倾角 is=60°，观测剖45°，地磁场感应总强度 50000 nT。利用质量线与磁等效源，等效单元水平位置与观测点一一对应。型在观测面上的正演重力异常与磁异常反演等效观测面上、100 m 高度和 20 m 深度平面上的异常Tz）（见图 2.4.2）、磁异常垂向分量 Za和化极磁异论值进行对比。果可以说明，利用有限的重磁场观测数据，等效源场信息，并实现对重磁场数据不同参量间的转换。

等效源,理论值,计算值,模型

的异常值（g、ΔT）、垂向梯度（Tzz、ΔTz）（见图 2.4.2）、磁异常垂向分量 Za和化极磁异常 ΔTRTP（见图2.4.3），并与理论值进行对比。通过试验结果可以说明，利用有限的重磁场观测数据，等效源方法可以重构出丰富的空间重磁场信息，并实现对重磁场数据不同参量间的转换。图 2.4.1 二维模型与等效源空间位置及观测面上模型正演异常数据(a) 观测面上模型正演重力异常（红色虚线）及磁异常（蓝色实线）；(b) 圆形阴影为理论模型，黑色虚线为单层等效源模型

曲线,重力异常,正演,等效源

3、截面半径 150 m、中心埋深 600 m，观测面 50m 深度处建立与观测点对应的单层等效源算观测面上的重力异常及其垂向梯度（图 2.4对数功率谱，并与理论值进行对比（图 2.4.6） 2.4.6 中可见，观测数据虽然可以很好地被重构据时会产生较大的误差（图 2.4.5(b,d)）。而且计算值的对数功率谱曲线，可见两者之间存在恢复理论值中的信息。结果可以说明，虽然等效源方法能够利用有信息，但仅以重构观测数据拟合差作为重构效构精度，极有可能出现虽然重构结果可以很存在较大误差的现象。因此本文建议在条件具分析的计算精度作为进一步的衡量标准。

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