一种基于陆地与水下直流电联合测量的地质反演方法技术

本发明专利技术公开一种基于陆地与水下直流电联合测量的地质反演方法，包括以下步骤：S1：在目标地域中排列布置电极，所述目标地域包括水域，所述水域两侧分别为陆地，电极排列从一侧陆地逐步向水域底部布置，直至布置到另一侧陆地上；S2：采用声呐探测装置，确定水域中水体的空间分布，并采集水域不同深度及不同点位的水样进行分析，确定水体的电阻率空间分布结构，建立水域中水体及水底地形起伏三维模型；本发明专利技术基于直流电联合测量，从实际角度出发，设计了多个技术要点，包括：从陆地到水中的递进式测量方法，有效控制岸边到深水区的地质情况；消除动水对电极扰动的影响；建立水库模型，消除水体对地下介质反演的影响。除水体对地下介质反演的影响。除水体对地下介质反演的影响。

【技术实现步骤摘要】
一种基于陆地与水下直流电联合测量的地质反演方法


[0001]本专利技术属于陆地与水下直流电探测
，尤其涉及一种基于陆地与水 下直流电联合测量的地质反演方法。

技术介绍

[0002]迄今为止，直流电的正反演方法与理论较为成熟，地面直流电法应用广， 相对稳定。但是，纵观目前的进展，将陆地与水下直流电联合测量与反演的方 法研究很少，技术还不完备。水库、水电工程坝体安全检测受限于常规方法的 局限亟需突破，开展考虑动水环境的陆地与水下直流电联合测量与反演方法研 究尤为重要。

技术实现思路

[0003]本专利技术提供一种基于陆地与水下直流电联合测量的地质反演方法，旨在解 决上述存在的问题。
[0004]本专利技术是这样实现的，一种基于陆地与水下直流电联合测量的地质反演方 法，包括以下步骤：
[0005]S1：在目标地域中排列布置电极，所述目标地域包括水域，所述水域两侧 分别为陆地，电极排列从一侧陆地逐步向水域底部布置，直至布置到另一侧陆 地上；
[0006]S2：采用声呐探测装置，确定水域中水体的空间分布，并采集水域不同深 度及不同点位的水样进行分析，确定水体的电阻率空间分布结构，建立水域中 水体及水底地形起伏三维模型；
[0007]S3：根据陆地及水域底部的电极布置，采用温纳装置或偶极
‑
偶极装置变换 供电电极与接收电极位置，建立不同供电
‑
接收观测系统，获取观测数据；
[0008]S4：对观测数据进行预处理，去除观测数据中去掉不正常的数据点；
[0009]S5：根据预处理后的观测数据，获取视电阻率拟断面图，分析视电阻率拟 断面图，初步判断目标地域中地下地质情况；
[0010]S6：根据目标地域中水体及地质特点建立不同地质模型，进行二、三维正 演模拟计算分析，其中，整个正演模拟计算区域采用非结构化三角单元或四面 体单元进行二、三维网格剖分；
[0011]S7：根据水域中水体及水底地形起伏三维模型，建立包含三维水体电阻率 结构的初始模型，并使用非结构化三角单元或四面体单元进行网格剖分，以实 现二、三维反演。
[0012]进一步的，在步骤S3中，采用温纳装置或偶极
‑
偶极装置变换供电电极与 接收电极位置具体包括：采用电极A、B、M、N四个电极，电极A为正极， 电极B为负极，电极M和电极N为测点电极；将电极A、电极B、电极M和 电极N不断地变换位置，从而向地下不同深度输入电流，并获得当前测点电极 M、N的电位差；记录每次变换的电极A、电极B、电极M和电极N位置、电 流及电压，最终视电阻率按以下方式计算：
[0013][0014]其中，ΔU
MN
为M、N测量电极对之间的电位差，I为测量电流，K为装置 系数，温纳装置、偶极
‑
偶极装置的装置系数K具体计算法则分别为：
[0015][0016][0017]其中，AM、AN、BM、BN、MN分别为各电极之间的距离。
[0018]进一步的，在步骤S4中，对观测数据进行预处理具体包括：首先对观测数 据进行傅里叶变换，分析动水对电极位置的扰动以及数据的影响，并对同一个 观测点随时间的变化数据进行滤波处理；之后做傅里叶反变换，叠加观测点随 时间变化的数据，并求均值与方差，进一步整理为视电阻率数据，对各点的视 电阻率数据进行编辑，去掉超出正常范围的数据。
[0019]进一步的，在步骤S5中，获取视电阻率拟断面图具体包括：对于温纳装置 而言，以电极A和电极B之间距离的一半为纵轴，电极M和电极N之间中心 点为测点横向位置，获取视电阻率拟断面图；对偶极
‑
偶极装置而言，电极A、 B之间中点与电极MN之间中点的距离一半为纵轴，测量装置中心点为测点横 向位置，获取视电阻率拟断面图。
[0020]进一步的，在步骤S6中，进行二、三维正演模拟计算分析具体包括：设置 水体均匀电阻率，水底以下不规则异常体电阻率，其余部分为特定的背景电阻 率；
[0021]二维与三维电位计算方程分别如下：
[0022]‑▽
[σ(x,z)
▽
φ(x,y,z)]＝I(x,y,z)
[0023]‑▽
[σ(x,y,z)
▽
φ(x,y,z)]＝I(x,y,z)
[0024]其中，σ(x,z)为电导率的二维分布，σ(x,y,z)为电导率的三维分布，
▽
φ(x,y,z) 为电位的三维分布，I(x,y,z)为一个电流源项；
[0025]利用有限单元法离散上式，得到一个线性方程组：
[0026]Kv＝S
[0027]其中，K为稀疏矩阵，包含网格单元几何信息以及电阻率结构信息，v为 待求解向量，S为右端项；
[0028]进一步利用向量v以及插值矩阵，获得计算空间内任意测点位置的视电阻 率值。
[0029]进一步的，在步骤S7中，具体包括：
[0030]设定反演目标函数：
[0031][0032]其中，m为所有电阻率参数组成的列向量，λ为正则化因子，为数据 目标函数，为模型目标函数；
[0033][0034]其中，Δd为观测数据与正演数据的残差向量，W
d
为数据加权矩阵；
[0035]W
d
＝diag{1/σ1,1/σ2,...1/σ
j
...1/σ
m
}
[0036]其中，数据加权矩阵为一个对角矩阵，对角元素为每个数据方差的倒数；
[0037][0038]其中，W
m
为模型协方差矩阵，用于控制模型在横向和纵向的光滑程度， 该矩阵使用梯度算子或拉普拉斯算子对局部模型约束。
[0039]进一步的，在步骤S7中，反演方法采用高斯牛顿法，具体包括：
[0040]S71：选择初始电阻率模型m0，设定反演最大迭代次数，以及最小拟合差；
[0041]S72：求解线性方程组获得迭代的更新方向p
k
；
[0042]S73：设定一个初始步长，并开始一维线性搜索，寻优当前迭代的模型更新 步长α，并按如下公式更新模型：
[0043]m
k+1
＝m
k
+αp
k
[0044]S74：若当前拟合差小于最小阀值，或迭代次数已经大于最大迭代次数，则 终止反演；若上述条件都未满足，则跳至第二步，开始新的迭代；
[0045]在线性方程组中，包含如下灵敏度矩阵：
[0046][0047]其中，灵敏度矩阵的元素为不同观测数据关于模型参数的偏导数，该矩阵 为一个满秩矩阵；
[0048]反演流程中，拟合差按如下计算：
[0049][0050]进一步的，在反演过程中，λ通过以下机制调整：
[0051]当反演拟合差难以下降时，λ缩小为原来的十分之一；
[0052]当线性搜索难本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于陆地与水下直流电联合测量的地质反演方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：在目标地域中排列布置电极，所述目标地域包括水域，所述水域两侧分别为陆地，电极排列从一侧陆地逐步向水域底部布置，直至布置到另一侧陆地上；S2：采用声呐探测装置，确定水域中水体的空间分布，并采集水域不同深度及不同点位的水样进行分析，确定水体的电阻率空间分布结构，建立水域中水体及水底地形起伏三维模型；S3：根据陆地及水域底部的电极布置，采用温纳装置或偶极
‑
偶极装置变换供电电极与接收电极位置，建立不同供电
‑
接收观测系统，获取观测数据；S4：对观测数据进行预处理，去除观测数据中去掉不正常的数据点；S5：根据预处理后的观测数据，获取视电阻率拟断面图，分析视电阻率拟断面图，初步判断目标地域中地下地质情况；S6：根据目标地域中水体及地质特点建立不同地质模型，进行二、三维正演模拟计算分析，其中，整个正演模拟计算区域采用非结构化三角单元或四面体单元进行二、三维网格剖分；S7：根据水域中水体及水底地形起伏三维模型，建立包含三维水体电阻率结构的初始模型，并使用非结构化三角单元或四面体单元进行网格剖分，以实现二、三维反演。2.根据权利要求1所述的一种基于陆地与水下直流电联合测量的地质反演方法，其特征在于，在步骤S3中，采用温纳装置或偶极
‑
偶极装置变换供电电极与接收电极位置具体包括：采用电极A、B、M、N四个电极，电极A为正极，电极B为负极，电极M和电极N为测点电极；将电极A、电极B、电极M和电极N不断地变换位置，从而向地下不同深度输入电流，并获得当前测点电极M、N的电位差；记录每次变换的电极A、电极B、电极M和电极N位置、电流及电压，最终视电阻率按以下方式计算：其中，ΔU
MN
为M、N测量电极对之间的电位差，I为测量电流，K为装置系数，温纳装置、偶极
‑
偶极装置的装置系数K具体计算法则分别为：偶极装置的装置系数K具体计算法则分别为：其中，AM、AN、BM、BN、MN分别为各电极之间的距离。3.根据权利要求1所述的一种基于陆地与水下直流电联合测量的地质反演方法，其特征在于，在步骤S4中，对观测数据进行预处理具体包括：首先对观测数据进行傅里叶变换，分析动水对电极位置的扰动以及数据的影响，并对同一个观测点随时间的变化数据进行滤波处理；之后做傅里叶反变换，叠加观测点随时间变化的数据，并求均值与方差，进一步整理为视电阻率数据，对各点的视电阻率数据进行编辑，去掉超出正常范围的数据。4.根据权利要求2所述的一种基于陆地与水下直流电联合测量的地质反演方法，其特征在于，在步骤S5中，获取视电阻率拟断面图具体包括：对于温纳装置而言，以电极A和电极B之间距离的一半为纵轴，电极M和电极N之间中心点为测点横向位置，获取视电阻率拟断面

【专利技术属性】
技术研发人员：王堃鹏，王向鹏，焦永春，李棂泽，纪伟，
申请(专利权)人：成都理工大学，
类型：发明
国别省市：