含地质耦合重力三维反演效果的探讨

王浩臣

【摘 要】当前，重磁三维反演成为地球物理勘探的研究热点和难点。在重力三维反演中，含地质耦合的反演算法是提高反演精度的一种有效方法，在实际运用中取得了良好的效果。运用含地质耦合的三维反演方法，对局部重力异常进行三维约束反演；反演的结果表明与实际的地质总体吻合；同时运用三维可视化技术，建立3D地质-地球物理模型。

【关键词】地质体模型；重力三维反演；地质耦合

【Abstract】Nowadays， method of the 3D gravity and magnetic inversion is the hot spot and difficult spot in geophysical prospecting. In the 3D gravity inversion， inversion algorithm with geological coupling which is an effective method to improve the inversion accuracy， has widely applied and achieved good results. The geological coupling included 3D gravity inversion method is applied to 3D constrained inversion of the residual gravity anomaly. The 3D visualization technology is used， set geologic-geophysical model.

【Key words】Geological body model； 3D gravity inversion； Geological coupling

0 引言

重磁资料反演与其他地球物理反演一样也存在严重的多解性问题，要想得到好的结果，必须附加约束条件，而且尽可能是各种约束条件的组合。在重力三维反演中，含地质耦合的反演算法是提高反演精度的一种有效方法，在实际运用中取得了良好的效果。加入约束条件，就是为了使反演结果与已知的地质信息和物理特性一致，含地质约束的反演大大提高了确定地下地质体位置的准确性。

1 方法简介及基本理论

在矿产勘探中会产生大量的地质和地球物理数据，如何将这些复杂的地球物理信息运用整合到地下地质体模型中去，这是一个非常艰难的过程。重力数据是地球物理勘探数据中最常见的一种，其包含着许多地球深部的数据信息，传统方法无法对其进行更为精确得分析和利用，随着近年来计算机的发展和反演方法的改进，利用重力数据建立复杂的三维地下地质体模型成为一种可能。在三维反演过程中，添加地质约束条件，可以缩短反演所需要的时间，并且更为有效的从数据筛选提取出有用的信息，建立一个三维地质体模型，从而可以更直观的了解地下地质体的形态、位置和空间分布等情况。

重力三维反演方法是一种人机交互式的反演方法，人为的参与程度相对更高。通过对实测数据进行一些滤波处理，进行三维反演，但由于地球物理反演存在着多解性的问题，所以要获取一个可信的实验结果就显得十分困难，因此如何选择正确的反演方法显得非常重要。在进行重力三维反演时，就需要加入一些地质先验信息，对三维模型进行约束反演，这样在一定程度上可以优化反演过程，减少反演时间，提高工作效率。地质约束条件主要包括一些物性参数（如密度、磁化率等）、钻孔资料、地质剖面图等。

2 模型的建立与响应特征

2.1 网格剖分

网格剖分即为网格模型的离散化，通过将地下半空间剖分成若干合适的矩形体（代表地质体单元），组合形成三维模型区域（图1）。这样，其中任一地质体单元j在坐标观测点p（x，y，z）的重力异常Δgi（x，y，z）σj为：

a-组合模型；b-任一模型单元；

a-model subdivided；b-model element。

Δgi（x，y，z）= σjSj（x，y，z）（1）

上式中，σj为第j个单元模型的密度差，p（k，l） 由场源的几何参数与计算点坐标的关系，称之为几何格架。

在三维反演中，模型的剖分关系确定下来后，其几何形态及与测点的相对关系将保持不变。网格剖分时需要考虑模型的精度，以测网密度为主要参考，而测网密度与设计的地质体规模的大小等有关。从计算量来讲，如果将几何构架存储起来，那么原本海量的求解模型的正演计算就变的相对简单。

2.2 地质体模型的建立

建立一个含有地质体的初始模型，并对该模型分别进行无约束的重力三维反演和含有地质耦合的三维反演，来验证其反演后的结果与所建立的地质体模型是否吻合。图2为初始的地质体模型。

未加入地质约束条件进行迭代反演计算，通过迭代计算完成反演，其迭代误差如图3。将反演所得三维数据体，运用三维可视化技术，得到初始化模型如图4。从图中可以看出，无约束反演的结果不理想，反演出的模型表面密度异常显得比较离散。

3 含有地质耦合的重力三维反演

3.1 地质耦合类型

重力位场的三维反演是一个复杂的过程，主要特点是数据量巨大、反演计算复杂、计算速度很慢。在重力三维反演中，对于反演结果多解性问题的讨论，在反演算法的研究始终是一个热点问题。主要的解决方法就是在重力反演算法中加入约束条件，来减少计算时间，提高反演效果，是反演模型更加接近实际情况。一般情况下，地质信息的约束类型有五类，如图5，图中红色代表已知信息，白色代表不受约束的自定义值。这五种类型都可以提供不同岩性的空间几何位置和范围。地表采样、地质图和钻孔可以提供实际岩石的物性测量值、实际地质情况及通过物性估算推断的解译。剖面和岩石体积分布代表了地下地质体的二维和三维的解释。基于地质准则或概念，广泛的约束条件能运用到模型的某一特定区域。这些约束条件通常用来限制每一个期望值的范围。

3.2 含有地表信息的重力三维反演

反演出来的初始模型，其剖分每一个单元体未添加物性约束条件。根据已有的地表岩性资料和测量的岩矿石密度参数对初始模型的网格单元位置赋上相应的地表的岩性实际密度值（图6），再次进行三维约束反演。

重力反演经过39次迭代后，反演结束，图7是三维反演结果立体图，所展示的是通过地表密度值去约束反演地下地质体的密度值结果，从反演结果中可以看出，区域内有明显的三块黄色地质体构造，反演的剖面信息与理论模型的地质体分布相对应，较好的反映出地下地质体的真实信息。

3.3 含有一条剖面信息的重力三维反演

同样，根据已有的剖面资料和测量的岩矿石密度参数对初始模型的网格单元位置赋上相对应的剖面的岩性实际密度值（图8），再次进行三维约束反演。反演计算中，所采用的主要参数值为：各方向相关系数αs=0.0001，αe=1，αn=1，αz=1，使其在三个方向的平滑度一致；参考模型采用零空间模型，即背景密度ρ0设置为0，重力反演的深度加权因子为1。

重力反演经过31次迭代后，完成反演，反演结果如图9所示。从反演结果中可以较明显的看出地质体在地下空间的分布情况。图10是三维反演切片立体图，所展示的是通过剖面密度值去约束反演地下地质体的密度值结果，从剖面结果中可以看出，反演的剖面信息与初始模型的地质体分布相对应，较好的反映出地下地质体的真实信息。

4 结论与建议

地球物理反演中，目标函数是非常重要的，对于模型的确立和反演结果的可信度影响很大，选择合适的目标函数和重力深度加权参数是关键。

根据对所建立的模型地质体进行加入地表密度信息和剖面信息后的反演结果，利用重力三维物性反演技术，可以较好的反应地下空间，不同密度磁性体的空间分布形态，为进一步找寻深层矿体提供重要信息。

通过全局优化技术，提高地质耦合的提取与结合能力，为最大限度地在解空间搜索合理模型创造条件；通过存储技术，极大提高计算速度，使全局最优化技术得到淋漓发挥；通过等效关系，极大地减少存储量，为全局优化三维物性反演提供了保障。通过这一系列技术措施、策略，为三维反演奠定了基础，使得重力三维反演向实用化大大迈进了一步。

[责任编辑：王楠]