一种基于重力不同阶梯度特征值交点的场源位置识别方法
阅读说明：本技术 一种基于重力不同阶梯度特征值交点的场源位置识别方法 (Method for identifying field source position based on intersection points of characteristic values of different gradients of gravity ) 是由 马国庆 明彦伯 王泰涵 李丽丽 张蕊 李达斌 于 2021-01-08 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于重力不同阶梯度特征值交点的场源位置识别方法,包括：通过求取不同阶梯度比值的特征值连线交点获得场源的真实界线结果；采用三维不同阶垂直梯度交点成像方法,通过对数据进行向下延拓处理,并寻找向下延拓数据的不同阶梯度的交点位置,即为构造的位置。本发明的方法,利用重力不同阶垂直梯度特征值在地质体位置位置处相交的特点进行场源位置的识别,有效解决单独二阶导数特征值受埋深影响得不到准确位置的缺陷,具有更高的精度。(The invention discloses a field source position identification method based on intersection points of characteristic values of different gravity gradients, which comprises the following steps of: obtaining a real boundary result of the field source by solving the intersection points of the characteristic values of different step ratio lines; and adopting a three-dimensional intersection point imaging method with different-order vertical gradients, carrying out downward continuation processing on the data, and searching intersection point positions of different-order gradients of the downward continuation data, namely the constructed positions. The method of the invention identifies the field source position by using the characteristic that the characteristic values of the vertical gradients of different orders of gravity intersect at the position of the geologic body, effectively solves the defect that the characteristic value of the single second derivative cannot obtain an accurate position due to the influence of the buried depth, and has higher precision.)
技术领域
本发明涉及地球科学技术，具体涉及一种基于重力不同阶梯度特征值交点的场源位置识别方法。
背景技术
目前，我国矿产资源接替基地面临的主要找矿难题是：老矿山深部和各类隐伏区的探矿难度大，急需先进、高效的理论和技术方法指导深部找矿。我国大部分金属矿山位于地形条件相对较好的地区，探查和开采深度均停留在500米以上范围。
随着卫星、航空等勘探手段的综合应用，以及数据精度和勘探精度要求的不断提高，重力勘探在深部探测方面的作用显著增强。但传统的反演方法运算量大、计算速度慢，难以满足当前大数据量下高精度深部反演的需求。空间成像类方法相比传统的反演方法，具有更快的计算效率的同时，也具有较高的精度。
现今大多是利用二阶垂直导数的特征值来圈定地质体的位置，但是由于特征值位置与地质体埋深相关，为此场源位置的识别精度较低。本发明创造性的利用重力数据的不同阶垂直梯度的特征值位置与地质体埋深的关系，提出不同阶垂直梯度的构造位置追踪方法，建立了构造位置追踪的技术体系，直接、准确地给出地质体位置。在场源位置识别方面，本方法具有更高的精度，同时具有较高的计算效率，并在实际地区地质构造位置识别中得到了良好的应用。
现有技术缺点：
现今大多是利用二阶垂直导数的特征值来圈定地质体的位置，但是由于特征值位置与地质体埋深相关，为此场源位置的识别精度较低。
重力勘探以勘探目标与围岩间密度差异为物性基础，通过测量重力异常来研究地下空间地质构造特征。因其具有经济、勘探深度大及快速获得面积上信息等优点，在地球深部构造探测、区域地质构造单元划分、沉积盆地圈定、固体矿产及油气资源勘查等领域获得广泛应用。近年来，随着硬件设备的升级和计算机技术的快速发展，重力勘探装备精度与效率都有了很大提高，同时数据处理与解释方法也由传统的定性解释逐步向定量解释发展。
在重力数据解释中，场源位置的识别与成像是重力数据处理与解释中一个必不可少的任务。发明一种重力不同阶垂直梯度特征值交点可直接给出场源位置的方法，其能够快速、准确地对场源水平及深度位置进行识别很有必要。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种基于重力不同阶梯度特征值交点的场源位置识别方法，利用重力不同阶垂直梯度特征值在地质体位置位置处相交的特点进行场源位置的识别，有效解决单独二阶导数特征值受埋深影响得不到准确位置的缺陷，具有更高的精度。
本发明采用的技术方案是：一种基于重力不同阶梯度特征值交点的场源位置识别方法，包括：
通过求取不同阶梯度比值的特征值连线交点获得场源的真实界线结果；
采用三维不同阶垂直梯度交点成像方法，通过对数据进行向下延拓处理，并寻找向下延拓数据的不同阶梯度的交点位置，即为构造的位置。
进一步地，所述通过求取不同阶梯度比值的特征值连线交点获得场源的真实界线结果包括求取地下异常体的三维重力异常场的一阶垂向梯度和二阶垂向梯度：
三维重力异常表示为公式（1）
(1)
式中V为重力位，k为密度和万有引力常数有关的常量，N为地质体的构造指数，（x0,，z0）为场源中心坐标，（x，z）为观测点坐标；
通过公式(1)可以推导出三维重力异常的一阶垂向梯度为公式(2)
(2)
其中，y是南北方向坐标，x是东西方向坐标；
垂直梯度零值点水平位置与场源深度的对应关系为公式（3）：
(3)
同样的，通过公式（1）推导出三维重力异常的二阶垂向梯度为公式（4）
(4)
二阶垂直梯度的零值点水平位置与场源深度的对应关系公式（5)：
(5)
联立公式（3）与公式（5），可得当z-z0=0，即地质体埋深为0时，不同阶垂直梯度的零值点相交于场源的真实位置（x0,y0）。
更进一步地，所述采用三维不同阶垂直梯度交点成像方法，通过对数据进行向下延拓处理，并寻找向下延拓数据的不同阶梯度的交点位置包括：
采用稳定向下延拓的水平迭代法，利用向上延拓数据和不同阶水平梯度计算向下延拓的数据，其基本公式为：
(6)
其中为在观测面h上的重力异常，h为向下延拓深度，为在地表观测的重力异常；
垂直梯度的计算会增大噪声的干扰，为此采用拉普拉斯方程来计算异常的高阶垂直梯度：
(7)。
更进一步地，所述采用三维不同阶垂直梯度交点成像方法，通过对数据进行向下延拓处理，并寻找向下延拓数据的不同阶梯度的交点位置还包括：
进行迭代计算，迭代过程如下：
S1，将向下延拓的数据向上延拓获得；
S2，；
S3，；
S4，将的修正量；
S5，重复S1至S4，直到均方差小于某一给定值；
S6，最终的向下延拓结果为
为迭代次数。
本发明的优点：
本发明的方法，利用重力不同阶垂直梯度特征值在地质体位置位置处相交的特点进行场源位置的识别，有效解决单独二阶导数特征值受埋深影响得不到准确位置的缺陷，具有更高的精度。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明的方法流程图；
图2 是本发明的东海西湖凹陷自由空气重力异常图；
图3 是本发明的空间重力异常数据体图；
图4 是本发明的TDX与FSTE两种边界识别三维数据体图；
图5 是本发明的剖面构造追踪方法结果图；
图6 是本发明的依据构造追踪结果解释的东海西湖凹陷构造分布图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参考图1，一种基于重力不同阶梯度特征值交点的场源位置识别方法，包括：
通过求取不同阶梯度比值的特征值连线交点获得场源的真实界线结果；
采用三维不同阶垂直梯度交点成像方法，通过对数据进行向下延拓处理，并寻找向下延拓数据的不同阶梯度的交点位置，即为构造的位置。
本发明的方法，利用重力不同阶垂直梯度特征值在地质体位置位置处相交的特点进行场源位置的识别，有效解决单独二阶导数特征值受埋深影响得不到准确位置的缺陷，具有更高的精度。
本发明的原理如下：
基于梯度的边界识别方法并不能获得场源的真实界线，且随着埋深的增加而误差更大，但是可以通过求取不同阶梯度比值的特征值连线交点获得准确的结果。
以地下异常体的三维重力异常场的一阶垂向梯度和二阶垂向梯度为例：
三维重力异常表示为公式（1）
(1)
式中V为重力位，k为密度和万有引力常数有关的常量，N为地质体的构造指数，（x0,，z0）为场源中心坐标，（x，z）为观测点坐标；
通过公式(1)可以推导出三维重力异常的一阶垂向梯度为公式(2)
(2)
其中，y是南北方向坐标，x是东西方向坐标；
垂直梯度零值点水平位置与场源深度的对应关系为公式（3）：
(3)
同样的，通过公式（1）推导出三维重力异常的二阶垂向梯度为公式（4）
(4)
二阶垂直梯度的零值点水平位置与场源深度的对应关系公式（5)：
(5)
联立公式（3）与公式（5），可得当z-z0=0，即地质体埋深为0时，不同阶垂直梯度的零值点相交于场源的真实位置（x0,y0）。
因此，提出三维不同阶垂直梯度交点成像方法，即通过对数据进行向下延拓处理，并寻找向下延拓数据的不同阶梯度的交点位置，即为构造的位置。
为了使交点成像获得准确的结果，将采用稳定向下延拓的水平迭代法。
这种方法利用向上延拓数据和不同阶水平梯度计算向下延拓的数据。其基本公式为：
(6)
其中为在观测面h上的重力异常，h为向下延拓深度，为在地表观测的重力异常；
垂直梯度的计算会增大噪声的干扰，为此采用拉普拉斯方程来计算异常的高阶垂直梯度：
(7)。
这种向下延拓方法具有较高的准确性，但仍会产生一定的误差。为了尽可能的减小误差，将进行迭代计算。迭代过程如下：
S1，将向下延拓的数据向上延拓获得；
S2，；
S3，；
S4，将的修正量；
S5，重复S1至S4，直到均方差小于某一给定值；
S6，最终的向下延拓结果为
为迭代次数。
本发明是一种快速、高精度的基于重力不同阶垂直梯度的构造位置追踪方法。
本发明将两种利用重力数据不同阶垂直梯度特征值的边界识别方法组合，形成一种全新的空间成像方法；
方法中寻找空间不同阶垂直梯度特征值交点的的详细实施方案。
本次发明的的方法，对后续的勘探与地质解释提供可靠依据。
实施案例：
东海西湖凹陷构造划分具体实施实例
1). 收集东海西湖凹陷的自由空气重力异常（图2）；
2).通过向下延拓或空间数据插值，获得三维空间重力异常数据体，（图3）。
3).计算三维空间重力异常数据体的阶跃边界识别方法（FSTE）与正则化倾斜角法（TDX）两种边界识别结果的空间三维数据体（图4）。
4).通过深度学习算法识别两个边界识别三维空间数据体中重合的极值位置，这个位置被认为成识别出来的构造边界位置（图5）
5).根据构造追踪方法完成西湖凹陷内部构造划分（图6）
各附图的详细说明：
图1，基于重力不同阶垂直梯度的构造位置追踪方法方法的技术实施流程；
图2，东海陆架盆地西湖凹陷地区的自由空气重力异常数据，其网格分辨率为1’×1’；
图3，对自由空气重力异常（图2）进行向下延拓处理获得下半空间三维重力异常数据体；
图4，对（图3）进行TDX和FSTE转换，获得两种边界识别三维数据体；
图5，通过深度学习算法识别两个边界识别三维空间数据体（图4）中重合的极值位置，这个位置被认为成识别出来的构造边界位置，并截取一个剖面进行展示结果；
图6，根据图（5）结果划分东海陆架盆地西湖凹陷地区的构造分布。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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