發(fā)布時間：2016-08-03 23:08

  本文關鍵詞：三維電阻率空間結(jié)構(gòu)約束反演成像方法，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

? 2266 ? 巖石力學與工程學報 2012年

x/m

y/m

出水點① 測線二

泥質(zhì)粉砂巖

4 m

出水點②

測線一

2 m

圖13 掌子面地質(zhì)情況與測線布置

Fig.13 Geological condition and survey lines on tunnel face

圖15 由地質(zhì)雷達探測結(jié)果推斷得到的異常體三維形態(tài) Fig.15 3D morphology of anomalous body deduced by GPR

results

條測線分別實施地質(zhì)雷達和電阻率法探測。 4.2 地質(zhì)雷達探測

信息轉(zhuǎn)化為空間結(jié)構(gòu)約束施加到反演方程中，分析觀測數(shù)據(jù)，設定初始模型為均一模型，初始電阻率設定為700 ?·m，反演迭代次數(shù)為8次，耗時約

地質(zhì)雷達探測采用100 MHz天線，通過對地質(zhì)雷達處理分析，得到探測成果圖(見圖14)及地質(zhì)構(gòu)造推斷圖(見圖15)，可見，存在3個明顯的異常區(qū)域，結(jié)合地質(zhì)分析結(jié)果，發(fā)現(xiàn)左側(cè)的異常區(qū)域與泥質(zhì)粉砂巖位置一致，推斷該異常區(qū)域為泥質(zhì)粉砂巖，而中部和右側(cè)的2個異常區(qū)域地質(zhì)雷達反射較為強烈，界面較為清晰，但是否含水無法做出準確判斷，需要借助三維電阻率探測。

60 min。

三維電阻率空間結(jié)構(gòu)約束反演結(jié)果如圖16所示，可見，反演得到的三維電阻率結(jié)構(gòu)圖中存在3

y/m

y/m

x/m 8

66442200

8

0224

466810

12x/m

3

3

6 z

9

12

9

12

(a) 三維反演成像結(jié)果

圖14 地質(zhì)雷達探測結(jié)果 Fig.14 GPR detection results

y/m

864200

切片y 切片

4.3 攜帶空間結(jié)構(gòu)約束的三維電阻率探測反演

電阻率探測采用施倫貝謝爾形式，電極間距為

切片y 切片2

3 3

0.3 m，測線一共41根電極，測線二共27根電極，觀測數(shù)據(jù)總量為536個。

建立反演三維模型，反演核心區(qū)域網(wǎng)格數(shù)量為

2446810

12x/m

6

6

99

1212

(b) 反演結(jié)果切片(y = 6m和y = 2 m處) 50

200

350500 650 800 950電阻率 (?·m)

40(x方向)×8(y方向)×12(z方向) = 3 840個，綜合地質(zhì)分析和地質(zhì)雷達探測得到異常體空間結(jié)構(gòu)(見圖13和15)，映射到電阻率三維反演模型中，提取出對應區(qū)域的網(wǎng)格，構(gòu)制F矩陣，從而將已知先驗

圖16 三維電阻率空間結(jié)構(gòu)約束反演成像結(jié)果 Fig.16 3D resistivity inversion results with spatial structural

constraint

第31卷 第11期 劉 斌等：三維電阻率空間結(jié)構(gòu)約束反演成像方法 ? 2267 ?

個低阻區(qū)，低阻異常區(qū)域中網(wǎng)格電阻率分布均一，使得低阻異常很容易識別，除上述3個低阻區(qū)之外沒有明顯的其他構(gòu)造和異常，對地質(zhì)解釋基本無干擾。結(jié)合地質(zhì)分析和地質(zhì)雷達探測成果，可到如下地質(zhì)推斷和解釋：

態(tài)，但其對應的低阻區(qū)域中網(wǎng)格電阻率分布不均一，離散性較強，不易被識別出來，導致在確定導水裂隙和粉質(zhì)泥砂巖的邊界時存在困難。同時，反演結(jié)果中多余構(gòu)造較多，電阻率結(jié)構(gòu)較為混亂，存在著多處假異常(包括高阻異常和低阻異常)，尤其是低阻假異常(見圖17[17])的存在給導水構(gòu)造的識別和解釋帶來了很大干擾和困難，其探測反演效果與空間結(jié)構(gòu)約束反演相比存在較大的差距。 4.5 探測效果評價

(1) x = 4～7 m范圍的低阻體與地質(zhì)分析中的泥質(zhì)粉砂巖夾層位置一致，電阻率為41.3～92.6 ?·m，推斷為泥質(zhì)粉砂巖夾層，該夾層在隧道開

挖方向上延伸范圍為z = 0～12 m，傾角約為73°，。 與隧道走向夾角約為7°

對開挖揭露的地質(zhì)情況進行了記錄，其中，泥，與質(zhì)粉砂巖夾層延伸至z = 12 m處，傾角為70°隧道走向夾角約為9°，中上部的導水裂隙延伸至z = 12 m處，，右上部的導水裂隙在z = 9 m處延伸至邊

(2) x = 7～8 m范圍的低阻體位于掌子面中上部，與出水點①的位置一致，電阻率為75.2～158.4 ?·m，推斷為導水裂隙，在隧道開挖方向上延伸

范圍為z = 0～11 m。 墻內(nèi)，可見，探測結(jié)果與實際地質(zhì)情況較為一致，驗證了三維電阻率空間結(jié)構(gòu)約束反演方法的實用性。

通過對合成數(shù)據(jù)和實際工程探測數(shù)據(jù)的反演，結(jié)合其他三維電阻率空間結(jié)構(gòu)反演算例和應用，可發(fā)現(xiàn)與未攜帶空間結(jié)構(gòu)約束的反演方法相比，三維電阻率空間結(jié)構(gòu)反演方法具有以下優(yōu)勢：

(3) x = 10～12 m范圍的低阻體位于掌子面右上部，與出水點②位置吻合，電阻率為67.5～173.1 ?·m，推斷為導水裂隙，在隧道開挖方向上延伸

范圍為z = 0～10 m。

(4) 除了上述3個低阻異常外，探測范圍內(nèi)沒有其他明顯的低阻異常，推斷無其他含導水構(gòu)造。 4.4 未攜帶空間結(jié)構(gòu)約束的三維電阻率探測反演

(1) 利用空間結(jié)構(gòu)約束反演得到的電阻率結(jié)構(gòu)中，多余構(gòu)造和假異常大大減少，背景較為干凈，有效改善了反演多解性，顯著減少了對地質(zhì)解釋的干擾。

在本次探測中，也采用了基于自適應加權(quán)光滑約束的反演方法，其反演結(jié)果如圖17[17]所示，自適應加權(quán)光滑約束的反演方法是提高深部反演分辨率的一種反演方法，其具體理論和工程應用情況已另文發(fā)表[17]。這種反演方法僅是對光滑約束的改進，沒有攜帶空間結(jié)構(gòu)約束，也沒有施加由其他探測方法獲取的已知先驗信息。由圖17[17]可見，反演結(jié)果可反映粉質(zhì)泥砂巖夾層和導水裂隙的賦存位置和形

(2) 由于空間結(jié)構(gòu)約束假設異常區(qū)域內(nèi)的各個網(wǎng)格之間的電阻率差異極小，使得已知空間結(jié)構(gòu)映射區(qū)域中的網(wǎng)格電阻率分布較為均一，離散性大大降低，增強了異常區(qū)域與背景的電阻率差異，使得異常區(qū)域更加容易識別。

(3) 空間結(jié)構(gòu)約束很好地利用了地質(zhì)雷達法、地震反射法等探測方法的定位精度高和對界面識別效果好的優(yōu)點，使得對于異常體的定位精度有效提高，對界面的分辨效果也得到改善。

8 6 y/m

4 2 0

5 結(jié) 論

針對三維電阻率探測反演多解性的難題，提出

12

0 244 66 8 x/m 8 10x/m

120

3

3

6 z/m

了利用其他勘探地球物理方法獲得的異常體的空間形態(tài)信息作為電阻率反演空間結(jié)構(gòu)約束的解決思路，形成了三維電阻率探測空間結(jié)構(gòu)約束反演成像方法，在數(shù)值算例和實際工程算例中應用效果良好，具體結(jié)論如下：

50 200 350 500 650 800 電阻率(?·m)

圖17 利用自適應加權(quán)光滑約束得到的反演結(jié)果[17] Fig.17 Inversion results using adaptive-weighted smooth

constraint

[17]

(1) 基于已知異常區(qū)域中介質(zhì)電阻率分布均一、各網(wǎng)格電阻率幅值之間基本無差異這一簡單的假設，本文提出了一種表達簡單、易于實現(xiàn)的空間

? 2268 ? 巖石力學與工程學報 2012年

結(jié)構(gòu)約束。算例反演結(jié)果表明，空間結(jié)構(gòu)約束可較好地表征三維條件下已知地質(zhì)結(jié)構(gòu)，具有良好的普適性，映射區(qū)域的網(wǎng)格電阻率分布較為均一、離散性小，增強了異常區(qū)域與背景之間的對比度，使得異常區(qū)域更加容易識別�？梢�，本文的空間結(jié)構(gòu)約束合理，且簡單實用，符合一般的地質(zhì)常識和規(guī)律。

Central South University，2003.(in Chinese))

[6] 底青云，王妙月. 積分法三維電阻率成像[J]. 地球物理學報，2001，

44(6)：843–852.(DI Qingyun，WANG Miaoyue. 3D resistivity tomography by integral method[J]. Chinese Journal of Geophysics，2001，44(6)：843–852.(in Chinese))

[7] JIE Z，MACKIE R L，.MADDEN T R. 3D resistivity forward

modeling and inversion using conjugate gradients[J]. Geophysics，60(5)：1 313–1 325.

[8] 吳小平，徐果明. 利用共軛度法的電阻率三維反演研究[J]. 地球物

理學報，2000，43(3)：420–426.(WU Xiaoping，XU Guoming. Study on 3D resistivity inversion using conjugate gradient method[J]. Chinese Journal of Geophysics，2000，43(3)：420–426.(in Chinese)) [9] 宛新林，席道瑛，高爾根，等. 用改進的光滑約束最小二乘正交分

解法實現(xiàn)電阻率三維反演[J]. 地球物理學報，2005，48(1)：439–444.(WAN Xinlin，XI Daoying，GAO Ergen，et al. 3-D resistivity inversion by the least-squares QR factorization method under improved smoothness constraint condition[J]. Chinese Journal of Geophysics，2005，48(1)：439–444.(in Chinese))

[10] PIDLISECKY A，HABER E，KNIGHT R. RESINVM3D：a 3D

resistivity inversion package[J]. Geophysics，2007，72(2)：H1–H10. [11] KIM H J，SONG Y，LEE K H. Inequality constraint in least-squares

inversion of geophysical data[J]. Earth Planets Space，1999，51：255–259. [12] MUSIL M，MAURER H R，GREEN A G. Discrete tomography and

joint inversion for loosely connected or unconnected physical properties：application to crosshole seismic and georadar data sets[J]. Geophysical Journal International，2003，153(2)：389–402. [13] 劉 斌，李術(shù)才，李樹忱，等. 基于不等式約束的最小二乘法三維

電阻率反演及其算法優(yōu)化[J]. 地球物理學報，2012，55(1)：260–

(2) 多種地球物理手段綜合探測是目前的常用方法，空間結(jié)構(gòu)約束很好地利用了地質(zhì)雷達法、地震反射法等方法的定位精度高和界面識別效果好的優(yōu)點，將其他方法得到已知構(gòu)造信息作為空間結(jié)構(gòu)約束施加到三維電阻率反演方程中，實現(xiàn)了多種探測方法的實質(zhì)性的融合�？臻g結(jié)構(gòu)約束本質(zhì)上是增加了異常區(qū)域的先驗信息，有效改善了三維電阻率反演方程的病態(tài)程度，使得多余構(gòu)造和假異常大大減少，背景較為干凈，大大提高了異常體的定位精度和界面分辨效果，克服了傳統(tǒng)電阻率反演方法定位效果差、界面分辨率低的問題，使得反演結(jié)果與地質(zhì)原型或?qū)嶋H情況較為一致，有效改善了反演多解性，顯著減少了對地質(zhì)解釋的干擾。

(3) 本文數(shù)值算例和工程應用算例中，僅使用了地質(zhì)雷達法和地質(zhì)分析得到已知構(gòu)造信息，在下一步研究工作中，將增加用于已知先驗信息獲取的其他探測方法(如地震反射法、瞬變電磁法、地質(zhì)鉆探法等)，重點研究更具普適性的三維電阻率空間結(jié)構(gòu)約束反演方法。 參考文獻(References)：

[1] BACKUS G E，GILBERT F. Uniqueness in the inversion of

inaccurate gross earth data[J]. Philosophical Transactions of the Royal Society，1970，266：123–192.

[2] 王家映. 地球物理反演理論[M]. 北京：高等教育出版社，2002：

20–21.(WANG Jiaying. Inverse theory in geophysics[M]. Beijing：Higher Education Press，2002：20–21.(in Chinese))

[3] SASAKI Y. 3D resistivity inversion using the finite element

method[J]. Geophysics，1994，59(11)：1 839–1 848.

[4] 阮百堯，村上峪，徐世浙. 電阻率/激發(fā)極化率數(shù)據(jù)的二維反演程

序[J]. 物探化探計算技術(shù)，1999，21(2)：116–125.(RUAN Baiyao，MURAKAMI Y，XU Shizhe. 2D inversion program of induced polarization data[J]. Computing Techniques for Geophysical and Geochemical Exploration，1999，21(2)：116–125.(in Chinese)) [5] 黃俊革. 三維電阻率/極化率有限元正演模擬與反演成像[博士學位

論文][D]. 長沙：中南大學，2003.(HUANG Junge. 3D resistivity/IP

268.(LIU Bin，LI Shucai，LI Shuchen，et al. 3D electrical resistivity inversion with least-squares method based on inequality constraint and its computation efficiency optimization[J]. Chinese Journal of Geophysics，2012，55(1)：260–268.(in Chinese))

[14] KAIPIO J P，KOLEHMAINEN V，VAUHKONEN M，et al. Inverse

problems with structural prior information[J]. Inverse Problems，1999，15(3)：713–729.

[15] LI Y G，OLDENBURG D W. Incorporating geological dip information

into geophysical inversions [J]. Geophysics，2000，65(1)：148–157. [16] SAUNDERS J H，HERWANGER J V，PAIN C C，et al. Constrained

resistivity inversion using seismic data[J]. Geophysical Journal International，2005，160(3)：785–796.

[17] 劉 斌，李術(shù)才，聶利超，等. 基于自適應加權(quán)光滑約束與PCG算法

的三維電阻率探測反演成像[J]. 巖土工程學報，2012，34(9)：1 646–1 653.(LIU Bin，LI Shucai，NIE Lichao，et al . Study on inversion method of 3D resistivity detection using adaptive-weighted smooth constraint and PCG algorithm[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2012，34(9)：1 646–1 653.(in Chinese))

modeling and inversion based on FEM[Ph. D. Thesis][D]. Changsha：

  本文關鍵詞：三維電阻率空間結(jié)構(gòu)約束反演成像方法，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號：82698