湘南坪宝矿田岩浆热液成矿系统深部探测与地球化学约束

湘南是我国乃至世界最重要的钨锡多金属矿集区之一,发育了坪宝、柿竹园、骑田岭等多个大型矿床(田)。随着浅部资源逐渐枯竭,成矿系统深延与探测成为找矿突破的重点,尤其是覆盖层下隐伏成矿岩体、流体运移通道与矿体赋存空间的准确识别。本文以湘南坪宝矿田为例,采用广域电磁、构造解析与地球化学等方法揭示了成矿系统的空间结构与物质组成:(1)矿田深部(<5 km)存在4个隐伏的燕山期花岗岩体,包括宝山、黄沙坪、大坊、野鹅塘,岩体呈现不规则形态;(2)岩体侵位受NNE走向、NE走向与NW走向的区域断裂交汇联合控制,其岩体接触带与次级断裂为主要的控矿构造;(3)断层破碎带中方解石、石英、赤铁矿等热液矿物为成矿流体活动留下的痕迹,可用来识别成矿流体的源区与路径;(4)科学钻探证实了矿体与成矿运移通道深延稳定,且可能与深部隐伏岩体导通;(5)宝山矿区西部、黄沙坪矿区东部、大坊与野鹅塘矿区深部应为该区未来找矿勘查的重点。通过广域电磁、构造解析与矿物地球化学分析可以深入认识隐伏岩体的空间形态与形成时代,构建成矿物质与流体的“源-运-储”模型,开展成矿系统的深部探测与成矿潜力评价。

无单元Galerkin法的电流场与渗流场耦合正演

联合求解渗流场与电流场是确定土石坝渗流精确分布及评价渗流严重程度的重要途径.为解决水文-地球物理方法中存在的渗-电拟合度差及分辨率损失严重等问题,针对电性参数对水文状态变量的敏感性,本文开发一种基于无单元Galerkin法(Element-Free Galerkin Method,EFGM)的渗流场与电流场耦合正演算法.一方面,通过引入岩石物理关系经验公式及水文状态变量构建耦合模型;另一方面,通过滑动最小二乘法构造形函数,利用罚函数计算边界条件,以解决耦合模型的构建过程中对网格单元过度依赖问题来提高渗-电拟合精度.数值模拟的渗-电关联响应及耦合正演中,分析了土石坝内电流场及渗流路径,探索了各分量对土石坝不同附属结构体的异常响应特征.关联响应结果显示,饱和区内渗-电关联响应吻合较好.但由于非饱和渗流的特殊性,非饱和区介质岩石的物理特性会随着饱和度、孔隙度等因素的变化而发生改变,从而导致土石坝内非饱和区物性参数的分布与饱和区不同,从而造成非饱和区内渗-电场关联响应存在差异.在非饱和区域,耦合电位及电流密度分布与渗流分布吻合度高.渗-电耦合结果对实施模型约束的水文-地球物理耦合反演具有重要理论和实际意义.

监督下降的直流电阻率法二维反演

为了解决拟线性反演中先验信息利用不充分及大批量数据计算效率低的问题,本文将监督下降法(Supervised Descent Method,SDM)应用到直流电阻率法二维反演中.SDM包括离线训练和在线预测两个阶段.训练集由根据先验信息生成的模型和正演模拟数据组成.在训练过程中,学习从初始模型到训练模型的下降方向.在预测过程中,同时考虑了训练过程中获取的下降方向和计算出的数据残差.通过合成数据算例,讨论了SDM的反演精度、收敛速度、抗噪能力与泛化能力.在线预测结果显示,块状体和分层结构的混合模型,反演数据误差为0.0037,表明块状模型与层状模型的模块化训练集能有效增强SDM的泛化能力.在对实测数据反演中,通过实测数据视电阻率结果构建训练集,可以优化训练集的模型数据质量及完整性.通过与高斯牛顿法对比,讨论了SDM针对批量实测数据的反演精度及效率.结果表明,针对单一数据,SDM反演耗时(训练时长与预测时长总和)较高斯牛顿法长,但当训练阶段完成后,预测阶段耗时不超过0.5 s,针对同类型、同维度、大批量数据,SDM具有进行批量处理的能力,反演效率更高.

基于无单元Galerkin法的饱和—非饱和土石坝渗流正演模拟

在土石坝渗流正演模拟中,仅研究饱和区域的渗流场并不能全面真实地反映出土石坝地下渗流状态,非饱和渗流区域的研究同样至关重要,利用无单元Galerkin法对饱和-非饱和渗流域进行求解。首先从达西定律出发,推导了渗流方程及边界条件,其中详细推导了无单元Galerkin法——通过滑动最小二乘法构造形函数,同时利用罚函数的方法计算边界条件。然后,通过与GeoStudio软件计算出的仅饱和渗流场以及饱和-非饱和渗流场进行比较,证明了该方法的准确性及有效性。最后,通过不同的均质和非均质模型,研究了坝体中零压力线、水头值、孔隙压力、含水率的分布。无单元Galerkin法只需要通过节点来实现对全域渗流场的精确逼近,解决了对网格单元的依赖问题,与其他数值方法相比,其具有前期处理数据简单和精度高的优点,更适合稳定饱和-非饱和渗流场这种复杂情况的正演模拟。

基于二维高密度电阻率勘探数据的三维反演及应用

针对目前高密度电阻率法所采用的数据处理方法主要是把地质结构体视为二度体进行二维处理,从而二维数据资料处理结果只是一种近似解释,其计算精度与反演效果达不到精确反演的要求,设计一种典型的地质体模型,利用有限单元法进行正演计算,对含有高斯随机误差的各测线二维正演数据分别进行高密度电阻率法二维、三维反演,对比二维和三维的反演结果。最后在广东某场地采用高密度电阻率法对岩层划分,利用二维勘探的数据进行二、三维反演。研究结果表明:三维反演受高斯随机误差的影响更小,反演结果与实际地质模型更接近;三维反演在岩层划分中更能凸显岩层分界面区域,岩层的空间分布及岩层、覆盖层的整体连续性能更真实地体现,与钻探结果吻合程度更好。

基于变分模态分解和奇异谱分析的GPR信号去噪

受设备及环境等因素的主要影响,采集的探地雷达(GPR)信号中存在不同程度的噪声干扰.传统变分模态分解(VMD)通过搜寻变分模型最优解分离出不同中心频率的分量实现噪声压制,但最优模态数的选择具有一定主观性,致使重构数据存在不同程度的信号振荡.为优化模态数的选择,并改善信号振荡问题,本文提出基于自适应VMD和奇异谱分析(SSA)的GPR信号去噪方法.首先,引入能量损失比,实施最优模态数的自适应选择,并利用皮尔逊相关系数法提取有效信号;其次,针对变分模态分解后的中低频振荡现象,引入SSA进行二次滤波,进一步提高信噪比.合成Ricker子波实验、合成雷达剖面模拟实验和实测资料验证了变分模态分解奇异谱分析(VMD SSA)方法的有效性.合成Ricker子波实验中,与集成经验模态分解(EEMD)和传统VMD方法相比,经VMD SSA方法处理后的信噪比最大提升13.5878dB;合成雷达剖面模拟实验中,基于VMD SSA方法处理后剖面的信噪比较EEMD和传统VMD方法分别提高3.7659dB和2.6557dB;实测资料处理中也较好地压制了背景噪声及随机噪声,使异常体的信号特征更加突出.

水库渗漏通道的伪随机流场法与双频激电法综合探查

正确快速的探测水库堤坝渗漏在保证防洪工程安全上具有重要意义,而查明渗漏入口和渗漏途径又是难点中的重点,本文简述了伪随机流场法的基本原理,重点探讨了当水库坝体中存在诸多金属管,且渗漏水为承压水形式时,传统流场法难以解决实际问题时,作者首先采用流场法对水库大坝进行电流场分布的检测后,再结合双频激电法,详细的分析和对比检测的数据,从得到的探测曲线分析表明,通过流场法与双频激电法的结合,极大地提高了流场法区分金属管和地层渗漏通道的能力,为以后的相关工程应用提供了很好的范例.

TSP-203在隧道超前预报中的应用

TSP203系统是瑞士Amberg工程技术公司最新研制并拥有专利的隧道地震探测仪,专门为隧道超前地质预报而设计的.该系统从数据采集、处理和成果评估高度智能化,采用该系统可以预报隧道工作面前方100m左右围岩地质体的性质、位置和规模,并可推算出其岩石物理力学参数,为确定合理的支护参数提供依据,确保隧道施工安全和质量.本文对TSP203系统、工作原理、数据采集及资料解释方面做了系统的阐述.

综合物探方法在隧道掌子面超前地质预报中的应用

目前在隧道掌子面地质超前预报中应用最广泛的方法有红外探水法、地质雷达法和TSP超前地质预报。实际工作中,红外探水法主要对隧道掌子面前方有无含水做定性评价,地质雷达法为短距离定量精确预报,TSP超前地质预报方法主要用于长距离预报。这三种方法若能合理组合,可以相互佐证,提高预报结果的准确性,现在综合物探方法已经成为确保隧道施工安全必不可少的手段。通过这三种物探方法在某隧道超前地质预报中的实施情况可知,综合物探方法取得了很好的预报效果,给施工单位提供了有效而科学的指导。

Kirchhoff偏移法在探地雷达正演图像处理中的应用

本文首先通过对波动方程的分析,得出了声波波动方程和雷达波波动方程形式一致性,从而说明了把广泛应用在地震数据处理中的偏移技术引入到GPR资料处理中的可行性;其后说明了时域有限差分法(FDTD)的原理,并用它合成了几种常见的雷达正演剖面;最后利用Kirchhoff积分偏移法对正演所得的雷达剖面进行偏移处理,通过对比偏移处理前后的雷达正演剖面,可知Kirchhoff积分偏移法能使雷达正演剖面中的反射波的归位,绕射波收敛,从而大大地提高了雷达正演剖面的分辨率,更好地指导GPR剖面的地质解释和验证偏移方法的有效性.

基于三角形剖分的复杂GPR模型有限元法正演模拟

针对基于矩形网格剖分的时域有限差分法(FDTD)和有限单元法(FEM),对于物性参数分布复杂或几何特征不规则的模型适应性差的问题,从雷达波所满足的Maxwell方程出发,推导探地雷达(GPR)有限元波动方程,通过采用三角形网格剖分和线性插值基函数,在满足时间步长与空间网格差分稳定性前提下,应用Galerkin有限单元法求解GPR波波动方程;同时为消除FEM进行GPR正演模拟时来自截断边界处的超强反射,采用透射边界条件把GPR波在截断边界处的反射波透射出去,进而压制来自截断边界处的反射波。然后,编制GPR有限元正演模拟的Matlab程序。应用该程序分别对起伏分界面、"V"字形2个复杂地电模型进行FEM正演模拟,得到基于三角形网格剖分的FEM正演模拟GPR剖面图,并把该正演模拟剖面图与常规的基于矩形剖分的FEM正演模拟剖面图进行对比,结果表明:基于三角形剖分的FEM对于复杂GPR模型的物性参数分界面拟合更好,其模拟所得的正演剖面与实际模型更相符,具有更高的模拟精度,更有利于指导雷达剖面的数据解译。

龚嘴电站大坝渗漏入口部位探测技术

混凝土大坝的渗漏是影响大坝安全运行的重要因素,在渗漏早期具有渗漏范围窄、渗流量小的特点,同时又处于复杂的背景流场中,传统的方法受分辨率以及抗干扰能力的限制,很难有效准确地检测渗漏部位。本文以龚嘴电站拦河坝渗漏入口部位检测为例,利用伪随机电流场拟合渗漏场,通过检测电流场的分布达到检测渗漏入口部位的目的。

探地雷达及EH4对钼矿采空区的综合探测

采空区严重威胁着地面建筑物和矿山的安全,对采空区探测方法的研究有着重大的现实意义.本文探讨了探地雷达及EH-4电导率成像法对某露天钼矿采空区探测的方法技术及其应用效果.探地雷达对浅层地段不仅有很高的探测精度和高分辨率,能达到对浅部采空区的精确定位.EH-4电导率成像系统的探测深度大,通过电阻率断面图的局部异常体,可以直观的来判断采空区的位置从而查明深部采空区,结合二者对采空区进行综合探测.

瞬变电磁法及EH-4在钼矿采空区探测中的应用

地下采空区的存在严重威胁着人们正常的生产生活,选取有效的方法对采空区探测有着重大的现实意义.本文探讨了瞬变电磁法和EH-4电导率成像法的方法技术以及在某钼矿采空区的应用效果.瞬变电磁法观测的是纯二次场,所以分辨率高,特别是对低阻异常体反应灵敏.EH-4电导率成像系统探测深度大,适用于各种复杂地形,可以有效的减少地形的影响,因此结合这两种方法对采空区进行综合探测,可以相互补充,提高对采空区评价的准确性.

大坝坝基检测的新技术——伪随机流场法测井

为满足大坝坝基水文工程地质及帷幕工况检测的要求,提出了一种新的方法技术——伪随机流场法测井,介绍了该方法的基本原理.针对四川铜街子水电站坝基检测工作介绍该方法的异常特征,该方法检测的结果与传统波速测井、钻孔电视以及压水试验等方法结果进行了对比分析,表明该方法是有效可行的,并能提供比传统单一方法更多的信息.

时域有限差分法在地质雷达二维正演模拟中的应用

本文从地质雷达正演原理着手，分析了差分格式中半空间步长与半时间步长的实现方法，同时通过分析数值频散的产生，进而推导出了理想频散关系和超吸收边界条件．最后文中还对比了有无边界条件的雷达正演模拟效果和精度．

地质雷达的应用条件探讨

地质雷达是浅部勘探的一种有效的勘探方法。本文对其应用条件进行了探讨 ,特别研究了导电率、介电常数、探测频率 3个主要因素对地质雷达探测的影响。研究结果对地质雷达的应用具参考指导作用。

电导率分块线性变化的二维高频大地电磁法有限元正演模拟

为了适应电性参数在水平方向和垂直方向是连续变化的实际需要,这里采用矩形剖分,线性插值的有限元法研究了电导率分块线性变化的高频大地电磁高精度,快速正演模拟。首先给出了二维高频大地电磁测深的变分问题以及电导率分块线性变化时的有限元数值解法,编制了相应的有限元程序。利用该程序对层状模型进行了计算,并与解析解的结果做了对比分析,证明了程序的正确性和有效性,然后对典型电导率随深度线性变化的模型和典型地堑模型进行了正演模拟,结果表明能够有效地解决电导率在水平和垂直方向分块线性变化的高频大地电磁正演问题。

复杂管网线源井地电位三维有限元模拟

为更真实地模拟油气田井地电位法中由复杂管网线电流源供电的实际情况,本文给出了复杂管网线源在地下半空间中的正常电位表达式,导出了地下点电源异常电位边值问题,详细推导了地下点电流源异常电位变分问题,进而用有限元法求解了复杂管网线电流源异常电位的变分问题。编写了三维有限元正演程序对垂直、地下水平二分支油井钢套管与注水、输油钢管组合形成的复杂管网线源井地电位进行了模拟。结果表明,复杂管网线源激励下的井地电位异常响有其独特的特征和规律。这些结果将对利用复杂管网线源井地电位法探测剩余油的空间分布和注水前沿位置提供有力的指导,也为复杂管网线源井地电位三维反演奠定了良好基础。

基于FBM的分形插值方法

系统阐述了分形插值的原理，介绍了分形布朗运动（ＦＢＭ）的概念及其构造方法，针对自然界实际系统分形特性，提出了实际ＦＢＭ系统分形特性的判别准则。在此基础之上提出了基于ＦＢＭ的分形插值方法，阐述了分形插值的基本条件；对于实际的裂隙结构，利用分形插值方法建立的模型进行了渗流计算，并与常规插值所得结果进行了比较。结果表明，对于具有分形特性的实际的复杂、非线性系统，利用基于ＦＢＭ的分形插值方法从大尺度来构造微观细节，能保持微观与宏观之间的相似性。