地—井、井—地IP三维快速正反演研究

论文摘要

井中激发极化法（简称井中IP）是勘查多金属和贵金属硫化物矿床、尤其是寻找深部盲矿体优先选用的有效井中物探方法之一。在国外,井中电法已经成为一种必要的方法,甚至是有孔必测;在国内当前危机矿山接替资源勘查中,井中激电正逐步成为深部矿产勘查的重要方法之一。由于受钻孔条件和环境的限制,井中IP广泛应用的方法是地—井五方位和井—地激电充电法。然而,目前对这两个方面的研究成果较少,解释水平也相对落后,直接影响深部找矿效果。为此,国土资源部国家危机矿山接替资源找矿办公室把“地—井、井—地IP三维正反演技术”列为深部找矿的关键方法技术之一进行研究。本文正是结合国家地矿行业发展和深部找矿的需求,开展地—井、井—地IP的三维快速正反演研究。本文从电场满足的微分方程出发,推导了三维复杂条件下总电位和异常电位的有限元计算方法,讨论了不同观测方式下网格剖分的方法,把四面体交叉剖分技术应用于正演计算中,推导了边界积分计算,并用地形修正公式完成起伏地形的剖分,使得网格的剖分更符合电场的分布规律,提高了计算精度;详细分析三维有限元计算形成的系数矩阵的非零元素分布,采用MSR（Modified Sparse Row）压缩存储技术,大大减少了三维正演计算对内存的要求;并把SSOR-PCG法应用到有限元正演方程求解中,使正演计算时间大大缩短,在PC机上实现了快速正演计算,为下一步地—井、井—地IP快速反演解释奠定基础。在第三章中,系统分析了井旁不同形态异常体（盲矿体）的地—井五方位IP异常特征,分析总结了异常体位置、参数变化,方位距离变化、钻孔大小、观测环境和地形等对地—井五方位IP异常的影响规律,总结出依据不同方位观测激电异常特征快速定位盲矿体的方法。在第四章,以常见的侵染状矿体等非等位体为研究对象,讨论了立方体、板状体等典型非等位体的充电激电异常特征和异常体埋深、充电点位置变化对充电异常的影响等,对实际工作有指导意义。在第五章,针对当前地—井五方位IP数据量少,不适合进行层析成像反演,分析了“近似解析解”快速正演的实现方法及可行性,研制开发了地—井五方位IP人机交互正演拟合反演解释软件,并对实测数据进行了反演和解释,软件界面友好,直观,解释效果良好;此外,以最小二乘约束反演理论为基础,将CG非线性迭代算法、Ax和ATy近似计算方法应用于地—井、井—地IP三维反演中,避开了Jacobian矩阵的直接计算和存储,加快了反演速度,节省了内存消耗;另外将背景、最大光滑及已知钻探信息等作为约束条件引入到反演中,提高了反演的稳定性,减少了多解性,大大提高了反演速度。算例反演结果表明,三维反演速度快,反演结果与已知模型吻合较好。本文通过对三维地—井、井—地IP的正反演研究,在PC机上实现了地—井、井—地IP三维快速正反演计算程序,开发了地—井五方位IP人机交互正演拟合反演解释软件。三维正演计算只需数十秒时间,三维层析成像反演只需约10分钟,具有较好的推广应用前景。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 地—井、井—地IP正反演研究现状
• 1.3 问题的提出
• 1.4 论文主要研究内容和成果
• 1.4.1 地—井、井—地IP三维快速正演研究
• 1.4.2 地—井IP的异常研究
• 1.4.3 井—地IP的异常研究
• 1.4.4 三维快速反演研究
• 第二章 地-井、井-地IP三维快速正演研究
• 2.1 时间域激电计算
• 2.2 三维点源场基本原理
• 2.3 三维有限元网格剖分
• 2.3.1 x-y平面网格剖分
• 2.3.2 Z方向网格剖分
• 2.3.3 四面体单元剖分
• 2.4 三维点源场有限单元法正演计算
• 2.4.1 边值和变分问题
• 2.4.2 插值
• 2.4.3 单元分析
• 2.4.4 边界积分
• 2.4.5 总体合成
• 2.5 网格剖分分析和系数矩阵的存储
• 2.5.1 网格剖分分析
• 2.5.2 系数矩阵非零元素存储
• 2.6 方程组求解
• 2.6.1 大型对称稀疏线性系统求解
• 2.6.2 计算效率和计算精度
• 2.7 本章小结
• 第三章 地—井IP异常研究
• 3.1 井旁不同形态异常体的地—井五方位IP异常特征分析
• 3.1.1 立方异常体地—井五方位IP曲线特征
• 3.1.2 板状异常体地—井五方位IP异常特征
• 3.1.3 地—井五方位IP异常特征对比分析
• 3.2 异常体位置、方位距离等变化对地—井五方位IP异常的影响分析
• 3.2.1 异常体埋深变化对观测异常的影响分析
• 3.2.2 异常体水平位置变化对观测异常的影响分析
• 3.2.3 方位距离和异常体电阻率等变化对观测异常的影响分析
• 3.3 钻孔大小、环境对地—井五方位IP异常的影响分析
• 3.3.1 小钻孔对地—井五方位IP的影响分析
• 3.3.2 地—井五方位观测随钻孔直径变化的影响分析
• 3.4 地形对地—井五方位IP的影响分析
• 3.4.1 斜坡地形
• 3.4.2 山脊地形
• 3.4.3 山谷地形
• 3.5 地—井五方位IP的异常特征和实际工作
• 3.5.1 地—井五方位IP异常特征
• 3.5.2 地—井五方位IP的实际工作
• 3.6 本章小结
• 第四章 井—地IP异常研究
• 4.1 非等位体和并—地IP数据观测
• 4.2 典型非等位体的井—地充电IP异常特征
• 4.2.1 立方体的充电激电异常特征
• 4.2.2 板状体的充电激电异常特征
• 4.3 井—地IP的异常特征和实际工作
• 第五章 地-井、井-地IP三维快速反演
• 5.1 正演拟合反演
• 5.1.1 正演拟合反演步骤和思路
• 5.1.2 解析解正演计算的可行性分析
• 5.1.3 正演拟合人机交互反演软件
• 5.1.4 地—井五方位IP人机交互反演软件应用实例
• 5.2 三维层析成像快速反演
• 5.2.1 最小二乘约束反演方法
• 5.2.2 CG快速迭代近似计算
• 5.2.3 层析成像反演算例
• 5.3 本章小结
• 第六章 结论和建议
• 6.1 主要结论
• 6.2 存在的问题和建议
• 参考文献
• 附录1:不同位置充电的异常平面图
• 附录2:三维正反演程序介绍
• 攻读学位期间主要的研究成果
• 致谢