基于可視化技術(shù)的3D井地磁測人機交互反演

1、第34卷第4期 2010年8月物 探 與 化 探GEOPHYSICAL&GEOCHEMICALEXPLORATIONVo.l34,No.4 Aug.,2010基于可視化技術(shù)的3D井地磁測人機交互反演馮杰,劉天佑,楊宇山(中國地質(zhì)大學(xué)地球物理與空間信息學(xué)院,湖北武漢 430074)摘要:可視化技術(shù)可以直觀、方便地描述諸多地質(zhì)現(xiàn)象,被廣泛地應(yīng)用于地球物理工作中。井中磁測和地面磁測資料的單一資料反演具有一定的局限性,容易產(chǎn)生多解性。筆者闡述了基于可視化技術(shù)的3D井地磁測人機交互反演的方法原理和關(guān)鍵技術(shù),并應(yīng)用于大冶鐵礦實際資料的反演解釋。實踐證實,該方法不但可以利用地面和井中兩種資料的優(yōu)勢,

2、還可以充分發(fā)揮解釋人員的經(jīng)驗,克服了單一資料反演的缺陷,在找礦過程中獲得了良好的效果。關(guān)鍵詞:3D可視化技術(shù);井中磁測;地面磁測;人機交互反演;大冶鐵礦中圖分類號:P631 文獻標識碼:A 文章編號:1000-8918(2010)04-0541-05三維可視化技術(shù)是用于顯示、描述和理解地下和地面諸多地質(zhì)現(xiàn)象的一種技術(shù),它廣泛應(yīng)用于地質(zhì)與地球物理解釋。1990年美國SEG年會以后,可視化技術(shù)在地球物理中,尤其在三維地震解釋中得到廣泛應(yīng)用。隨著高性能微機和工作站的廣泛應(yīng)用,重磁資料三維可視化反演在固體礦產(chǎn)勘查方面得到了長足發(fā)展。林振民等在承擔地礦部 八五 攻關(guān)項目中,采用了一種橡皮膜技術(shù)來研究重磁

3、三維可視化反演。吳文鸝、管志寧、田黔寧采用可視化技術(shù)及混合優(yōu)化算法進行三維重磁反演,實現(xiàn)了三角形多面體模型的人機交互反演及自動反演,并把該方法應(yīng)用于內(nèi)蒙古布敦化地區(qū)航磁資料反演,取得顯著地質(zhì)效果。盡管該項技術(shù)十分先進,但由于實際情況中地下地質(zhì)(礦)體的空間位置、形態(tài)、走向非常復(fù)雜,造成了模型難以修改和細化,適用性有限。筆者所提出的三維可視化人機交互反演技術(shù)是在Windows環(huán)境下,用VisualC+語言與OpenGL函數(shù)實現(xiàn)的,該方法可以將地下三維空間分為若干個剖面,通過修改各剖面中地質(zhì)體的形態(tài)、位置和磁性參數(shù),逐條擬合地面磁異常和井中磁異常曲線,當擬合誤差滿足要求后,得到最終反演結(jié)果。3-5

4、1-2質(zhì)體外部有任意一點P,將地質(zhì)體分為許多小體積元dv,則小體積元的引力位dV為dV=dv,R6-11式中,f為引力常數(shù), 為密度。利用重磁位場關(guān)系的泊松公式,并令f =1,則可得P點磁位U為MgradPV。(1)4由T=- 0gradPU=- 0!UP,可求出P點磁場的三U=個分量:2220,Xa=- =0Mx+My+Mz4 x2220 M Ya=- =M+My2+Mz,04x x y y y2220 M V V Za=- =Mx+My+Mz2,04 z!T=XacosIcosA!+YacosIsinA!+ZasinI。(2)其中,Mx、My、Mz為磁化強度M的三個分量, 0為真空中的磁導(dǎo)

5、率,I為地磁傾角,A!為測線磁方位角。引力位分別為Vxz=Vyz=Vzz=1 3D井地磁測人機交互反演的方法原理1.1 任意形狀三度體的地面磁異常正演計算設(shè)直角坐標系中z軸向下為正,y軸向右為正,在該坐標系中,有一均勻磁化任意形狀三度體Q,地收稿日期:2009-09-30;修回日期:2010-03-16()QQ3(yQ3(xQ-xP)(zQ-zP)dxQdyQdzQRQ-yP)(zQ-zP)dxQdyQdzQR223(zQ-zP)-RdxQdyQdzQR#542#物 探 與 化 探34卷Vxx=Vxy=Vyy=Q3(xQQ3(xQ-xP)-RdxQdyQdzQ5RQ22-xP)(yQ-yP)d

6、xQdyQdzQR3(yQ-yP)-RdxQdyQdzQR其中,R表示Q點到觀測點P之間的距離。對于球體、棱柱體等規(guī)則幾何形體,上述6個三重積分可以解析求出,而對于不規(guī)則形體,則只能采用數(shù)值積分方法。1.2 任意形狀三度體的井中磁異常正演計算任意形狀三度體井中磁異常的正演公式實質(zhì)上與地面磁異常的公式是相同的,只不過由于觀測面從地面轉(zhuǎn)向井中,旋轉(zhuǎn)了90,所以井中磁異常的!H和!Z分量與地面磁異常的對應(yīng)分量有一個轉(zhuǎn)換關(guān)系812-15圖1 地質(zhì)體尖滅點設(shè)置時,如地質(zhì)體4,其南北兩端點的位置根據(jù)與x1、x7截面的距離來確定。如果要刪除一個地質(zhì)體則需要在所有截面將該地質(zhì)體刪除。2.2 立體成圖方案三維地

7、質(zhì)體的立體成圖十分復(fù)雜,在成圖過程中需要考慮兩種情況:(1)尖滅點與相鄰截面的連接。這種情況比較簡單,只要將尖滅點與相鄰截面的各角點相連(如圖2a所示),就可利用OpenGL繪制出其表面。2 三維可視化的關(guān)鍵技術(shù)所謂可視化就是指在反演的過程中,實測的位場曲線、地質(zhì)模型及其正演位場曲線可以同時顯示在計算機屏幕上,解釋人員可以通過對地質(zhì)模型的形狀和屬性進行修改,實時地計算修正后的地質(zhì)模型,并將所產(chǎn)生的位場值與實測值比較,當正演曲線與實測曲線擬合完整時,達到最終的反演目的。該技術(shù)在實際應(yīng)用中包括三維模型的建立、編輯、顯示、成圖等過程,其中三維地質(zhì)體的添加和成圖是關(guān)鍵技術(shù)。2.1 添加三維地質(zhì)體通常我

8、們利用已知信息,如地震解釋結(jié)果、鉆井、測井、物性等資料建立初始模型。在交互反演過程中,根據(jù)實際情況,需要添加一個(或多個)地質(zhì)體時,我們可以通過在若干個剖面內(nèi)添加地質(zhì)體截面來實現(xiàn)。首先要設(shè)置所添加地質(zhì)體的磁性參數(shù),然后在該地質(zhì)體所經(jīng)過的地質(zhì)斷面上添加地質(zhì)體截面,各剖面上的該地質(zhì)體截面編號相同,在空間上相互連接構(gòu)成三維地質(zhì)體。地質(zhì)體的尖滅情況如圖1所示。(1)當?shù)刭|(zhì)體的兩端都在剖面控制范圍之內(nèi)時,如地質(zhì)體2,其兩端尖滅點的位置根據(jù)尖滅點與截面x3、x5的距離來確定;(2)當?shù)刭|(zhì)體的某一端在剖面控制范圍之內(nèi)時,如地質(zhì)體1和3,地質(zhì)體1的北端點位于(x3+x4)/2,南端點的位置根據(jù)與x1截面的距離

9、來確定,地質(zhì)體3同理;圖2 截面連接示意(2)兩相鄰截面之間的連接情況。首先將兩截面角點按順時針(或逆時針)方向排列,然后尋找各個截面最左端、最上端、最右端、最下端的角點,如圖4期馮杰等:基于可視化技術(shù)的3D井地磁測人機交互反演#543#2b截面的7、2、3、5角點和截面%的4、6、7、2角點,最后將截面分成4段進行連接,即截面的7號到2號之間的角點與截面%的4號到6號之間的角點相連,截面I的2號到3號之間的角點與截面%的6號到7號之間的角點相連,截面I的3號到5號之間的角點與截面%的7號到2號之間的角點相連,截面的5號到7號之間的角點與截面%的2號到4號之間的角點相連,這樣就繪制出了截面到截

10、面%的地質(zhì)體表面圖?？紤]上述兩種情況之后,即可得到地質(zhì)體的三維立體圖像。群灰?guī)r、大理巖,位于接觸帶的南緣,接觸帶的北緣是燕山期早期的鐵山侵入體,主要為閃長巖,接觸帶整體呈 S 形展布。前人曾對本區(qū)17線、19 1線的地面磁測資料,做過精細處理解釋,對ZK18 12、ZK19 1 15、ZK21 8和ZK22 16等鉆孔的井中三分量磁測資料作了解釋,但大冶鐵礦經(jīng)過多年的開采,廢棄的礦石、回填物等對本區(qū)的地面磁異常造成嚴重干擾,深部礦體引起的地面異常難以發(fā)現(xiàn),而井中磁測資料控制范圍有限,所以前人的解釋結(jié)果并沒有給出該區(qū)礦體的空間位置和形態(tài),并且推斷ZK19 1 15在標高-220-320m之間有一

11、旁側(cè)礦體(Fe3),但沒有確定其空間位置,并認為該礦體在19 1剖面的旁側(cè)。3 3D井地磁測人機交互反演的流程3D井地磁測人機交互反演的過程(圖3)主要分為以下幾個步驟:圖3 3D井地磁測人機交互反演的流程(1)對地面和井中磁測資料進行預(yù)處理;(2)根據(jù)地面磁測資料和井中磁測資料的特征,結(jié)合地質(zhì)及鉆孔資料,給出定性分析和初步解釋;(3)建立3D模型。將已知的地質(zhì)(礦)體、圍巖、接觸帶、鉆孔等信息矢量化,根據(jù)定性分析的結(jié)果在各剖面中添加推斷地質(zhì)(礦)體,并可以通過任意拖動、增加、刪除腳點來實現(xiàn)地質(zhì)(礦)體形態(tài)的改變,雙擊地質(zhì)(礦)體可改變其屬性(如地質(zhì)體走向的延伸長度、磁化強度、地磁傾角、顏色、

12、標注等等);(4)通過修改各剖面地質(zhì)體的形態(tài)、位置、磁性參數(shù)等來擬合地面磁異常和井中磁異常,當擬合誤差達到精度要求后,得到最終的反演結(jié)果。圖4 大冶鐵礦尖林山&象鼻山礦段測線及鉆孔分布為此對該礦段的6條測線(17線、18線、19 0線、19 1線、21線和22線)和3個鉆孔(ZK18 12、ZK19 1 15和ZK22 16)做3D人機交互反演,其中18、19 1和22線已經(jīng)作了2.5D反演。為了提高3D反演的精度,在18線西側(cè)增加了17線,在18、19 1線之間增加了19 0線,在19 1、22線之間增加了21線,如圖4所示,以18、19 1、22線的2.5D反演結(jié)果和其余各線的先驗

13、信息來建立3D反演初始模型,反演結(jié)果如圖5所示。4 實例應(yīng)用以大冶鐵礦某礦段為例,對該礦段的地面!T高精度磁測資料和井中三分量磁測資料作3D井地磁測人機交互反演解釋。該區(qū)鐵礦屬接觸交代型鐵礦,礦體基本沿接觸5 結(jié)論筆者闡述了基于可視化技術(shù)的3D井地人機交互反演的基本原理及過程,并以大冶鐵礦某礦段為例作了反演解釋,得出以下結(jié)論。#544#物 探 與 化 探34卷圖5 大冶鐵礦尖林山&象鼻山礦段3D井地磁測聯(lián)合反演結(jié)果(1)由于受到地面磁測和井中磁測資料各種情況的限制,在單一資料的反演過程中,無法獲得地下礦(地質(zhì))體的空間位置和形態(tài),而3D井地人機交互反演不但可以利用兩種資料的優(yōu)勢,還可以

14、充分發(fā)揮解釋人員的經(jīng)驗,得到較好的反演結(jié)果。(2)研究區(qū)域內(nèi)的鐵礦總體上沿接觸帶分布,且礦體的賦存標高具有明顯的 臺階 特征,即礦體的賦存位置在標高上有兩個富集地段。(3)經(jīng)過3D井地人機交互反演,發(fā)現(xiàn)前文討論的Fe3礦體實際上是穿過了19 1剖面,而ZK19 1 15只不過是從Fe3的旁邊穿過,并未打到。后期布置鉆孔證實了上述推斷。由此可見,該方法的實際應(yīng)用效果優(yōu)于單一資料的反演結(jié)果。參考文獻:1 林振民,陳少強.三維可視化技術(shù)在固體礦產(chǎn)中的應(yīng)用J.物探化探計算技術(shù),1994,16(4):338-344.2 林振民,陳少強.計算機上的橡皮膜技術(shù)J.物探化探計算技術(shù),1996,18(1):6-

15、16.3 ,演J.物探與化探,1997,21(4):282-288.J.物探化探計算技術(shù),2005,27(3):227-232.反演J.物探化探計算技術(shù),2001,23(2):125-129.6 BosumW,CastenU,FiebergFC,eta.lThree dimensionalinterpretationoftheKTBgravityandmagneticanomaliesJ.JournalofGeophysicalResearch,1997,102(8):18037-18321.componentboreh olemagneticdataJ.Geophysics,2000,65(

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18、matics,ChinaUniversityofGeosciences,Wuhan 430074,China)Abstract:Becauseofitsintuitionandconvenience,visualizationtechnologyisgenerallyappliedingeophysics.However,thereexistcertainlimitationsininversingsurfaceorboreholemagneticdataalone,whichmayeasilycausemultiplicity.Inthispaper,theauthorsdemonstratedtheprincipleandcrucialtechnologyof3Dman machineinteractiveinversionofsurfaceandboreholemagneticdata,andappliedittotheDayeironmine.Thismethodnotonlyhasthefulladvantageofthesurfaceandboreholemagneticdatabutalsoposses sestheexperiencegainedbyinterpreta