重磁電算法在地球物理礦產(chǎn)勘查中的應(yīng)用

（安徽省地球物理地球化學(xué)勘查技術(shù)院，安徽 合肥 230022）

重磁電算法作為新興的地球物理礦產(chǎn)勘探方法，是地球物理工作者尤為關(guān)注和重視的方面。其中以重磁探勘為主，重磁電算法在實(shí)際運(yùn)作中，主要物理基礎(chǔ)為地質(zhì)體與圍巖之間的磁性差異，并優(yōu)先分辨磁性差異較大的地質(zhì)體，地質(zhì)體在地球物理礦產(chǎn)勘查中擁有最大價(jià)值，是重磁電算法主要操作對(duì)象[1]。當(dāng)今我國(guó)的礦產(chǎn)資源勘查過程中需要利用到重磁法，重磁電算法在找礦時(shí)操作簡(jiǎn)單，且節(jié)省人力、物力資源，所以受到了世界各地的廣泛關(guān)注?；谥卮烹娝惴ǖ牡厍蛭锢淼V產(chǎn)勘查方法設(shè)計(jì)，能夠提供每種獨(dú)立數(shù)據(jù)圖象中提取的信息，從而完成地球物理礦產(chǎn)勘查。隨著重磁勘探技術(shù)的逐日發(fā)展，地球物理礦產(chǎn)勘查邁向了一個(gè)新的階段，其探測(cè)更為精確，且具有廣闊的應(yīng)用前景[2]。

1 基于重磁電算法的地球物理礦產(chǎn)勘查方法設(shè)計(jì)

1.1 分離原始信號(hào)

地球物理礦產(chǎn)勘查中一個(gè)非常重要的問題，就是怎樣消除或壓制各種噪聲信號(hào)，以便重磁信號(hào)能被有效保留下來。在基于重磁電算法的地球物理礦產(chǎn)實(shí)際勘查中，各種有效信號(hào)源為獨(dú)立存在方式，由于有效重磁信號(hào)與噪聲信號(hào)具有不同來源，所以它們的信號(hào)屬性也不盡相同，兩者無(wú)相關(guān)聯(lián)系。通過將有效重磁信號(hào)和噪聲信號(hào)當(dāng)作獨(dú)立信號(hào)源，用重磁電算法進(jìn)行信號(hào)分離[3]。在分離時(shí)因?yàn)樵肼曅盘?hào)能量較小，所以在去噪信號(hào)處理中，認(rèn)為分離結(jié)果中能量較大的是有效信號(hào)。

1.2 改進(jìn)重磁電算法閾值

根據(jù)分離信號(hào)時(shí)的特征表現(xiàn)，通過對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行分離，能夠使有效重磁信號(hào)與噪聲信號(hào)達(dá)到分離的效果。主要分離大振幅的電磁波系數(shù)與小振幅的電磁波系數(shù)，對(duì)系數(shù)為零的噪聲信號(hào)進(jìn)行設(shè)置，就能獲得濾波后的有效重磁信號(hào)，可以將其應(yīng)用到實(shí)際去噪中。為噪聲信號(hào)設(shè)定一個(gè)0值，對(duì)電磁波系數(shù)進(jìn)行相應(yīng)處理，通過小波逆變換的方式，改進(jìn)重磁電算法閾值，達(dá)到去除噪聲信號(hào)的目的?？紤]到重磁信號(hào)需盡可能保留細(xì)節(jié)，所以不宜采用簡(jiǎn)單閾值處理方法，需要結(jié)合重磁電算法，才能有更為精確的地球物理礦產(chǎn)勘查方法，改進(jìn)重磁電算法閾值的具體公式如下所示：

在上式(1)中，d為重磁電算法未改進(jìn)時(shí)的閾值，a與b分別為信號(hào)標(biāo)尺度上的上、下極限值。采用重磁電算法對(duì)各分辨率層上的重磁信號(hào)改進(jìn)閾值時(shí)，首先平移信號(hào)區(qū)域內(nèi)的低頻信號(hào)，然后進(jìn)行小波變換。變換時(shí)設(shè)噪聲信號(hào)為0，并對(duì)有效電磁波信號(hào)進(jìn)行算法求導(dǎo)，設(shè)此時(shí)閾值為D，可得公式如下：

經(jīng)過閾值改進(jìn)之后，此時(shí)得到最優(yōu)閾值D。

在重磁頻率當(dāng)中，所顯示出的表達(dá)式較為簡(jiǎn)單。由于當(dāng)下引入了“快速富氏變化法”，使得在空間域到重磁波頻率域的轉(zhuǎn)換易于實(shí)現(xiàn)，從而可以加快正演計(jì)算速度。但在頻率域的計(jì)算過程中，也存在一些不可忽視的問題，例如，在重磁離散頻譜數(shù)學(xué)化過程中，生產(chǎn)出的高頻混疊效應(yīng)和吉布斯現(xiàn)象等。使頻率域計(jì)算時(shí)會(huì)存在一定的誤差，特別是在礦產(chǎn)結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)異常的情況下，更加影響到上述的計(jì)算效果精準(zhǔn)度。此外，還會(huì)對(duì)所算得的閾值形成限制，例如，對(duì)所勘測(cè)的礦產(chǎn)區(qū)域進(jìn)行點(diǎn)數(shù)采樣，使其剖面長(zhǎng)度的要求受到一定限制。

1.3 模擬重磁信號(hào)研究

地球物理重磁中含有多種形式的噪聲信號(hào)，噪聲信號(hào)越多，有效重磁信號(hào)就越低。在操作時(shí)主要模擬信噪比較低的重磁信號(hào)，通過最優(yōu)閾值來增強(qiáng)勘察過程的穩(wěn)定性，減少去噪問題的非唯一性，是地球物理礦產(chǎn)勘查中最有效的解決方法。在模擬重磁信號(hào)時(shí)需要對(duì)改進(jìn)閾值后的信噪值與均方誤差進(jìn)行求導(dǎo)，信噪值求導(dǎo)方式可表示為：

上式（3）中P為原始信號(hào)中的噪波值，m為此時(shí)信噪比，n為原始信號(hào)量。設(shè)S為均方誤差，那么求模擬信號(hào)的均方誤差公式為：

結(jié)合重磁電算法，得出礦產(chǎn)勘查方法的穩(wěn)定性和精度，在具備穩(wěn)定性和精度的基礎(chǔ)上，展開信號(hào)模擬，在信號(hào)模擬時(shí)，主要采用規(guī)則信號(hào)與不規(guī)則信號(hào)作為原始信號(hào)，并為原始信號(hào)分別添加1、5、10、15、20 dB信噪比的噪聲信號(hào)。在相同環(huán)境下，使用改進(jìn)重磁電算法閾值的方式進(jìn)行去噪操作，結(jié)果如表1所示。

表1 應(yīng)用重磁電算法去噪結(jié)果

根據(jù)表1可以發(fā)現(xiàn)，在同種環(huán)境下，不同的信噪比會(huì)對(duì)噪波值與均方誤差造成影響，隨著重磁信噪比的增大，噪波值逐漸增加，均方誤差則與信噪比成反比例關(guān)系。在模擬重磁信號(hào)研究中，信噪比與噪波值、均方誤差的關(guān)系為采用重磁電算法實(shí)測(cè)地球物理礦產(chǎn)時(shí)的適用條件。

1.4 基于重磁信號(hào)實(shí)測(cè)地球物理礦產(chǎn)

采用重磁電算法進(jìn)行礦產(chǎn)勘查研究，根據(jù)其適用條件，得到更加準(zhǔn)確的有效重磁信號(hào)，需要同時(shí)獲取至少兩組數(shù)據(jù)，并將所得數(shù)據(jù)分離為重磁信號(hào)和噪聲信號(hào)。通常情況，所分離的混合信號(hào)組數(shù)越多，能夠?yàn)榈厍蛭锢淼V產(chǎn)勘查提供的噪聲特征越豐富。實(shí)測(cè)時(shí)設(shè)有效重磁信號(hào)值為W，根據(jù)噪波值與均方誤差，可得有效信號(hào)求導(dǎo)公式如下所示：

根據(jù)公式（5）的有效重磁信號(hào)求導(dǎo)，可以完成對(duì)有效重磁信號(hào)值的測(cè)量，進(jìn)而完成地球物理礦產(chǎn)的勘察。將公式所得的勘察結(jié)果代入實(shí)際勘察中，由于地球物理礦產(chǎn)采集存在一定勘查指標(biāo)，使用重磁電算法后具體公示如下：

表2 重磁電算法下地球物理礦產(chǎn)勘查指標(biāo)

在實(shí)際物理礦產(chǎn)勘查中，為充分利用資源，選取飛機(jī)作為有效重磁波收集工具，將重磁探裝置安裝在設(shè)備底部，利于航空物探綜合站收集有效重磁波，便于地球物理礦產(chǎn)勘查的進(jìn)行。

2 實(shí)驗(yàn)研究

為了驗(yàn)證基于重磁電算法勘查地球物理礦產(chǎn)方法的好處，特此采用基于重磁電算法的地球物理礦產(chǎn)勘查方法與傳統(tǒng)方法展開對(duì)比實(shí)驗(yàn)?？紤]到不同重磁探測(cè)用電波信號(hào)去噪效果的表現(xiàn)不同，在相同環(huán)境中，選取兩個(gè)相同地面區(qū)域作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象?？辈旖Y(jié)果的準(zhǔn)確度與重磁波每秒鐘的振幅變化有關(guān)，得到處理結(jié)果如下圖1所示。

圖2 重磁波處理結(jié)果對(duì)比圖

在圖2中，（a）圖表示傳統(tǒng)方法下的重磁波，（b）圖表示重磁電算法下地球物理礦產(chǎn)勘察中的重磁波。在圖中可以清晰發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)方法收集到的重磁波每秒鐘振幅起伏變化相對(duì)較??；在（a）圖中，在2.1s時(shí)得到振幅最大值，最大值為3.57Mv。在（b）圖中，在2.3s時(shí)得到最大值，值為4.93Mv，二者相差1.36Mv。這就導(dǎo)致收集到的重磁波數(shù)據(jù)較少，從而使傳統(tǒng)方法勘察效果并不準(zhǔn)確，而基于重磁電算法的地球物理礦產(chǎn)勘查方法每秒鐘振幅改變較大，所以勘察結(jié)果更準(zhǔn)確。綜上所述，基于重磁電算法實(shí)測(cè)地球物理礦產(chǎn)能獲得更加精準(zhǔn)的勘察結(jié)果。

3 結(jié)束語(yǔ)

地球物理礦產(chǎn)勘查應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，在國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮著舉足輕重的作用。通過基于重磁電算法的地球物理礦產(chǎn)勘查方法與傳統(tǒng)方法作對(duì)比實(shí)驗(yàn)，兩種方法所得的振幅最大值相差1.36Mv，基于重磁電算法的地球物理礦產(chǎn)勘查方法得到的振幅數(shù)值相對(duì)較大，能夠發(fā)現(xiàn)采用重磁電算法的勘查結(jié)果能獲得更多的重磁波數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)越多勘察結(jié)果越準(zhǔn)確，使采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性得到了改善，對(duì)于我國(guó)地質(zhì)工作的發(fā)展具有重要意義。