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重力梯度法的角点位置最优化选取研究
摘要:常规的重力梯度法对地质体位置划分很模糊,当深度越大,地质体越小时,对和求导的误差也越大,导致结果与实际偏差很大。本文提出状态判别因子对角点位置进行优化确定,比常规高阶重力导数法更精确,使重力梯度法在对小地质体和断裂上有更好的分辨率,理论模型试算和实际资料处理效果很好,为找矿或划分地下地质体产状提供了更有利的依据。
关键词:高阶重力导数;重力梯度法;状态判别因子。
0引言
重力梯度法[1,2]对延展型的截断板和局部型的断裂等地质构造具有较好的解释效果。由于它不需要事先估计和给定地下地质体的密度,所以得到了众多学者【1-5】的重视和深入研究。Butler[1]首先把该方法应用于实际资料处理,取得了很好的效果。但由于该方法对精度有很高的要求,在数据质量不高或者地形复杂的地区,重力梯度法在对角点位置的判定结果中就会出现多解性,成为一个病态问题[14]。以往解决病态问题的方法,通常是利用磁、电、震等资料来对重力解释结果进行约束[7-9]。但这种约束方法往往存在以下三个问题:一是不能及时进行信息反馈,对重力梯度法的约束效果降低;二是各种约束条件的引入使逻辑判断更复杂,导致解释过程更加混乱;三是大量资料的应用,造成工作量的加剧。为了解决这种弊端,更准确地确定角点位置,本文引入了状态判别因子对角点位置进行优化确定。计算结果表明,该方法比常规的确定的角点位置更为精确。同时该方法能在一定程度上反证结论,即:利用角点位置反推状态判别因子fˊ,如果fˊ值的范围与原f在同一区间,且两者差大小不超过f值的5%,则证明结果正确,反之则说明在求解过程中出现错误。
1 .状态判别因子的建立
重力梯度法是Green[2]于1995年提出的,其原理是构建一个台阶模型的重力垂直梯度 [5,6]作为横坐标,其水平梯度 [5,6]作为纵坐标的参量图,通过对参量图的的研究来判断地质体的产状,但单纯通过图形进行判断很不准确,本人提出可以通过函数计算来精确判定台阶的角点位置,并定义这个函数为状态判别因子,具体推导过程如下:
设F为一个关于和的函数:
F=(,) (1)
函数中和一一对应。在简单台阶模型中,其F轨迹为一个椭圆。如图1所示:
图1 函数F的轨迹 图2 单一台阶模型f示意图:a、b分别为f的突变点位置的放 大图,c为简单台阶模型
地下地质体的角点是根据的极大值和极小值的位置求得,但在实际资料处理中,复杂地形或者地下地质体较小的地区,波峰和波谷的位置往往不好确定,在利用重力梯度法进行解释时,不能准确地确定角点位置,为此,本文提出了状态判别因子如下:
f= (≠0) (2)
计算f时所用的测线或剖面一般是垂直地质体走向的,因为此时效果最好。f是函数F中对的导数,其意义就是相对于的变化量的大小,通过它可以精确判断出函数F中,哪些位置变化最大,哪些位置上升或下降速率最快,进而优化判断角点位置。
由于在实际资料处理中,对的导数很难求得,故对状态判别因子进行如下分解,并赋予地质上的含义。
(3)
求解,结果可以得到下面只与上下界面和倾角大小有关,与剩余密度无关的式子。
(4)
其中;;
;;
为台阶倾角,h,H为台阶上下底面深度。
由(4)式计算了普通台阶模型,其中横坐标为距离,单位为米;纵坐标为f数值大小,单位无。(台阶倾角不能为90°,当台阶倾角为90°时,重力梯度法得出的空间参量图是圆形,计算不出具体的角点位置,不能跟本文讨论的方法进行验证。因此,本文不对90°倾角进行讨论。实际工作中如果空间参量图是圆形,且f只有一个突变点,则表明此处台阶倾角为90°)如图2所示。
图2中a、b分别是f在突变点位置的变化形状。当从台阶断面向其无限延伸方向求导时,在台阶断面底角和顶角的投影点上,曲线f发生突变,从左侧接近突变点时f值由零急剧减小,在突变点上由极小值迅速达到极大值,从右侧离开突变点时f值急剧减小至零;
当组合台阶为正断层时,如图3所示:f的变化类似于普通台阶f的变化,并且能清晰表现出角点位置。
图3利用公式(4)计算出的正断层的f曲线: 图4 利用公式(4)计算出的逆断层的f曲线(a、b分别正断层的台阶模型) (a、b分别逆断层的台阶模型)
当组合台阶为逆断层时,如图4所示:f也会清晰的表现出角点位置,但实际资料处理时,
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