第45卷 第3期2023年5月
物探化探计算技术
COMPUTINGTECHNIQUESFORGEOPHYSICALANDGEOCHEMICALEXPLORATION
Vol.45 No.3
May2
023 
收稿日期:2022 01 28第一作者:崔亚彤(1993-),女,博士,主要从事地球物理数据处理及相关研究工作,E mail:YatongCui@email.cug
b.edu.cn。文章编号:1001 1749(2023)03 0351 09球坐标系变密度界面正演及反演方法研究
崔亚彤1,王胜侯2
(1.天津市勘察设计院集团有限公司,天津 300191;2.中国地质大学(武汉) 资源学院,
武汉 430074)摘 要:密度界面反演方法可推断构造界面起伏形态,对于分析区域地质构造、地球深部构造和划分构造单元具有重要意义。当涉及到区域性乃至全球尺度问题时,
通常采用球坐标系的密度界面反演方法。传统球坐标系密度界面反演方法在地表观测面的计算精度较低,且未能考虑地下密度的纵横向变化。这里针对上述问题,开展球坐标系变密度界面正演及反演方法研究,通过理论推导和高斯-勒让德积分算法改进,给出球坐标系变密度界面高精度正演方法,运用迭代优化算法而给出球坐标系变密度界面反演方法。最后利用球壳模型和起伏界面数据试验验证该方法的有效性,适用于大区域、地表观测面的变密度界面反演。关键词:重力异常;球坐标系;变密度界面正演;变密度界面反演
中图分类号:P631.1  文献标志码:A  犇犗犐:10.3969/j
.issn.1001 1749.2023.03.090 引言
密度界面反演是重磁定量解释的一个重要手段,
用于推断基底面、莫霍面、岩石圈-软流圈边界等构造界面形态,长期在国内、外应用较广。频率域密
度界面反演方法是一种常用方法,可以快速给出密度界面深度和起伏形态。Parker-Oldenburg方
法是目前最为经典、流行的频率域界面反演方法[1]
频率域的密度界面反演方法虽然计算简单、快速,但该方法基于笛卡尔坐标系,且仅适用于小区域尺度的反演。当涉及到区域性乃至全球尺度问题,采用球坐标系密度界面反演方法,可以缓解大区域尺度
的地球曲率问题[2-6
],对于区域性乃至全球尺度的
深部构造界面反演、区域构造地质解释等,具有重要的意义。针对球坐标系密度界面反演问题,通常是
基于直接迭代法[2-3]或正则化非线性重力反演方
法[4
],前者无需进行非线性矩阵方程的运算,计算相
对简单、高效。
直接迭代法根据研究区实测重力异常和界面上下密度差,通过不断对估计密度界面深度进行正演计算,以达到理论异常和实测异常的最小化,最终可得到研究区密度分界面深度起伏情况。因此高精度的球坐标系正演算法,对于密度界面反演起着至关重要的作用。通过利用球坐标系与笛卡尔坐标系的转换关系,可以将常规基于笛卡尔坐标系的直立长方体正演公式转换到球坐标系中,原来的直立长方体就变为球坐标系中的球面棱柱体,称之为Tesse roid单元体。对于整个研究区来说,
观测面上任意一点的重力异常值,即是由正演计算得到的地下Tesseroid单元体在该点处引起的重力异常的累加求和,遍历整个观测网即可得到由密度界面引起的重力异常,这即是球坐标系密度界面正演方法。
球坐标系中的均质Tesseroid单元体正演积分
公式不具有解析解,为此很多学者利用数值积分方
法得到其数值解,常用的数值积分方法主要是三维高斯-勒让德数值积分(3DLeg
endre-Gaussquadrature,3D-GLQ)方法[7-8
]和泰勒公式(Tay
lor)数值积分方法[9]
。通过引入自适应网格剖分方法[
10]
,虽然可以在一定程度上提高正演精度,但大多数算法仍然只适用于高空(卫星)数据,不适用于地表观测面。
在密度界面正演和反演中,密度参数是关乎算法准确性的最主要参数之一。在实际应用中,大区域尺度研究区的地层密度在水平和铅垂方向的变化均很复杂,利用常数作为密度差异进行反演的结果显然不够准确。因此,
在界面反演过程中引入密度变化模型,可以更好地模拟实际地层密度分布情
况[11-12]
,进一步提高反演精度。球坐标系的变密度界面反演方法成果较少,Lin等[8]推导出了线性变
密度Tesseroid单元体的正演公式,但该正演公式是利用Taylor数值积分方法得到的数
值解,Taylor的高阶展开公式虽然计算精度高,但公式繁琐,计算量大,利用低阶展开公式又难以满足正演精度。
这里针对大区域尺度变密度界面正演及反演问题展开理论推导和技术改进,
研究给出球坐标系变密度界面正演和反演方法,为区域构造界面研究提供技术支撑。
1 球坐标系变密度界面反演方法
球坐标系密度界面反演是推断大区域基底面、莫霍面、岩石圈-软流圈边界等构造界面形态的重要方法。界面反演主要通过反复的正演计算及迭代拟合来获取界面起伏情况。因此高精度的正演算法,对反演计算起着至关重要的作用。
1.1 球坐标系变密度界面正演方法
球坐标系(图1(a))将三个方向矢量分别定义为经度方向、
纬度方向、以及沿半径指向球心的径向。基于球坐标系的重力异常正演方法,即是将测区(计算区域)以经度间距Δλ,纬度间距Δφ的两组直线划分成一系列网格,每个结点就代表一个横截面为Δλ×Δφ、
深度为Δ狉犻犼的Tesseroid单元体(图1)
,图1 球坐标系剖分网格示意图
Fig.1 Griddivisionundersphericalcoordinatesy
stem各单元体的密度可以相同,也可不同,那么每个测点处的重力异常即是所有Tesseroid单元体在该点处重力异常的叠加。
Heck等[9]
根据笛卡尔坐标系与球坐标系的坐
标关系,
将笛卡尔坐标系中的重力异常公式转换到球坐标系中,则基于球坐标系的Tesseroid单元体
重力异常积分公式可表示为式(1)。Δ犵(狉,φ,λ)=G∫λ2λ
∫φ2φ1
狉2
狉1
ρ狉'2
(狉-狉'cosψ)cosφ'犾3d狉'dφ'dλ'(1
)其中:犾为观测点(狉,φ,λ)与源内点(狉',φ',λ')之间的距离;ψ为观测点和源内点的位置向量之间的夹
角[
]犾=狉2+狉'2
-2狉狉'cos槡ψ
cosψ=sinφsinφ'+cosφcosφ
'cos(λ'-λ)(2
)其中:G为万有引力常数,G=6.67×10-11m3
/kg·s2;ρ为密度差(kg/m3
);(狉1,狉2)、(φ1,φ2)、(λ1,λ2)
分别为Tesseroid单元体径向、纬度方向、经度方向积分上下限,且有Δ狉=狉2-狉1,Δφ=φ2-φ1,Δλ=λ2-λ1。
在处理实际问题中,地下密度通常是随空间而变化的。为了模拟地下实际密度分布情况,前人基于笛卡尔坐标系提出多种密度-深度函数模型[11-12]。在笛卡尔坐标系中,通常称深度方向密度变化为纵向变密度,为了加以区分,将其称之为径向变密度。假设Tesseroid单元体密度随径向线性变化时,即公式(1)中ρ(狉')=ρ0+犪狉'。因此径向线性变密度重力异常正演公式可表示为式(3
)。Δ犵(狉,φ,
λ)=G∫λ2λ1∫φ2φ1
狉2
狉1ρ(狉')狉'2(狉-狉'cosψ)cosφ'犾3d狉'dφ'dλ'=G∫λ2λ1
φ2
φ1
cosφ'dφ
'dλ'·∫
狉2
狉1
ρ0狉'2
(狉-狉'cosψ)d狉'犾3
+∫
狉2
狉1
犪狉'3
(狉-狉'cosψ)d狉'犾熿
燀燄燅
(3
)2
53    物探化探计算技术45卷
其中:犪、ρ
0为线性参数,根据三维密度模型可直接获取。根据Gradshteyn和Ry
zhik整理的积分公式[13
],将式(3)
对狉进行积分,得到狉方向的解析解,进一步推导为式(4
)。Δ犵(狉,φ,λ)=犌ρ0
∫λ2λ1∫
φ2
φ1cosφ'dφ'dλ'狉'3
犾-犾(狉'+3狉cosψ)-狉2(3cos2
ψ-1)×ln狘2狉'-2狉cosψ+2犾{}
狘狉2狉1
G犪
∫λ2λ1
φ2φ1
cosφ'dφ'dλ'1
犾(-12cosψ)狉'3+(狉-52狉cos2ψ)狉'2+(15狉2cos3ψ-132狉2cosψ)狉'+(2狉3-152狉3cos2
ψ熿燀燄燅)+32狉2cosψ(3-5cos2
ψ)ln狘2狉'-2狉cosψ+2犾烅烄烆烍烌烎狘狉2狉
(4
)  再利用二维高斯-勒让德(2DLegendre-Gaussquadrature
2D-GLQ)积分近似,式(4)解析解可近似为数值解,基于球坐标系的径向线性变密度界面正演公式为式(5
)。Δ犵(狉,φ,λ)=Gρ0狉ΔλΔφ4∑犖
φ犼=1∑犖λ
犻=1
狑φ犼狑λ犻cos槇φ犼
狉'3槇犾犻犼-槇犾犻犼(狉'+3狉cos槇ψ犻犼)-狉2(3cos2槇ψ犻犼-1)×ln狘2狉'-2狉cos槇ψ犻犼+2槇犾犻犼烅烄烆烍烌烎狘狉2狉1
+G犪ΔλΔφ4∑犖
φ
正则化坐标
犼=1∑犖λ
犻=1狑φ犼狑λ犻cos槇φ犼1槇犾犻犼
(-12cos槇ψ犻犼)狉'3+(狉-52
狉cos2槇ψ犻犼)狉'2+(15狉2cos3槇ψ犻犼-132狉2cos槇ψ犻犼)狉'+(2狉3
-152
狉3cos2槇ψ犻犼熿燀燄燅
)+
32狉2cos槇ψ犻犼(3-5cos2槇ψ犻犼)ln狘2狉'-2狉cos槇ψ犻犼+2槇犾犻犼烅烄烆烍
烌烎狘狉2狉
(5
)其中,槇
犾犻犼=狉2+狉'2-2狉狉'2cos槇ψ
犻槡犼cos槇ψ犻犼=sinφsin槇φ犼+cosφcos槇φ
犼cos(槇
λ犻-λ)槇
λ犻=(λ2-λ12)λ犻+(λ2+λ12
)槇φ犼=(φ2-φ12)φ犼+(φ2+φ12烅烄烆
)狑λ犻=2(1-λ2犻)[犘狀'(λ犻)
]2
狑φ
犼=2(1-φ2犼)[犘狀'(φ
犼)]烅
烄烆2
(犖ψ,犖λ)为2D-GLQ积分节点个数;(槇ψ
犼,槇
λ犻)为球坐标系中高斯节点的坐标信息;(狑φ犼,狑λ犻)为高斯-
勒让德系数;犘狀(
·)为勒让德多项式。为了进一步提高计算精度,使该方法适用于地表观测面,可以从两个思路解决这个问题,一是增加GLQ的高斯节点数,根据GLQ积分原理,
当高斯节点(犖ψ,犖λ)
越多时,数值解就越接近解析解,但是计算时间呈指数上升,
需要付出的计算代价巨大。另一个提高精度的方法就是自适应网格剖分方
法[8,10
],即当计算点接近源点时,将Tesseroid单元
体再细剖分为几个小
的单元体(图2),然后在累加求和作为这个大单元体的重力异常。而当计算点远离源点一定距离时,则不进行剖分。
图2 自适应网格剖分示意图
(修改自Uiedaetal.[1
0]
)Fig.2 Schematicdiagramofadap
tivegriddivision(modifiedfromUiedaetal.[10
])
与前人提出的剖分方法[8]
不同的是,本文剖分
不考虑径向剖分,因为径向可求得解析解,所以仅考虑纬度和经度方向的剖分。通过下述条件式,可以判断网格是否进行剖分:
犾φ=狉2(φ
2-φ1)犾λ=狉2cosφ
1(λ2-λ1)(6
)犾犾犱
≥犇 犱∈(φ,λ)(7)其中:犾φ、犾
λ为纬度方向和经度方向弧距;D为正数,称作距离尺寸比[10]。笔者在利用自适应网格剖分
进行剖分时,发现存在无限次递归情况,致使程序卡顿。因此,为了控制剖分密集度,防止计算冗余,给出一个Flag阈值来控制剖分次数,
一般设置为5。3533期
崔亚彤,等:球坐标系变密度界面正演及反演方法研究
自适应网格剖分方法步骤为:①判断犾与犾φ、犾
λ是否满足公式(6),如满足则无需进行网格剖分,如不满足则进行细致剖分;②若犾/犾λ<D,则在经度方向进行剖分,若犾/犾φ<D则在纬度方向进行剖分,若犾/犾λ<D且犾/犾φ<D
,则经纬度都需剖分;③经剖分迭代后,直至Flag=5或满足公式(7)。在正演过程中,除了需要引入自适应网格剖分方法,还需要在正演之前进行扩边,降低空间域计算过程中的边缘效应的影响。
据此,推导了球坐标系径向线性变密度Tesse roid单元体正演公式,
在正演之前先进行扩边,为了适用于地表观测面,
进一步提高正演精度,在正演过程中需要采用自适应网格剖分方法进行网格剖分。对于变密度界面的重力异常正演,同样是将所有Tesseroid单元体在任意观测点处重力异常进行累
加求和,最终可得到该密度界面所引起的重力异常。
若每个测点处,密度沿径向变化都一致时,那么使用线性拟合方法获得的每个测点处的犪、ρ0值都相等。但在实际数据处理中,先验密度模型在三个维度上均是变化的,在获得每个测点处的线性参数的同时,犪、ρ0值在横向上都是不相等的,因此在实现径向线性变密度的同时,
实现了横向变密度。然后再把犪、ρ
0值带入公式(5)计算即可实现三个方向的变密度界面正演。因此本文公式虽然是基于线性假设的Tesseroid单元体的径向线性变密度正演公式,
但在处理实际问题时,
也可以同时实现横向变密度。1.2 球坐标系变密度界面反演方法
传统球坐标系重力反演方法通常适用于高空(卫星)观测面的重力数据,对地表观测面的并不适用,但在大区域尺度的研究区,地层密度通常存在横向和垂向的复杂变化,
宜采用变密度模型进行球坐标系密度界面的正演和反演。本文径向变密度界面
反演方法通过对Bott迭代方法进行优化[1
4],通过不断地正演拟合,使得观测异常与计算理论异常达到误差允许范围内,
进而获得最终的界面起伏形态。针对径向变密度界面反演方法,搜集研究区内重力异常观测数据Δ犵0以及先验密度模型,利用该三维密度模型,通过使用线性拟合的方式获得每个测点处的犪、ρ0值。然后根据界面参考深度犺ref,结合线性公式ρ(狉)=ρ
0+犪(犚-犺ref),计算出每个测点处的密度值ρ,进而得到初始界面深度为式(8)。犺0=
Δ犵0
2πGρ
  狉0=犚-犺0
(8)其中:狉0为初始界面所对应的径向深度;
为地球半图3 球坐标系变密度界面迭代优化反演流程Fig.3 Flowofvariabledensity
interfaceiterative  optimizationinversionunder  sphericalcoordinatesy
stem径,犚=6371000犿。将式(8)带入公式(5)进行正演计算,即可得到地表观测面的起伏界面的理论重力异常Δ犵1。利用Δ犵1与Δ犵0的残差更新初始界
面深度,即
犺1=犺0+
Δ犵0-Δ犵1
2πGρ
,  狉1=犚-犺1
(9)然后采用滑动窗口平滑的方法,将更新后的界
面起伏深度进行平滑处理。窗口平滑方法即对一定窗口内所有点的深度求取平均值,作为该窗口中心点的平滑深度值,窗口直径越大越平滑。利用平滑后界面深度再次进行正演计算,直至残差在误差允许范围之内,
输出最终的界面起伏深度。球坐标系变密度界面反演方法迭代流程如图3所示。
2 球壳模型数据正演试验
为了验证球坐标系线性变密度界面正演公式的正确性,采用球壳模型进行对比(图4)。假设其密度为随径向线性变化的,ρ(狉')=ρ0+犪狉',则密度线性变化的球壳重力异常表示为式(10
)。Δ犵=4πG狉2∫
狉2狉1
ρ(
狉')狉'2
d狉'4πGρ03狉2(狉32-狉31)+πG犪狉
2(狉42-狉41)(10)假设球壳(图4)厚度为Δ狉=40km,通过图4(b)线性关系可以获得ρ0=
6151,犪=-0.001,Tes 4
53    物探化探计算技术45卷
图4 径向线性变密度球壳模型
Fig.4 Radiallinearvariabledensitysp
hericalshellmodel表1 径向线性变密度球壳模型重力异常对比Tab.1 Gravityanomaliescomp
arisonofradiallinear  variabledensitysp
hericalshell球壳公式2D-GLQ
2D-GLQ(
剖分)异常/mGal-666.48-651.40-666.47百分误差/%
2.26
0.00061
表2 不同高斯节点个数的计算精度效率对比Tab.2 Comparisonofcalculationaccuracyandefficiency
  withdifferentnumberofGaussiannodes高斯节点个数1234百分误差/%1.4080.2060.0540.001计算时间/s0.1350.2830.4720.808高斯节点个数5678百分误差/%0.0250.0390.0470.053计算时间/s
1.328
2.153
3.454
5.611
seroid网格间距1°×1°,网格大小361×181,
观测点位于地表,坐标为(6371000,0,0),即犾=0m。分别采用变密度2D-GLQ、基于自适应网格剖分的变密度2D-GLQ以及球壳公式(式(10))进行正演,高斯节点数犖φ=犖λ=4,正演结果如表1所示。结果显示,利用本文基于自适应网格剖分的变密度2D-GLQ积分方法计算得到的正演结果,
与球壳真实重力异常值基本相等,百分误差基本接近“0
”。同时,针对不同高斯节点个数进行正演精度以及计算时间对比试验(表2,图5),结果表明基于自适应剖分算法的正演计算效率,
随着高斯节点数的增加呈现指数上升的趋势,计算精度在高斯节点数为4时,精度最高,百分误差为0.001%。
利用变密度球壳模型对球坐标系的变密度界面
图5 不同高斯节点个数的计算精度效率对比Fig.5 Comparisonofcalculationaccuracya
nd  efficiencyw
ithdifferentnumber  o
fGaussiannodes正演方法进行正演精度试验、评价。结果表明,本文球坐标系变密度界面正演方法计算精度高,适用于大区域、
地表观测面的密度界面的正演。3 密度界面模型数据反演试验
假设界面起伏模型(图6(a)),网格大小为125×73,经度纬度方向网格间距为0.5°×0.5°,观测面位于地表,界面平均深度约35km。对于变密度正演计算,根据先验三维密度模型(图6(b)),通过各个测点处的线性拟合,获取线性参数ρ0、犪,(图6(c)和图6(d)),通过图6(c)、图6(d)可以非常直观地看出,每个点处的线性参数ρ0、犪值均不同,因此可在实现径向线性变密度的同时,实现了横向变密度。
根据球坐标径向变密度正演公式(式(5)),上述界面起伏模型引起的重力异常可由公式(5)正演计算得到,图7(a)为变密度界面正演结果,界面深度深时,异常绝对值大,而界面深度浅时,异常
的绝对值相对小。
利用上述异常,分别对其进行常密度界面反演
5533期
崔亚彤,等:球坐标系变密度界面正演及反演方法研究

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