文摘
微重力调查现在被认为是一个强大的工具为地下成像和特别是地下喀斯特环境的本地化。然而众多的自然(地质)、技术和环境因素干扰微重力测量处理和解释。自然因素之一最干扰导致复杂的地质环境是区域趋势的影响。在死海沿海地区的影响趋势可能超过剩余重力影响的十倍。许多广泛应用方法无法去除区域趋势有足够的精度。我们测试的转换方法(包括计算重力场衍生品、自我调节和自适应滤波、傅里叶级数,小波,和其他程序)在3 d模型(由随机分布的噪声复杂),和现场调查进行了Ghor Al-Haditha(在约旦死海的东边)。我们地区的趋势表明,最有效的方法去除(至少在理论和现场情况下)是双线性鞍和局部多项式回归。应用这些方法能检测到异常重力效应埋在理论模型和目标提取的局部重力异常Ghor Al-Haditha网站。当地的重力异常是用于3 d建模构建一个物理地质模型(的PGM)。
1。介绍
开发新的现代重量和variometric (gradientometric)设备,这使得它可以记录小之前访问异常,提高了观测方法以及新的重力数据处理和解释方法。这些进步引发了微重力方法应用程序的数量的快速上升的环境和经济矿产地球物理。
微重力现在被认为是一个有效的工具,一系列的地质分析地下,非均质火山活动的监测,并寻找有用矿物(例如,3- - - - - -36])。
同时不同的噪声不同的起源微重力数据的分析复杂化。删除(消除)噪声组件众多的开发过程和方法。我们将在本文分析问题的区域趋势消除复杂的地质物探环境下。描述这样的问题是非常重要的弱异常从埋藏岩溶缘在死海盆地区域重力水平梯度可能超过10毫伽的值/公里。
2。简要回顾在地下微重力调查研究
考利(4)显然是第一个应用重力洞穴描述的方法。尽管当时重力观测的准确性不够精确,他给出了一些典型的例子,在伊拉克负重力异常大的洞穴。
Fajklewicz [6]研究了垂直重力梯度(地下画廊)。他可能是第一个注意身体测量之间的显著差异和这个值通过变换。有趣的例子从考古微重力异常目标提出了Bližkovsky [7]。巴特勒(9]表明微重力测量可以用来检测和描述复杂的地下空腔系统的主要组件。他计算第二个和第三个重力势和多项式表面的衍生品开发初始物理地质模型(的PGM巴特勒。(10)调查了引力和重力梯度确定概念和相应的解释微重力程序。
非传统试图用微重力观察体重的决心是储存的矿石和巴特勒报道Sjostrom [37]他估计很多铬铁矿的质量和其他的非侵入性矿体。
克劳福德(14)利用微重力探测天坑在美国高速公路下崩溃了。Elawadi et al。38]显示,知名的神经网络的应用程序可能会增加评估的有效性的深度和半径地下空洞了微重力数据。Rybakov et al。(17)工作引发了利用微重力找到灰岩坑在复杂地质条件下的死海海岸平原。
类型的噪声(干扰)出现在微重力Debeglia和杜邦[详细调查研究39]。风格等。20.]讨论了关键问题相关的微重力在复杂环境中的噪声组件。
需要额外计算周围地形的救济在矿床三维重力建模发生在非常复杂的地形的大高加索Eppelbaum和Khesin中讨论19]。
Abad et al。25)进行的一个评估埋雨水水箱生产修道院(瓦伦西亚,西班牙)的二维微重力建模。微重力监测是一种使用最广泛的地球物理技术预测火山活动;例如,卡伯恩和希腊40详细描述他们微重力监测埃特纳火山。
先进的磁法勘探中的方法可以适应微重力异常的定量分析在复杂环境中(27]。Eppelbaum et al。3)描述各种转换方法来识别埋灰岩坑包括重力3 d建模开发的PGMNahal从不南西部死海海岸。
Deroussi et al。29日)精确的重力调查申请描述蛀牙和大型断裂区域规划道路建设在熔岩流在留尼汪岛最近的火山爆发后。微重力结合绝对重力测量也被用于研究蓄水变化在Larzac高原岩溶含水层(法国)41]。Castiello et al。42]报道微重力研究古代地下空腔那不勒斯在复杂的城市环境中。
类型的噪声的浅层岩溶空腔与微重力研究相关领域的开发基础设施Leucci和格奥尔基[详细介绍32]。Porzucek [43]讨论的优点和缺点在微重力研究使用欧拉反褶积。新方法的同时,非线性反演重力变化和表面变形使用身体和自由几何卡马乔提出的et al。33]。
各级重力场观测的重要性以及地形效应的精确计算在Eppelbaum(中间值和遥远的区域进行了分析34]。Dolgal和Sharkhimullin44建议使用一个“本地化功能”来提高质量的PGM年代和减少高精度重力的结果的歧义。
考夫曼et al。45)成功地利用微重力识别地下空洞的独角兽洞哈尔茨山(德国)。Hajian et al。35]应用局部线性neurofuzzy微重力建模的三种最常见的地下空洞的形状:球体,垂直圆柱,和卧式气缸。作者表明,他们的方法可以更准确地估计腔参数比最小二乘最小化或多层感知器的方法。
Panisova et al。46]肥沃地应用新修改近距离摄影测量计算建筑修正微重力调查岩溶领域的描述历史大厦(斯洛伐克)。
3所示。不同类型的噪声在微重力调查
微重力调查由修正影响最大的地球物理方法,减少由于不同类型的噪声(干扰)。图表显示了不同类型的噪声典型的微重力研究呈现在图1。
下面详细描述这些类型的噪声。
3.1。人工(人造)噪音
的工业组件的噪音主要来自表面和地下建筑,垃圾场,运输和通讯线路,等等。的仪器重力仪的组件是与技术相关的属性(例如,转变为零)和gradientometers。人为错误很明显,可以在任何时候陪地球物理观测。最后,无证(不良记录)前会扭曲初步调查的结果帕姆发展。
3.2。自然干扰
非平稳的噪声包括,例如,潮汐的影响。气象条件(雨、雷电、雪、飓风、等等)也可以影响重力仪读数。修正的大气应该特别注意在微重力的调查中,由于空气层的吸引力是m.s.l以下各级不同。Soil-vegetation因素与某些土壤类型(例如,在沙漠沼泽土壤和松散地面)和茂密的植被,有时会妨碍运动沿剖面,也需要被考虑。
3.3。地质物探和环境因素
这些构成了最重要的物理地质干扰。任何地球物理方法的应用主要取决于物理属性的存在对比研究和周围介质下的对象。的方法应用程序的物理限制评估可测量的密度反差属性异常目标和主机之间的媒体。
3.4。空间坐标和正常重力场的决心
空间坐标和正常重力场的决心也至关重要的精确的重力研究和任何错误可能导致重大错误在后续分析。
3.5。不平坦的地形救援
不平坦的地形救援会妨碍设备的运动和限制重力数据采集。身体,重力场的影响形式和密度的地貌组合,以及变化点的距离测量的隐藏的目标(34]。计算的周围的地形救援(有时为半径200公里)也非常重要的(47,48]。
3.6。地震破坏
地震破坏区广泛分布在地中海东部,尤其是在死海附近的区域变换(DST)区49]。这些区域可能大大复杂化微重力数据分析。
3.7。各种各样的异常来源
各种各样的异常来源是由两个因素:周围的变量中和各种各样的异常目标。这些因素都是至关重要的,大大复杂化磁数据的解释。
3.8。变量地下
变量地下可以使人难以确定正确的身体密度接近地球表面的发生。
3.9。当地和地区的趋势
当地和地区的趋势(直线、抛物线或其它类型)往往掩盖了目标引力影响很大(例如,2,47,48,50])。有时区域重力趋势影响可能超过当地所需的异常的十倍。
让我们详细考虑过去的令人不安的因素。正确的移除(消除)的区域趋势不是一个微不足道的任务(例如,(47])。下面给出两个例子显示详细的令人不安的趋势影响重力调查。图2显示了两个病例nonhorizontal重力观测异常体的存在。nonhorizontal观测线的扭曲效应发生在目标对象从主机中通过对比不同密度和产生异常垂直梯度。比较异常从本地身体倾斜和水平上观察到救援表明,重力的影响在这些情况下(图不同2)。尽管所有必要的修正是应用于斜救济上的观测,计算出的布格异常的特征是小负值(最小)的下行方向,而水平剖面上的异常没有负值(部分中描述的这种噪音3.5)。因此,应用所有传统修正并不能消除这一趋势,因为异常对象的观察点是不同的2]。因此需要一种特殊的方法重量定量异常解释倾向于救助条件(34]。
(一)
(b)
有时甚至是第一和第二的简单计算重力场的衍生品和(第二和第三的导数引力势,resp)足以找到当地的身体在一个令人不安的领域背景下。图中展示了这样一个例子3在布格重力几乎是不可能的解释,而计算的是关于两个紧密发生灰岩坑的几何信息。最后,图的行为地反映了两个紧密的垂直边界的位置发生对象与一个小负区间(周围介质)。
下的面积study-Ghor Al-Haditha-is死海位于东部沿海平原(乔丹)在条件非常复杂的区域重力模式(图4)。此图所示的卫星重力数据得到来自世界重力DB retracked地质卫星和ERS-1测高51]。这些观察是用常规全球1分钟的网格,可以区分这些数据从先前的奇怪的表面和航空重力测量。这个复杂的重力场下附近的面积分布研究是主要由强烈的负面效应引起的低密度沉积协会和盐层的积累在DST和其他一些因素。
4所示。计算三维重力效应模型的灰岩坑和死海变换
测试区域消除趋势方法,两种理论的PGMs-sinkhole的PGM和DST的PGM都发达。从这些计算重力的影响的PGM年代也人为地复杂化随机分布的噪声。
4.1。计算三维重力效应的深坑的PGM
计算3 d重力场,12个平行配置文件与它们之间的距离5米的应用(图5)。为的PGM一个两层(公斤/米3和公斤/米3职责)。的PGM有两种类型的椭圆形灰岩坑是构造(图6)。第一大深坑的中心是位于深度−60米以下地球表面在第二层,对比−密度900 kg / m3。第二个小坑的中心位于深度−20米以下地球表面的第一层,对比−密度2000 kg / m3。概要文件6被选为中央,左右的坑1被定义为−30 + 30米,和坑2−12 + 12米,分别。的3 d重力场建模这个和下面的例子,戈达德宇航中心项目(主要是19软件采用)。计算沿灰岩坑点的数量的PGM被选为200,即每2.5米。
编译后的重力地图12概要的深坑的PGM如图7。从这张图我们可以看到,异常从深坑2比天坑窄1但特点是相对高振幅。
4.2。计算的3 d DST的引力效应
简化的PGMDST的最严重的一部分(图8)是由金兹堡和Ben-Avraham中给出的数据52),韦伯et al。53,作者的计算。500排水口的位置在右上角部分模型的显示。的的PGMDST的计算是相同的所有12个概要文件。DST的重力效应计算了重力场占坑的PGM(图9)。从这个图我们可以看到,从深坑2异常可以直观地检测到,但异常从深坑1实际上是对区域趋势产生的DST察觉。
4.3。噪声添加随机数生成
鉴于地质介质通常比在更复杂的模型数据6和8我们使用一个随机数字生成器引入噪声系数计算。算法由比沙拉等。8]和Wichura [54)应用。的参数随机分布的噪声平均值和标准差以及12个概要文件中列出的表1。换句话说,随机分布不再发生的噪声添加到12 200计算点为每个配置文件。
图10显示了一个重力地图编制的基础上随机分布的噪声(从表1)。合并后的重力效应从深坑(1)的PGMDST, (2)的PGM,(3)随机分布的噪声被用来计算综合重力地图这三个因素的影响(图11)。应该注意的是,在地图(图11)没有视觉签名负异常的灰岩坑1和2。
4.4。不同的算法来消除区域趋势的结果
删除区域趋势,不同的算法和方法应用:第一和第二衍生品、自我调节和自适应滤波、傅里叶级数,小波分解,主成分分析,逆概率,和其他方法(共30多个不同的程序)。
应用程序(1)熵参数的例子用移动窗口自适应大小,(2)梯度测深,和(3)力量Morlet变换给出了估计的数字12(一个),12 (b),12 (c),分别。计算的熵移动窗口(图12(一个)从深坑2)透露了一个明确的环异常;坑1中的异常定位是很困难的。与此同时,边界效应在地图边缘(图12(一个))复杂图像阅读。梯度测深(图的结果12 (b))建议从深坑2异常的存在。权力估计基于Morlet转换(图12 (c))非常清楚地表明排水口的位置2。然而,计算重力异常的叠加和噪音的影响给出了一个错误的弱异常(位于105 - 108 m)的坑1。
(一)
(b)
(c)
回归分析现在被认为是一个最有力的消除趋势方法不同(例如,55- - - - - -57])。两种回归方法。图13显示的是剩余重力减去一个双线性鞍后地图回归。从深坑1负重力异常面积160 m(见图6和9)显然是检测到,而负异常从深坑2 340米的面积小,不能可靠地检测到。
减去一个局部多项式回归后的重力地图呈现在图14。这里从深坑1负异常薄弱,难以检测,但从深坑2异常是毋庸置疑的。这些发现表明,使用的方法有优势。
5。删除区域重力领域的趋势Ghor Al-Haditha,死海的东部沿海平原(乔丹)
的Ghor Al-Haditha东南地区位于死海盆地北部(见图4)。冲积扇沉积从Wadi伊本Hammad覆盖这个地区的南部。钻孔部分表明,浅层地下的地质材料的层压砂层间的石灰砂浆层和粘土或泥灰岩。死海在东海岸的灰岩坑可以追溯到1980年代中期(58]。
观察到的重力地图(图15)显示了强烈的负重力效应的影响由于DST(可能还有其他地质因素)。计算第一和第二衍生品、自动调整滤波梯度方向滤波、傅里叶级数、主成分分析等方法被成功比双线性鞍和局部多项式回归。
图16显示结果的梯度测深。区域趋势后删除两个局部异常被发现:一个复杂的中心地区,另一个在西部边境附近。显然,然而,这种类型的分析只适用于目标定性描述。
剩余的视觉比较(数字地图17和18、职责)显示了两种回归方法的相似性。一个负异常在地图的中心0.6 - -0.7毫伽幅度非常明显。剩余地图的一个重要的优点是,可以使用这些地图对定性和定量分析。
重力资料构造沿着同一条直线(a - b图17在图)和(A′- b′18)展示(图19),有一些微小的差异,主要是在振幅值的异常对象负密度差。
3 d建模表明,这种重力异常可能是由排水口(类似于模型2图6,但扩大大约两次)的上边缘发生的深度低于地球表面(图4米20.)。这个深坑的位置及其大小符合可用的地质资料(59]。观察和计算之间的差距正确的配置文件的一部分可能是造成额外的小型地下空腔的存在与一个不规则的形状。
6。结论
不同种类的噪声影响微重力调查充分说明需要仔细计算这些令人不安的因素。特别是,往往掩盖了目标区域的影响趋势当地微重力异常。三维理论的PGMDST的灰岩坑结合重力效应(产生一个强大的区域趋势)以及随机分布的噪声(引入一些地质介质的复杂性)。比较不同的方法去除区域趋势显示,最有效的算法是双线性鞍和局部多项式回归。使用这些方法来分析重力数据中观察到的复杂地质环境Ghor Al-Haditha网站(东部海岸线死海、约旦)成功移除区域梯度和本地化的负异常可能由地下排水口。3 d重力场建模导致识别的参数的PGM。
确认
作者要感谢匿名评论者,彻底审查这篇论文,批判性的评论和有价值的建议在准备这篇论文很有帮助。这个出版成为可能通过支持提供由美国国际开发署(USAID)和芝加哥商业交易所计划条款的奖项。m27 - 050。