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原文传递城市拖曳式瞬变电磁早期信号获取及浅地表成像方法研究

论文题名：	城市拖曳式瞬变电磁早期信号获取及浅地表成像方法研究
关键词：	拖曳式瞬变电磁;信号获取;浅地表成像方法;结构设计
摘要：	城市地下空间作为一种新型的土地资源，其开发利用已经成为必然趋势。然而，城市地下空间的开发面临着地面沉降、地下突水等各种地质灾害的威胁，因此，高效、充分地掌握地下空间的地质信息，对于保障城市地质安全具有重要意义。瞬变电磁（Transientelectromagnetic，简称TEM）是一种可以实现地质电阻率调查的地球物理勘探方法，其搭配移动平台后构成的城市拖曳式TEM探测技术可以实现高效城市道路地质普查。然而，面向城市浅地表地质精细解释的需求，该探测技术存在着收发线圈强耦合导致早期信号难获取、配套的成像解释策略欠缺且成像结果的不确定性难以估计等问题。为解决上述问题，本文在国家自然科学基金重大科研仪器研制项目（自由申请）的资助下，针对城市强干扰环境下精细化探测等难题，开展了浅层地质环境的拖曳式TEM早期数据高精度获取、浅地表地质快速高分辨率成像方法等研究，对于高效、充分地探测城市地下空间的地质结构信息，保障城市地下安全具有重要意义。主要研究内容如下：　　(1)针对发射线圈和接收线圈间的强互感干扰导致的TEM早期信号丢失问题，提出了基于非共面Bucking弱耦合补偿结构的TEM早期信号获取方法。基于航空Bucking补偿结构的技术原理，分析了将航空Bucking补偿设计应用于地面小回线TEM系统时存在接收带宽受限、近区效应不可忽略的问题，详细介绍了非共面Bucking补偿结构的设计方法，研究了非共面结构设计对尺寸误差、位移误差和接收线圈尺寸约束的敏感性，并开展了仿真模拟测试和实际案例测试，验证了新结构能够有效获取更早期的二次场信号，具有更好的浅层探测能力，为后续浅地表地质成像提供数据保障。　　(2)针对传统的TEM反演方法难以满足对复杂城市地质环境进行高效、高分辨率成像的需求，提出了基于波场相关性识别的拖曳式TEM自适应约束快速成像方法。依据扩散场数据与波场数据的数学转换关系，将早期TEM数据转换为对地质电性变化更为敏感的拟地震子波数据，利用拟地震子波数据识别测量区域的地质相关性，自适应生成沿测线方向的约束矩阵；最后将所有测点和约束项作为一个整体进行反演迭代计算。通过仿真实验对比了常规单点反演方法、横向约束反演方法和本文提出的自适应约束反演方法的成像质量，论证了新约束反演策略的优越性。最后，将自适应约束思想扩展到TEM数据的准三维反演成像中，为城市拖曳式TEM装备开展二维或三维探测任务时提供了地质适应性强的快速成像解释策略。　　(3)针对地球物理反演解释具有非唯一性，而常规TEM反演解释方法只能给出满足数据拟合误差的单个最优解的问题，提出了基于组合策略优化的变维贝叶斯反演方法。通过探究马尔可夫链收敛条件的设置方法，并利用贝叶斯信息准则方法（BayesianInformationCriterion，简称BIC）合理地约束模型层数变化范围、利用自适应Metropolis方法（AdptiveMetropolis，简称AM）自适应更新模型建议分布搜索步长，构成了BIC-AM组合优化策略以提高变维贝叶斯反演的速度。通过单点模型仿真实验论证了基于BIC-AM组合策略优化的贝叶斯反演方法能够在满足对模型充分采样的同时，将反演效率提升四倍。此外，该方法结合并行计算技术能够高效率的处理多点测线数据，为实现城市拖曳式TEM数据的规模性反演成像参数的不确定性估计提供了策略。　　最后，将本文提出的拖曳式TEM早期数据获取及浅地表成像方法应用于浙江省杭州市上城区钱江东路的道路地质探测中。利用搭载非共面Bucking补偿结构的拖曳式TEM系统获取TEM早期段数据，利用自适应约束反演方法进行快速地质成像解释，并采用基于BIC-AM策略优化的变维贝叶斯算法进行TEM成像参数的不确定性估计。结果表明，本文提出的自适应约束成像方法在复杂地质条件下有更好的自适应性和数据拟合准度，基于BIC-AM优化的变维贝叶斯反演策略能够相对高效地实现TEM数据反演参数的不确定性估计，浅地表地质成像结果与地质钻孔资料基本吻合，验证了早期信号获取及数据解释成像方法的有效性。综上所述，本文的研究为城市拖曳式TEM进行浅地表地质勘查提供了早期数据获取方法及实用性数据成像解释策略，为我国城市地质灾害的超前探测、城市地下工程的安全开发提供了技术支持和保障。
作者：	陈健
专业：	测试计量技术及仪器
导师：	林君
授予学位：	博士
授予学位单位：	吉林大学
学位年度：	2023