一种基于航磁功率谱分步解耦的居里面深度反演成像方法与流程

本发明涉及地球物理勘探，特别涉及一种基于航磁功率谱分步解耦的居里面深度反演成像方法。

背景技术：

1、居里等温面是地壳内部磁性矿物失去其固有磁性的温度分界面，其深度是评估区域地温场结构、勘查地热资源潜力以及研究岩石圈动力学演化的重要地球物理参数。目前，利用航空磁异常数据通过频域谱分析技术来反演居里点深度是一种主流的技术手段。其中，为了更贴合地壳非均匀磁化的客观地质规律，研究人员提出了基于随机分形磁化模型的反演方法。该方法通过构建一个包含磁性层顶界面深度、磁性层厚度以及分形指数等参数的理论功率谱方程，并将其与实测数据的功率谱进行拟合，以求解出地下磁性层的结构。

2、在应用上述单一分形磁化模型进行反演时，其理论功率谱的解析方程是一个包含了磁性层顶界面深度、磁性层厚度及分形指数等多个待求参数的复杂函数。在常规的求解流程中，这些参数均作为独立的未知量，在全频段内参与统一的非线性拟合寻优过程。然而，由于各个参数对理论谱的整体形态均存在不同程度的影响，它们之间表现出强烈的参数依存性和数学耦合特性。这种内在的耦合特性使得反演求解过程对初始模型的设置非常敏感，优化算法极易陷入局部极小值，从而导致反演结果不稳定，且存在显著的多解性问题，即不同的参数组合可能产生相似的拟合效果，这直接降低了最终所求得的居里等温面深度解的可靠性与计算精度。

3、需要说明的是，以上公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种基于航磁功率谱分步解耦的居里面深度反演成像方法，可以通过先利用高波数谱段信息独立求解顶深，再将顶深作为约束去求解包含深部信息的磁性层厚度，实现了关键参数的分步解耦，有效克服了传统分形模型反演中多参数耦合导致解不唯一、稳定性差的问题，显著提升了居里等温面深度反演结果的稳定性、可靠性与计算精度。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种基于航磁功率谱分步解耦的居里面深度反演成像方法，包括如下步骤：

3、获取目标区域的磁异常数据，并基于所述磁异常数据在计算窗口内计算得到径向对数功率谱；

4、依据所述径向对数功率谱的高波数谱段，基于预设的浅源谱模型，求解并确定磁性源顶界面深度；

5、将所述磁性源顶界面深度作为先验约束条件，代入预设的含深源谱模型；并基于所述径向对数功率谱的低波数谱段，对所述含深源谱模型进行拟合求解，获得磁性层厚度；

6、根据所述磁性源顶界面深度和所述磁性层厚度，计算得到所述计算窗口对应的居里等温面深度。

7、在本发明的一实施方式中，在所述获取磁异常数据之后，进一步包括在目标区域内的扫描点构建多个尺寸递增的空间重叠计算窗口；

8、并且，所述计算径向对数功率谱、求解磁性源顶界面深度、求解磁性层厚度、以及计算居里等温面深度的步骤，是针对每一个所述计算窗口分别执行的，以获得与各计算窗口对应的多个居里等温面深度。

9、在本发明的一实施方式中，还包括：

10、对所述多个计算窗口获得的多个居里等温面深度进行几何收敛校验；

11、所述几何收敛校验，包括判断所述居里等温面深度是否小于或等于其对应计算窗口边长的预设比例；

12、并根据校验结果确定所述扫描点的最终居里等温面深度。

13、在本发明的一实施方式中，所述根据校验结果确定最终居里等温面深度的步骤，包括：

14、当由较小尺寸计算窗口获得的居里等温面深度不满足所述几何收敛校验时，废弃该深度值；

15、并采纳由较大尺寸计算窗口获得的、且满足所述几何收敛校验的居里等温面深度，作为所述最终居里等温面深度。

16、在本发明的一实施方式中，在所述求解磁性层厚度的步骤之前，还包括：

17、在预设的分形指数扫描范围内，通过计算理论谱与所述径向对数功率谱的全局均方根失配度，确定最优分形指数范围；

18、其中，所述拟合求解磁性层厚度的步骤，具体为在所述最优分形指数范围内对所述含深源谱模型进行拟合求解。

19、在本发明的一实施方式中，所述计算得到径向对数功率谱的步骤，包括：

20、对所述计算窗口内的磁异常数据执行二维傅里叶变换，获得二维功率谱；

21、对所述二维功率谱执行波数域环形积分或方位角平均，以获得所述径向对数功率谱。

22、在本发明的一实施方式中，所述求解并确定磁性源顶界面深度的步骤，具体包括：

23、选取所述径向对数功率谱在高波数谱段内的一组数据点；

24、通过使所述数据点的对数值与其对应波数的残差平方和最小化的方式，求解得到拟合直线的斜率；

25、并根据所述斜率确定所述磁性源顶界面深度。

26、在本发明的一实施方式中，所述将磁性源顶界面深度作为先验约束条件，具体为：

27、基于所确定的磁性源顶界面深度，构建一个具有预设浮动范围的深度置信区间；

28、在拟合求解所述磁性层厚度的过程中，将所述磁性源顶界面深度的迭代更新范围限定在所述深度置信区间内。

29、在本发明的一实施方式中，所述拟合求解磁性层厚度的步骤，具体包括：

30、在所述低波数谱段，通过迭代更新所述磁性层厚度的参数值，以最小化所述含深源谱模型的理论谱与所述径向对数功率谱之间的失配度；

31、直至所述失配度满足收敛条件时，输出所述磁性层厚度的最优解。

32、在本发明的一实施方式中，所述计算得到居里等温面深度的步骤，具体包括：

33、将所确定的磁性源顶界面深度与所获得的磁性层厚度进行求和，以得到所述居里等温面深度。

34、另一方面，本发明还提供一种电子设备，包括存储器和处理器；

35、所述存储器用于存储计算机程序；

36、所述处理器用于执行所述计算机程序，以实现如前所述的基于航磁功率谱分步解耦的居里面深度反演成像方法。

37、此外，本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序；所述计算机程序被处理器执行时实现如前所述的基于航磁功率谱分步解耦的居里面深度反演成像方法。

38、采用上述技术方案后，本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

39、本发明通过构建“高波数段求解顶深—低波数段反演底深”的分步解耦反演路径，从根本上克服了传统单一分形模型中磁源顶深、底深及分形指数多参数强耦合导致的反演失稳及多解性问题。利用高波数谱段对浅部磁性界面敏感的物理特性，率先锁定顶界面深度，再将其作为强先验约束代入含深源谱模型，显著降低了低波数反演的自由度，从而在保留地壳非均匀分形磁化特征的同时，大幅提升了居里等温面深度反演的计算精度与稳定性。

40、本发明通过在目标区域内构建多个尺寸递增且空间重叠的计算窗口，并利用各窗口分别执行反演流程，为深部长波长信号的恢复提供了充足的观测孔径。该多尺度并行处理机制不仅有效克服了单一固定窗口因尺寸不当导致的深部信号截断或浅部噪声干扰问题，还利用不同尺度的重叠区域形成了数据冗余，为后续的多尺度校验与结果择优提供了物理基础，增强了反演结果的鲁棒性。

41、本发明通过引入几何收敛校验准则，建立了计算窗口边长与反演深度之间的定量物理约束关系，即深度不大于窗口边长的特定比例。该步骤能够自动识别并过滤因窗口尺寸不足或噪声干扰导致的虚假异常深度值，确保输出的居里等温面深度是基于充足长波能量约束的真实地质响应，从而有效避免了常规方法中常见的深部反演结果失真现象，保障了全区制图结果的可靠性。

42、本发明明确了多尺度校验下的深度优选逻辑，即当小窗口反演结果不满足几何收敛条件时被自动废弃，转而采纳满足约束的大窗口反演结果。这种“自适应升级”机制实现了从局部精细探测到区域宏观控制的平滑过渡，既保证了在信号充足区域的高分辨率，又确保了在复杂区域深部反演的有效性，显著提升了最终成像结果的连续性和地质合理性。

43、本发明通过在反演前预先遍历分形指数范围并计算全局均方根失配度，实现了对区域地壳磁化分形特征的客观量化。该方法摆脱了传统技术依赖人工经验主观设定分形参数的局限性，通过全局最优分形指数范围的确定，为后续低波数段的拟合求解提供了准确的物性先验信息，进一步降低了反演的多解性，提升了算法对不同地质背景的适应能力。

44、本发明通过采用二维傅里叶变换结合波数域环形积分或方位角平均的方法，将二维空间域磁异常高效转换为一维径向对数功率谱。该处理方式不仅消除了磁异常在不同方向上的方位差异影响，提取了反映地质体固有属性的径向频谱特征，还显著压制了随机噪声，为后续的高低波数分段拟合提供了高质量、高信噪比的频谱数据基础。

45、本发明在高波数谱段采用最小二乘线性拟合求解顶深，充分利用了高频段深部信号衰减殆尽、谱形态主要受控于顶深的物理特性。相较于全谱段的非线性拟合，该方法计算效率高、数值稳定性强，且不受深部磁性底界及分形参数的干扰，能够快速、准确地锁定磁性源顶界面深度，为后续的分步解耦反演提供了坚实的初始约束。

46、本发明构建具有预设浮动范围，如±0.2km的深度置信区间对顶深进行微扰约束，实现了“刚性锁定”与“柔性微调”的平衡。该机制既防止了顶深在反演过程中因局部噪声发生剧烈漂移，又保留了顶深随实际地质情况在小范围内自适应修正的空间，在保证反演稳定性的同时，兼顾了对浅部复杂地质结构的适应性。

47、本发明通过在低波数谱段进行迭代最小化失配度的非线性拟合，充分发挥了低波数信息对深部磁性层厚度敏感的优势。该迭代优化过程能够在顶深约束的条件下，精确解耦分形指数与磁性层厚度参数，有效提取隐匿在长波长信号中的居里面信息，进一步提高了深部热结构反演的分辨率和可信度。

48、本发明基于“磁性层底界深度等于顶界深度加磁性层厚度”的几何物理关系，提供了一种直观、准确的居里等温面深度计算方式。该计算逻辑清晰，物理意义明确，将反演获得的顶深与层厚参数直接转化为具有明确地质意义的深度坐标，便于后续的地热资源评价及深部构造解释。