地化空间约束的主被动源联合地质识别方法及系统

本发明涉及隧道超前速度场重构，尤其涉及一种地化空间约束的主被动源联合地质识别方法及系统。

背景技术：

1、本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

2、钻爆法隧道施工中，掌子面前方常分布断层破碎带、软硬岩突变界面、蚀变带、富水岩溶等不良地质体。若无法精准判别前方速度结构与地质界面位置，易引发超欠挖、塌方、突水突泥等灾害，同时造成支护参数、施工组织选取不合理等风险。因此，精准重构掌子面前方围岩速度场，是隧道超前地质预报与施工风险防控的核心，地震全波形反演是实现围岩精细速度建模的关键技术。

3、超前钻探产生的钻孔返渣、孔口粉屑为掌子面前方原位岩体产物，其元素组分、氧化物比例、矿物谱特征等地化指标，可直接反映岩体岩性、蚀变程度、完整性及含水破碎状态，且与岩体地震波速度密切相关，可为地震反演提供可靠地质先验约束。现有技术大多将地化渣粉数据仅用于事后解释与局部验证，未有效融入反演建模过程，数据利用率低。同时，地化取样仅沿钻孔轨迹一维分布，全域均等约束或硬性外推易造成速度场畸变与地质误判，完全舍弃则会浪费原位真实地质信息，缺乏可靠的空间约束调控机制。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明提出了一种地化空间约束的主被动源联合地质识别方法及系统，利用地化渣粉实现速度场自适应空间约束，依托主动源数据弥补被动源震源不确定性与照明不足的缺陷，有效降低反演多解性，提升速度场重构稳定性与不良地质界面定位精度。

2、在一些实施方式中，采用如下技术方案：

3、一种地化空间约束的主被动源联合地质识别方法，包括：

4、获取待测区域渣粉样品并进行地化分析，得到地化特征向量，所述地化特征向量包括元素或氧化物含量、元素比值、矿物谱特征和地化异常指标；

5、通过地化识别模型将地化特征向量映射为岩性或地层类别概率，计算地化识别的信息熵，以及钻孔位置处的地化速度先验和不确定性；

6、构建地化空间外推函数，所述地化空间外推函数包括距离衰减项、地质趋势一致性项、样品质量因子和信息熵调制项；根据地化空间外推函数计算地化空间外推权重，以钻孔位置处的地化速度先验和不确定性作为数据源，构建空间速度先验和先验方差；

7、分别采集钻进过程中的被动源地震数据以及主动源地震数据，并进行预处理；

8、构建联合全波形反演函数，所述联合全波形反演函数包括：虚拟炮集波形拟合项、主动源波形拟合项、地化速度先验约束项、地质趋势约束项和平滑正则化项；

9、对所述联合全波形反演函数进行迭代求解，得到包括速度场、地化约束权重分布、主被动源数据拟合残差和解释不确定性的反演结果。

10、作为进一步的方案，计算地化识别的信息熵，具体为：

11、第个样本被识别为每一类岩性或地层类别的概率与所述概率不确定性的对数度量的乘积的累加和，并进行归一化，得到第个样本地化识别的信息熵。

12、作为进一步的方案，计算钻孔位置处的地化速度先验和不确定性，具体为：

13、第个样本被识别为每一类岩性或地层类别的概率与各类别对应速度统计均值乘积的累加和，作为钻孔位置处的地化速度先验；

14、所述不确定性由类别混合方差、模型误差和样品质量误差之和得到。

15、作为进一步的方案，所述地化空间外推函数具体为：

16、；

17、其中，表示待估计位置处的地化空间外推权重，表示待估计位置与样品位置的各向异性距离；为地化识别的信息熵，为样品质量因子，为地质趋势一致性函数。

18、作为进一步的方案，以钻孔位置处的地化速度先验和不确定性作为数据源，构建空间速度先验和先验方差，具体为：

19、所述空间速度先验场为：待估位置处的空间速度先验值为所有样品的速度先验值按各自权重加权求和后，与所有权重之和的比值；

20、所述先验方差为：周围地化速度先验的空间离散程度、单个样品地化解释自身的不确定性以及地质统计外推方差或克里金方差之和。

21、作为进一步的方案，还包括：基于先验方差构造联合全波形反演函数中地化空间先验约束项的权重；所述权重为对先验方差取倒数后进行归一化得到。

22、作为进一步的方案，联合全波形反演函数具体包括：

23、虚拟炮集波形拟合项：对每一对检波器(i,j)，计算实测互相关与模拟互相关之差，经加权后取平方积分，再对所有检波器对求和，得到第一标量残差值；

24、主动源波形拟合项：对每对震源-检波器组合，计算实测波形与模拟波形之差，经加权后取平方，沿时间积分，得到对应的波形残差；

25、对所有检波器的波形残差求和，累计该震源激发下所有接收道的残差；对所有主动震源求和，得到全部主动源观测的总残差；

26、地化速度先验约束项：对空间域内每个位置x，计算当前速度模型与地化先验速度之差的平方，乘以该位置的约束权重，再对整个空间积分求和，得到第二标量残差值；

27、地质趋势约束项：对当前速度模型在每个空间位置x处作用趋势算子，得到反映速度场在该位置偏离地质趋势程度的量；对所述量取模平方，然后在整个空间域进行积分求和；

28、平滑正则化项：对当前速度模型取模平方，然后在整个空间域进行积分求和。

29、在另一些实施方式中，采用如下技术方案：

30、一种地化空间约束的主被动源联合地质识别系统，包括：

31、地化数据获取模块，用于获取待测区域渣粉样品并进行地化分析，得到地化特征向量，所述地化特征向量包括元素含量、氧化物含量、元素比值、矿物谱特征和地化异常指标；

32、地化类别识别模块，用于通过地化识别模型将地化特征向量映射为岩性或地层类别概率，计算地化识别的信息熵，以及钻孔位置处的地化速度先验和不确定性；

33、地化空间外推模块，用于构建地化空间外推函数，所述地化空间外推函数包括距离衰减项、地质趋势一致性项、样品质量因子和信息熵调制项；根据地化空间外推函数计算地化空间外推权重，以钻孔位置处的地化速度先验和不确定性作为数据源，构建空间速度先验和先验方差；

34、主被动源数据获取模块，用于分别采集钻进过程中的被动源地震数据以及主动源地震数据，并进行预处理；

35、联合反演模块，用于构建联合全波形反演函数，所述联合全波形反演函数包括：虚拟炮集波形拟合项、主动源波形拟合项、地化速度先验约束项、地质趋势约束项和平滑正则化项；对所述联合全波形反演函数进行迭代求解，得到包括速度场、地化约束权重分布、主被动源数据拟合残差和解释不确定性的反演结果。

36、在另一些实施方式中，采用如下技术方案：

37、一种地化空间约束的主被动源联合地质识别装置，包括：

38、钻孔渣粉获取装置，用于获取待测区域的渣粉样品；

39、主被动源数据获取装置，用于分别获取待测区域钻进过程中的被动源地震数据以及钻进间隙的主动源地震数据；

40、数据处理装置，被配置为：

41、对渣粉样品进行地化分析，得到地化特征向量，所述地化特征向量包括元素或氧化物含量、元素比值、矿物谱特征和地化异常指标；

42、通过地化识别模型将地化特征向量映射为岩性或地层类别概率，计算地化识别的信息熵，以及钻孔位置处的地化速度先验和不确定性；

43、构建地化空间外推函数，所述地化空间外推函数包括距离衰减项、地质趋势一致性项、样品质量因子和信息熵调制项；根据地化空间外推函数计算地化空间外推权重，以钻孔位置处的地化速度先验和不确定性作为数据源，构建空间速度先验和先验方差；

44、构建联合全波形反演函数，所述联合全波形反演函数包括：虚拟炮集波形拟合项、主动源波形拟合项、地化速度先验约束项、地质趋势约束项和平滑正则化项；对所述联合全波形反演函数进行迭代求解，得到包括速度场、地化约束权重分布、主被动源数据拟合残差和解释不确定性的反演结果。

45、作为进一步的方案，所述钻孔渣粉获取装置包括：接料箱，接料箱顶部设有进水口，进水口连通进水管，进水管底部设有过水网筛结构；接料箱内还设有储筛桶，储筛桶内存储有多个过水网筛，过水网筛能够自储筛桶底部自动下落；接料箱底部设有排水槽，网筛内过滤出的水经排水槽流出；

46、接料箱内还设有气缸手指和内部滑道，内部滑道与设置在接料箱外部的外部滑道连接；气缸手指能够在气缸的推动下将过水网筛往前推至进水管下部，当该过水网筛接满渣粉后，气缸手指在气缸的作用下继续将该过水网筛往前推，使得该过水网筛自内部滑道滑出接料箱并进入外部滑道内。

47、在另一些实施方式中，采用如下技术方案：

48、一种终端设备，其包括处理器和存储器，处理器用于实现指令；存储器用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行上述的地化空间约束的主被动源联合地质识别方法。

49、在另一些实施方式中，采用如下技术方案：

50、一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行上述的地化空间约束的主被动源联合地质识别方法。

51、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

52、（1）本发明通过引入各向异性地质距离、信息熵、样品质量因子与地质趋势一致性，构建自适应空间外推权重函数，将一维钻孔地化信息转化为三维变权速度先验场，实现钻孔近区强约束、远区弱约束、低熵稳定区强约束以及高熵不确定区弱约束。

53、（2）本发明建立同时包含被动源波形拟合项、主动源波形拟合项、地化空间先验约束项、地质趋势约束项与平滑正则化项的联合目标函数，以主动源可控波形弥补被动源震源不确定性与照明不足，以地化先验约束引导反演方向，实现多物理场协同的速度场重构。

54、本发明的其他特征和附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本方面的实践了解到。