二维地质模型的表面重力值和重力异常计算

二维地质模型的表面重力值和重力异常计算,分为正演和反演两个核心步骤


一、正演计算(已知模型求重力异常)

核心公式(多边形截面二度体):

其中:

  • G=6.674×10−11m3/kg/s2G=6.674×10^{−11}m^3/kg/s^2G=6.674×10−11m3/kg/s2(引力常数)
  • ρ为密度差(单位:kg/m³)
  • (xi,zix_i,z_ixi,zi)为多边形顶点坐标(逆时针顺序)

MATLAB实现

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function grav = poly_gravity(x_obs, z_obs, x, z, rho)
    G = 6.67408e-11;
    n_poly = length(x);
    x(end+1) = x(1); z(end+1) = z(1); % 闭合多边形
    grav = zeros(size(x_obs));
    for i = 1:length(x_obs)
        total = 0;
        for j = 1:n_poly
            ax1 = x(j)*(1-t) + x(j+1)*t - x_obs(i);
            ax2 = z(j)*(1-t) + z(j+1)*t - z_obs;
            total = total - 2 * rho * G * (atan(ax1./ax2)) .* (z(j+1)-z(j));
        end
        grav(i) = 1e5 * sum(total); % 转换为mGal
    end
end

调用示例

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x_obs = -500:10:500;       % 观测点位置(m)
z_obs = 0;                 % 地表高程(m)
x = [-200,-100,0,100,200]; % 多边形顶点X坐标
z = [0,200,200,0,0];       % 多边形顶点Z坐标
rho = 500;                 % 密度差(kg/m³)
gravity_anomaly = poly_gravity(x_obs, z_obs, x, z, rho);
plot(x_obs, gravity_anomaly);

二、反演计算(从异常反推模型)

粒子群优化(PSO)算法流程

  1. 参数编码 :粒子位置表示断层顶点坐标 (xl,yl,xh,yhx_l,y_l,x_h,y_hxl,yl,xh,yh)

  2. 正演调用 :计算当前模型的重力异常 model_gravity = poly_gravity(...)

  3. 适应度函数:最小化残差平方和

    Cost=∑(observed_gravity−model_gravity)2+λ⋅smoothness_penaltyCost=∑(observed\_gravity−model\_gravity)^2+λ⋅smoothness\_penaltyCost=∑(observed_gravity−model_gravity)2+λ⋅smoothness_penalty

  4. 迭代更新:通过PSO更新粒子位置直至收敛

MATLAB代码片段

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options = optimoptions('particleswarm', 'SwarmSize', 40, 'MaxIterations', 300);
cost_func = @(params) norm(observed_gravity - poly_gravity(x_obs, z_obs, params(1:2), params(3:4), rho));
[optimal_params, ~] = particleswarm(cost_func, 4, lb, ub, options);

三、关键技术要点

  1. 模型离散化:复杂地质体需剖分为三角形/多边形单元
  2. 数值稳定性:采用高斯-勒让德求积避免奇点
  3. 多解性处理:添加光滑约束项 λ∥∇ρ∥2正则化

四、工具推荐

  1. 代码 : 反演计算二维地质模型的表面重力值和重力异常 www.youwenfan.com/contentcso/96047.html
  2. 专业软件: IGMAS(Linux平台,多边形建模) MATLAB地质建模工具箱(Delaunay三角剖分) www.docin.com/p-1316125714.html
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