大地电磁场非线性共轭梯度三维反演方法申报书

中国专利奖申报书（发明/实用新型）专 利 号： ZL201210297336.X 专利名称：大地电磁场非线性共轭梯度三维反演方法申报单位： 中国地质科学院矿产资源研究所 推荐单位： 自然资源部 二一九年 四 月二十三日国家知识产权局制一、申报项目基本信息专利号ZL201210297336.X专利名称大地电磁场非线性共轭梯度三维反演方法专利权人中国地质科学院矿产资源研究所发明人张昆IPC主分类号 IPC主分类号可通过国家知识产权局网站查询。G01V3/38(2006.01)I通讯地址/邮编北京市西城区百万庄大街26号100083联系人1王爱云手机13811507029办公电话01068999027电子邮箱wangaiyuncags.ac.cn联系人2手机办公电话电子邮箱推荐单位自然资源部二、专利质量评价材料评价“三性”和“文本质量”,说明参评专利质量的优秀程度（一）新颖性和创造性目前的大地电磁三维反演算法主要包括快速松弛法（RRI）、共轭梯度法（CG）、数值域OCCAM法（REBOCC）和非线性共轭梯度法（NLCG）等。所有反演算法流程均包括模型网格化、模型正演计算、正演结果与数据对比、模型修改量计算、模型更新迭代等。但不同算法对于模型修改量的计算方法不同，RRI将三维问题转化为一维问题，从而提高计算效率，但是计算精度受到很大影响；CG法将非线性问题线性化，虽然计算效率较高，但是收敛速度较慢，掩盖了其高效计算的优势；REBOCC法计算雅克比矩阵，是一种理论上精度最高的反演方法，但是计算雅克比矩阵需要占用大量计算时间和物理内存，因此在普通电脑上很难实现；NLCG法不计算雅克比矩阵，只计算其与矢量的乘积，在没有降低精度的情况下提高了计算效率，是一种高效的反演方法。但本专利申请之前的原有NLCG算法在计算模型修改量的过程中，其预处理方法较为复杂，总体计算量较大，并且采用的并行计算技术不符合原理中关于边界条件的假设和近似，因此存在一定的计算误差。此外，原有NLCG算法的计算时间和资源消耗仍较高，不能达到实用程度。基于上述现有技术中的关键问题，本专利发明着眼于解决反演的计算效率，改进了预处理因子，添加了不影响计算精度的并行结构，减少（拟）正演次数和计算量，通过改进算法将三维反演推向实用化和便携化。（二）实用性目前该项发明专利（及发明人信息）收录于2014年度世界名人录和2013年度中国优秀发明人年鉴，并且已经应用于油气勘探的理论试验和矿产资源勘查、深部地质结构调查、地球动力学研究的实际应用。此外，应用本发明专利技术的多个项目分别获得2016年国土资源科学技术二等奖、2018年中国地质调查局科学技术一等奖和2018年国土资源科学技术一等奖。专利发明人依据目前油气资源地球物理勘探现状和需求，提出三维大地电磁勘探将在未来油气资源勘查中发挥重要作用，使用本专利发明的三维反演算法对典型储油构造的电性特征响应进行了详细的研究。从而得出了大地电磁三维反演结果，即地下深部电性结构分布，能够明显反映出盖层、储油岩、水层及背景地层的电性特征，并且能够弥补地震勘探方法存在的不足和缺陷，从而对油气查找提供可靠的信息和强大的支持。该成果发表在英国（国际SCI期刊）Journal of Applied Geophysics期刊上，并因此受邀参加2015-2018年在迪拜、美国及欧洲多地举办的多个油气勘探相关研讨会议。专利发明人依据目前浅表矿产资源急剧减少、对深部资源勘探迫切需求的现状，在国家深部探测技术与实验研究专项第三项目“深部矿产资源立体探测技术及实验研究”（SinoProbe-03）的支持下，以安徽泥河铁矿的三维音频大地电磁测深数据为基础，使用本专利发明的三维反演算法技术，开展了地下三维电性结构研究和矿床、矿体电性特征研究。经过三维反演获得了泥河铁矿的地下1km深度范围内的电性结构分布特征，建立了三维地球物理模型，并获得了矿区砂岩、火山岩、侵入岩、蚀变带以及矿体的导电性物性特征，追踪了控矿构造的深部延伸，圈定了赋矿岩层的分布范围，为深部找矿、拓展深部“第二找矿空间”提供了大量有效信息，并成为未来找矿的基础实例。该成果发表在中国地质学报期刊上，并被多次引用。发明人依据目前深部地质结构调查的需要，在科技支撑计划项目“宁芜矿集区深部控矿结构3D探测与深部勘技术集成示范”、国土资源部公益性行业科研专项“长江中下游成矿带地壳结构与深部过程探测试验”、基本科研业务费项目“宁芜矿集区三维物性结构及成矿关系研究”的支持下，以长江中下游成矿带中宁-芜矿集区的大地电磁测深数据为基础，使用本发明专利的三维反演算法技术，开展了深部三维电性结构和成矿理论研究。经过三维反演获得了宁芜矿集区地下50km深度范围内的电性结构分布特征，建立了三维地球物理模型，结合其他资料，讨论了矿集区深部物质状态、深大断裂带的分布范围以及成矿及动力学背景，发现了矿集区南部的隐伏边界和测区东南部有利于铜矿富集的相对隆起区，为拓展深部“第二找矿空间”提供了大量有效信息。该成果发表在国际Journal of Asian Earth Sciences期刊上，且已被同行专家认可，在安徽省基金项目“南陵-宣城矿集区三维综合地球物理探测”项目资助下，已在相对隆起区及邻区获得了超过6400km2区域电性结构模型，为地壳浅表透明化和深部找矿提供了重要信息。类似的，本发明专利同样应用于庐枞矿集区的深部找矿和成矿深部背景等科学问题研究。本专利拥有很多应用实例，其大量实际应用的前提条件是其具有高效、低损耗的特点，以往的三维反演方法的计算时间以天为计量单位，内存消耗n×10 GB以上，而本专利的计算时间以分钟为计量单位，内存消耗小于5 GB，实际算例中的最长计算时间为12小时，最大内存消耗4.1 GB，将大地电磁场三维反演计算从大型服务器或并行机的硬件需要和长时的时间要求中解放出来，普及到笔记本电脑，甚至目前流行的平板电脑，具有很强实用价值和前景。在基本科研业务费项目“深部探测综合方法预研究”项目资助下，发明人以本专利作为核心技术之一研发了大地电磁场数据处理解释系统，为我国深部探测、深部找矿、地热等资源勘查提供了重要的技术支撑。（三）文本质量1.说明书已清楚、完整地公开发明专利的内容，并使所属技术领域的技术人员能够理解和实施。其中，公开内容包括大地电磁场非线性共轭梯度三维反演所需初始模型的设计方法，正演响应数据的计算方法、反演方法中目标函数构建、目标函数梯度计算方法、并行计算结构、模型修改量的计算以及本发明的核心技术预处理因子的计算方法（用于模型修改量计算）。2.权利要求书清楚、简要的描述了本发明关于三维反演方法中模型修改量和预处理因子的计算方法及其并行结构设计方法等保护内容。3.权利要求以说明书为依据，保护范围合理。三、技术先进性评价材料（一）技术原创性及重要性本发明专利改进了求解模型改变量（模型为反演计算的初始模型，其改变量计算用于更新模型，使之更接近地下真实电性结构）中的预处理因子这一重要参数，并替换了二次导数的求解方法，减少了每次迭代中12次拟正演计算，相对以往技术提高计算效率十几至几十倍；改进了用于计算正演响应（由模型计算响应数据，用于对比实测数据和模型改变量计算）和模型修改量的并行计算结构，提高了计算精度，降低了内存消耗。本专利属于改进型专利，改进了以往方法技术，解决了计算效率和资源消耗两大共性难题，将以往十几天至几十天的计算时间需求压缩到几十分钟至十几小时；将大型服务器的计算机硬件需求降低至普通计算机或平板电脑，减少了大量内存消耗；弥补了以往技术在计算精度上的缺陷（以往技术为了提高计算效率，通过拆分网格实现并行运算，破坏了边界条件和理论假设，造成较大的计算误差，并且对内存的需求巨大）。（二）技术优势1 技术优势（1）本发明相对于同类技术提高了计算效率当前同类技术主要包括快速松弛三维反演、共轭梯度三维反演和数值域三维反演，同等模型网格和数据规模的情况下（网格数约40*40*40），反演计算时间分别约为60分钟、90分钟和240分钟，而本发明专利技术的计算时间小于10分钟。具体情况视参与反演的数据量而定，数据量越大，本发明技术的高效优势越显著。（2）本发明相对于同类技术降低了诸多成本同上，同等模型网格和数据规模的情况下（网格数约40*40*40），上述技术的硬件最低需求分别为高配计算机、高配计算机和服务器，内存占用约为1.5GB、2GB和4GB，而本发明技术的最低硬件需求为平板电脑（Windows或Linux操作系统），多核心并行计算时（使用的核心越多，同时调用和分配的变量越多，内存占用越大，内存占用量与核心数成正比），内存占用仍小于1GB。此外，由于本技术具有高效特点，因此，能够削减大量时间成本以及对应的人员、设备和其他配套成本。（3）本发明相对于同类技术减少了能源损耗本发明具有高效特点，因此，较其他技术减少了计算机的电能损耗以及其他配套设施能耗（如设备室、办公室能耗等）。（4）本发明相对于同类技术具有更强的实用性受时间损耗及硬件配置限制两大问题制约，当前同类技术很难实现快速计算和普及应用，只有部分有优越条件的单位和个人能够使用此类技术。而本发明技术消除了硬件制约、提高了计算效率，方便业内推广使用。2 本发明技术的实施效果本发明技术为数据解释技术，用于将大地电磁场数据转换为地下电性结构模型。基于本发明与当前同类技术，使用日本KAYABE地区的公开数据，获得了多个三维电性模型，发现本专利技术获得的结果与该地区公开的地质信息最为吻合，说明本发明技术实施效果良好。此外，本发明技术应用于泥河铁矿的结果表明，通过本发明计算得到的泥河铁矿三维电性模型与已知地质模型对应一致，各地层、（断裂）构造和赋矿岩体的埋深和展布与三维模型中的电性分布特征一致，说明本发明技术具有很好的应用效果和前景。此外，基于本发明专利技术获得的三维电性结构模型，发现了宁芜矿集区的南部隐伏边界和东南部相对隆起区（利于铜矿富集），发现了庐枞矿集区中部的相对隆起区（利于铜矿富集），明确了我国典型金（焦家金矿）、铁（泥河铁矿）和铜（沙溪铜矿）矿床矿体（或赋矿岩体）与围岩的电性差异，为地球动力学、成矿的深部背景、深部找矿等多尺度的科学问题研究提供了重要技术支撑。（三）技术通用性 本发明专利已经应用于矿产资源勘查、深部地质调查、地球动力学过程等相关科研领域。本专利还可应用于区域地质普查、油气资源勘查、地热和地下水资源勘查、地下空间调查等生产工作领域。四、运用及保护措施和成效评价材料（一）（一）专利运用本发明专利现已应用于权利人承担的诸多国家级和省部级科研项目，包括国家支撑计划项目 “深部矿产资源立体探测技术与实验研究（SinoProbe-03）”、科技支撑计划项目“宁芜矿集区深部控矿结构3D探测与深部勘技术集成示范（2011BAB04B01）”、国家重点研发计划课题“华南岩石圈三维结构与深部过程”、地质调查项目“钦杭结合带深部地质结构调查”、地质调查项目“武陵山江南造山带中段深部地质调查”、省基金项目“南陵-宣城矿集区三维综合地球物理探测”、基本科研业务费项目“大地电磁长静位移效应的机理分析和校正方法探索”、基本科研业务费项目“宁芜矿集区三维物性结构及成矿关系研究”、基本科研业务费项目“深部探测综合方法技术预研究”等，项目经费累计超过一亿五千万元。本发明专利已成功用于科研项目中的地球动力学过程研究、深部地质结构探