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基于机器学习和SHAP算法的声波测井曲线重构及可解释性分析

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地质科技通报 2024年

作者：黎子豪蒋恕中国地质大学(武汉)构造与油气资源教育部重点实验室中国地质大学(武汉)资源学院

【目的】测井技术是查明地下岩性、地层及地质流体的关键技术手段，在石油勘探行业中发挥着至关重要的作用。然而，由于仪器损坏、井眼条件等因素，经常造成测井数据缺失、曲线不全等问题，传统多元线性回归或经验公式方法无法合理地构... 详细信息

【目的】测井技术是查明地下岩性、地层及地质流体的关键技术手段，在石油勘探行业中发挥着至关重要的作用。然而，由于仪器损坏、井眼条件等因素，经常造成测井数据缺失、曲线不全等问题，传统多元线性回归或经验公式方法无法合理地构建测井曲线间的关系模型使得曲线重构精度相对较低，机器学习算法虽能在大量数据之间找到最为合适的数据映射关系进而提高了模型精度，但相较而言其所构建的黑箱模型无法得到良好的解释。近期，可解释性算法的运用使得机器学习在重构测井曲线中的应用更为合理。【方法】本文通过将Support Vector Regression（SVR），Random Forest（RF）以及eXtreme Gradient Boosting（XGBoost）和传统多元线性回归方法（Linear Regression，简称LR）对比对英国能源局22-30b-11号井声波测井曲线进行模型重构并基于Shapley Additive Explanations（SHAP）算法对XGBoost模型进行解释。【结论】结果表明，XGBoost在测试集上的R2和MSE分别为0.996、6.371优于SVR的0.990、15.755和RF的0.993、9.871，而传统多元线性回归方法则为0.969、48.895，表明XGBoost对声波时差曲线的重构具有更高的准确度和更好的泛化性能。本文创新性的采用SHAP算法对XGBoost黑箱模型进行解释，表明在模型构建选择重要特征时，XGBoost模型采用地层温度数据作为特征明显合理于多元线性回归方案采用的井径测井数据。最后基于SHAP对模型进行单点和全局特征交互解释。上述结果表明在声波测井曲线重构方面，机器学习算法明显优于传统的多元线性回归方法，并证明了SHAP算法在声波测井曲线重构机器学习模型解释方面的可行性，为后续机器学习在测井解释中的发展提供了新的思路。

关键词：测井曲线重构机器学习模型解释 SHAP

基于分布式光纤声传感火车噪声属性的车型识别及运行规律

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地球物理学报 2024年第7期67卷 2850-2862页

作者：郑兴鹏邢磊张汉羽徐团伟刘怀山吴时国中国海洋大学海底科学与探测技术教育部重点实验室山东青岛266100 海南省生态环境地质调查院海口570206 青岛市海洋地球物理勘探技术重点实验室山东青岛266100 中国科学院深海科学与工程研究所海南省海底资源与探测技术重点实验室海南三亚572000 中国科学院半导体研究所传感技术国家重点实验室北京100083

火车运行时产生强烈的移动噪声传播至地下空间,形成一种绿色环保、强能量的人工地震波.由于载荷系统形态基本固定,火车运行时间规律,震源重复性高,这种火车震源被广泛应用于轨道安全监测、近地表成像和城市地下空间探测等领域.分布式光... 详细信息

火车运行时产生强烈的移动噪声传播至地下空间,形成一种绿色环保、强能量的人工地震波.由于载荷系统形态基本固定,火车运行时间规律,震源重复性高,这种火车震源被广泛应用于轨道安全监测、近地表成像和城市地下空间探测等领域.分布式光纤声传感是一种新兴的地震采集技术,拥有密集采样、布设简单、抗电磁干扰能力强等优点,近年来在城市交通事件微震监测、裂隙探测和地下空间成像领域逐步应用.本研究基于分布式光纤声传感技术获得的秦皇岛试验场火车移动噪声数据,拾取了30个火车交通事件,开展火车噪声视速度、波形和频谱、能量时空变化的属性分析.结果表明:试验区光纤传感的火车噪声具有明显的属性差异,低速度重载荷的火车比高铁引起的地震振幅更大、能量更强,低速火车产生的噪声包含了丰富的低频信息;根据已知的视速度、振幅属性、时频属性,划分了4种类型的火车,并揭示了它们的进出站规律.本研究拓展了分布式光纤传感的应用场景,证明分布式光纤声传感有望应用于不同车型的通勤监测.

关键词：分布式光纤声传感火车震源交通事件噪声属性

基于差分结构的地面核磁共振数据噪声压制技术

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吉林大学学报（地球科学版） 2024年第1期54卷 46-53页

作者：张洋王美婷尚新磊地球信息探测仪器教育部重点实验室(吉林大学) 长春130026 吉林大学仪器科学与电气工程学院长春130026

地面核磁共振(surface nuclear magnetic resonance,SNMR)技术是一种可直接定性定量探测地下水的非侵害式地球物理方法,已广泛应用于资源勘探、地质灾害预警和环境检测等方面。但在实际应用中,复杂的环境噪声导致微弱的SNMR信号常常被淹... 详细信息

地面核磁共振(surface nuclear magnetic resonance,SNMR)技术是一种可直接定性定量探测地下水的非侵害式地球物理方法,已广泛应用于资源勘探、地质灾害预警和环境检测等方面。但在实际应用中,复杂的环境噪声导致微弱的SNMR信号常常被淹没,很难获取有效的SNMR信号。针对这一问题,本文提出了一种基于差分结构的SNMR数据噪声压制技术,采用两个接收线圈等距设置在发射线圈上下位置。这种分布可以实时抵消大部分环境噪声以及消除收发线圈耦合影响。理论建模和仿真结果验证了新方法能够有效压制噪声,并可靠获取到早期自由感应衰减(free induction decay,FID)信号。

关键词：地面核磁共振噪声压制 FID信号消除收发耦合

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法证军事地球物理：战场侦察与痕迹识别

地球物理学进展 2024年

作者：张栋葛良胜吕新彪王斌闫家盼杨煜坤任堃中国地质调查局地球物理调查中心中国地质调查局地球浅地表探测技术创新中心中国地质调查局自然资源综合调查指挥中心中国地质大学地质探测与评估教育部重点实验室中国地质大学高等研究院中国地质大学地球物理与空间信息学院

法证军事地球物理作为军事地球物理学在军事情报侦测研究领域的新分支，是在战场空间战术战斗等中小尺度军事活动涉及的场地点位内，运用地球物理方法对典型场景地下浅层空间进行高分辨率测量，直接查证可到达区的地质结构信息，类比推... 详细信息

法证军事地球物理作为军事地球物理学在军事情报侦测研究领域的新分支，是在战场空间战术战斗等中小尺度军事活动涉及的场地点位内，运用地球物理方法对典型场景地下浅层空间进行高分辨率测量，直接查证可到达区的地质结构信息，类比推断不可到达区相似探测目标的地球物理特征，解决陌生战场环境地质情报侦察识别问题的地球物理方法的统称。主要包括电法、电磁法、地震勘探和磁法等浅地表探测地球物理方法，应用于已知战场环境勘察和陌生战场情报识别的特定场景。法证军事地球物理方法应用的核心是相似、对比、快速、无损，以满足对战场隐匿物体的物理特征识别，其本质是对战场环境情报的证据约束。案例研究表明，电阻率法、面波勘探和探地雷达对浅地表军事活动遗留证据有良好的识别效果。提出多方法联合的法证军事地球物理适宜于动态变化的战场环境勘察取证，与地质方法的有效结合可提升军事情报侦测识别效力。法证地球物理学与军事地质学的交叉研究方向将促进军事地球物理学的理论创新与实践应用。

关键词：法证地球科学军事地球物理学军事地质学战场环境情报侦察识别

二氧化碳地质封存时延重力监测技术及发展前景

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地球物理学进展 2024年

作者：章月华刘彦吕庆田陈召曦中国地质科学院自然资源部深地科学与探测技术实验室中国地质大学(北京)地球物理与信息技术学院中国地质调查局中国地质科学院地球深部探测中心

全球变暖推动各国达成政治共识并采取一系列行动以积极应对气候变化。二氧化碳地质封存将捕获的二氧化碳注入封存地点并实现长期封存，注入的二氧化碳在压力和自身浮力的共同作用下容易通过废弃井筒及断层等潜在途径发生泄露。二氧化碳... 详细信息

全球变暖推动各国达成政治共识并采取一系列行动以积极应对气候变化。二氧化碳地质封存将捕获的二氧化碳注入封存地点并实现长期封存，注入的二氧化碳在压力和自身浮力的共同作用下容易通过废弃井筒及断层等潜在途径发生泄露。二氧化碳注入前后储层密度等物性参数的改变为重力监测技术奠定了理论依据，重力数据反演二氧化碳羽流分布有助于分析流体随时间的空间运移分布。本文从学术研究及项目实践两方面论述时延重力监测方法在二氧化碳地质封存领域的发展状况与应用潜力。随着重力观测仪器的不断升级、数据采集处理技术的不断革新和反演解释方法的不断进步，时延重力监测方法的应用前景也更加广阔。当前时延重力监测的发展需要抓住二氧化碳地质封存项目数量及规模持续扩大的机遇，封存前后地表及井中重力所得密度属性的组合可相互验证得到地下二氧化碳分布的有效信息，结合项目实际需求进一步综合运用多种地球物理方法是今后监测二氧化碳地质封存的发展趋势。

关键词：二氧化碳地质封存时延重力重力监测

青藏高原东构造结林芝地热田浅部典型电性结构及热储关系

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地质论评 2024年第2期70卷 577-590页

作者：李栋祝杰叶高峰金胜董浩魏文博中国地质大学(北京)地球物理与信息技术学院北京100083 中国地质调查局军民融合地质调查中心成都610036 陆内火山与地震教育部重点实验室(中国地质大学北京)北京100083

约40 Ma以来,受控于印度板块的俯冲及后期演化,青藏高原喜马拉雅山系东构造结成为了板块活动最强烈的地区之一;由于深部动力学过程中的浅表响应,该地区地热资源极为丰富。笔者等通过对两条音频大地电磁(AMT)测线进行数据处理与分析,查... 详细信息

约40 Ma以来,受控于印度板块的俯冲及后期演化,青藏高原喜马拉雅山系东构造结成为了板块活动最强烈的地区之一;由于深部动力学过程中的浅表响应,该地区地热资源极为丰富。笔者等通过对两条音频大地电磁(AMT)测线进行数据处理与分析,查明了测点覆盖区域范围内二维电性结构及主要存在的深大断裂。依据电性结构推测研究区地下1 km深度范围内可分为4层,浅部低阻层为松散砂泥卵石层,下伏的中阻为砾卵石层,其下的低阻为砂岩、板岩、页岩强风化层,最底部的中高阻层推测为古元古界林芝岩群真巴岩组以片岩、花岗岩为主的地层。结合以往大地电磁测深及地震研究发现的地下10~20 km存在大规模近东西向展布且向上延伸熔融流变导致的低速高导体,推测可能是该地区深部热源所在。进一步通过对深部及浅部电阻率模型的综合对比研究,基于地热地质背景、电性结构特征,探讨了该地区的深部热源及热储关系。

关键词：地热勘探音频大地电磁测深法青藏高原东构造结电性结构林芝地热田

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伪随机广域电磁法自动采集系统关键技术

中国有色金属学报 2024年第9期34卷 3178-3192页

作者：柳建新李成龙郭荣文蒋奇云中南大学地球科学与信息物理学院中南大学有色资源与地质灾害探查湖南省重点实验室中南大学有色金属成矿预测与地质环境监测教育部重点实验室

针对川藏铁路、西南山区等高海拔的勘探，急需一套自动采集电磁勘探系统。本文基于伪随机广域电磁法和自动控制技术，攻克了伪随机多频信号发送与接收相结合的自动控制的难题。首先根据2n伪随机序列信号，生成多频波可控信号源，并推导... 详细信息

针对川藏铁路、西南山区等高海拔的勘探，急需一套自动采集电磁勘探系统。本文基于伪随机广域电磁法和自动控制技术，攻克了伪随机多频信号发送与接收相结合的自动控制的难题。首先根据2n伪随机序列信号，生成多频波可控信号源，并推导了伪随机多频波信号的自动采集时间节点控制公式；接着设计了一套自动采集参数结构表和通信控制方法，用于实现在不同设备间的参数交互；最后在伪随机广域电磁法装备上编写自动采集控制核心算法，实现了伪随机广域电磁法自动采集系统。结果表明：通过实验测试，自动采集系统可以得到准确的时间域和频域数据，同时工作时间上节省20%，人力资源上可以节省71%。伪随机广域电磁法的自动采集功能实现了非技术人员介入的数据采集，可降低施工成本，提高勘探效率，尤其是在类似于川藏铁路的勘探中，可由登山队员或当地藏民携带仪器进行数据采集。

关键词：广域电磁法自动采集系统通信控制

应用AMT探测中国南方云南镇雄深部沉积型磷矿

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地球物理学进展 2024年

作者：张楠冯云磊梁生贤商国辉河北地质大学中国地质调查局成都地质调查中心(西南地质科技创新中心) 成都理工大学地球探测与信息技术教育部重点实验室定兴县睿晶仪器维修有限责任公司

磷在保障粮食安全和推动高科技产业发展中占据着重要地位，由于深部地质构造的复杂性，深部磷矿的地球物理勘探技术仍有探索和发展空间。本文以埋深达600余米的云南镇雄磷矿为例，详细介绍了音频大地电磁测深（AMT）数据采集、处理、定... 详细信息

磷在保障粮食安全和推动高科技产业发展中占据着重要地位，由于深部地质构造的复杂性，深部磷矿的地球物理勘探技术仍有探索和发展空间。本文以埋深达600余米的云南镇雄磷矿为例，详细介绍了音频大地电磁测深（AMT）数据采集、处理、定性分析与定量反演方法，以及通过AMT探测获取了测区1500米以浅的电性结构。结合物性特征和已施工钻孔发现，磷矿赋存地层具有显著的低电阻率特征。因此，我们将深部连续的低阻层作为寻找磷矿的关键标志层，并依据AMT探测结果在羊场背斜设计两口钻井。经验证，两口钻井均见厚大富磷矿体。表明在该区域及临近区域的沉积型磷矿勘探中，AMT结果可为勘探工作提供重要的依据。

关键词：磷块岩矿音频大地电磁测深中国南方羊场背斜

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基于地层变异性的大直径盾构隧道鲁棒性设计

湖南大学学报（自然科学版） 2024年第9期51卷 46-54页

作者：张冬梅李海云黄忠凯谭飞朱美恒杨光高俊华同济大学地下建筑与工程系上海200092 同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室上海200092 中国地质大学(武汉)工程学院湖北武汉430074 中交隧道工程局有限公司上海机场联络线项目部江苏南京211106

大直径盾构隧道面临着复杂地层带来的挑战,传统的设计方法往往选择钻孔揭示的最不利地层断面或者采用平均化的地层,无法准确反映掘进面临的真实地层情况.因此,利用现有钻孔勘察信息建立耦合马尔可夫链模型,确定盾构掘进过程中最可能穿... 详细信息

大直径盾构隧道面临着复杂地层带来的挑战,传统的设计方法往往选择钻孔揭示的最不利地层断面或者采用平均化的地层,无法准确反映掘进面临的真实地层情况.因此,利用现有钻孔勘察信息建立耦合马尔可夫链模型,确定盾构掘进过程中最可能穿越的典型地层断面.采用不同设计参数展开数值模拟,以盾构隧道收敛变形相关指标的标准差作为鲁棒性指标,提出了一种基于地层变异性的大直径盾构隧道鲁棒性设计方法.研究结果表明,耦合马尔可夫链模型的最典型断面为盾构隧道提供了更准确的地层条件,使得鲁棒性设计更具适用性.最后,对现阶段常用的地层设计方法进行了优化,确保掘进过程中地层选择更接近实际情况,在有效降低隧道建设成本的同时,使得隧道具备更好的鲁棒性.

关键词：地层变异性岩土参数变异性耦合马尔可夫链模型鲁棒性

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