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Modelado frontal e inverso de anomalías magnéticas
La modelización frontal e inversa de anomalías magnéticas sirve como base teórica fundamental en la exploración geofísica, ampliamente aplicada a la identificación de estructuras subterráneas y a la prospección de recursos. La modelización directa se basa en modelos geológicos subterráneos conocidos y utiliza leyes físicas para calcular las respuestas de anomalías magnéticas en puntos de observación, enfatizando la derivación de resultados a partir de causas conocidas. En cambio, la modelización inversa parte de datos observados de anomalías magnéticas e infiere los parámetros del modelo subsuperficial que dan lugar a estas anomalías, como la distribución de magnetización o la geometría estructural. Debido a la no linealidad y la naturaleza mal planteada de los campos geofísicos, los problemas inversos suelen sufrir de no unicidad e inestabilidad, requiriendo la incorporación de restricciones o información previa para lograr soluciones estables. El modelado directo e inverso constituyen juntos la base teórica para interpretar anomalías magnéticas, desempeñando un papel central en la construcción de modelos y la interpretación de datos. El proceso específico de modelado directo e inverso se ilustra en la Figura 1.

Figura 1: Diagrama esquemático de procesos de modelado directo e inverso. Esta figura ilustra el flujo de trabajo central del modelado hacia adelante e inverso de anomalías magnéticas. En el proceso directo, se utiliza un modelo geológico subsuperficial conocido como entrada, y los datos de anomalías magnéticas en puntos de observación se derivan basándose en leyes físicas. En el proceso inverso, los datos observados de anomalías magnéticas se introducen en una red neuronal convolucional (CNN) para inferir parámetros del modelo subsuperficial, como la distribución de magnetización y la geometría estructural. Por favor, haz clic aquí para ver una versión ampliada de esta figura.
Modelado frontal
El modelado frontal de anomalías magnéticas se utiliza principalmente para calcular la respuesta de modelos subsuperficiales dentro de un campo magnético. Este proceso se basa en la distribución asumida de la magnetización dentro de los cuerpos geológicos y obtiene datos de anomalías magnéticas en la superficie u otros puntos de observación mediante ecuaciones físicas. En la modelización directa, los datos de anomalías magnéticas corresponden a la intensidad de magnetización. Al comparar los resultados simulados con el modelo real de estructura subsuperficial, se puede evaluar la racionalidad del modelado hacia adelante, lo que a su vez ayuda a mejorar los algoritmos de inversión. El área de observación para la modelización frontal de anomalías magnéticas se ilustra en la Figura 2.

Figura 2: Diagrama esquemático de la simulación frontal de anomalías magnéticas. Esta figura presenta la disposición espacial de la región de observación utilizada en el modelado hacia adelante de anomalías magnéticas. Se indica el plano horizontal y la dirección del eje X, y el dominio subsuperficial se divide en múltiples unidades geológicas rectangulares. "Punto P" representa una ubicación de observación superficial. Este diagrama ofrece una explicación visual de la relación espacial física entre las celdas de la cuadrícula y los puntos de observación, apoyando así la interpretación teórica de la ecuación de modelado hacia adelante. Por favor, haz clic aquí para ver una versión ampliada de esta figura.
El espacio subsuperficial se divide en múltiples cuerpos geológicos cuadrados, siendo el punto P un punto de observación superficial. La ecuación de modelado directo de anomalías magnéticas describe la relación entre la intensidad de magnetización de los cuerpos geológicos y la anomalía magnética observada, como se muestra en la Ecuación (1):
(1)
Aquí, F denota la anomalía magnética, típicamente representada como un vector columna que contiene valores de múltiples puntos de observación. Gi es la matriz núcleo de anomalías magnéticas, donde cada elemento representa la contribución de la i-ésima celda de la cuadrícula al campo magnético en el punto de observación. Ki es la susceptibilidad magnética de la célula de la i-ésima rejilla, y Mi es su intensidad de magnetización. El cálculo de la matriz kernel depende generalmente de la relación espacial entre los puntos de observación y cada celda de la cuadrícula. Un enfoque comúnmente utilizado se basa en el modelo de dipolo magnético, como se muestra en la Ecuación (2):
(2)
Aquí, Gij representa la contribución del campo magnético desde la j-ésima celda de la rejilla hasta el i-ésimo punto de observación. μ denota la permeabilidad magnética del espacio libre. rj es el vector distancia desde la j-ésima celda de la cuadrícula hasta el i-ésimo punto de observación, y | rj | es la magnitud de esa distancia.
Preparación de datos
En este estudio, 101 puntos de observación estaban dispuestos linealmente a lo largo de una única línea de encuesta en la superficie, con un espaciamiento uniforme de 10 m y una altura de observación de 0,3 m. El subsuelo se discretizó en una cuadrícula de 20 × 40, con cada celda midiendo 25 m × 25 m, y los ángulos magnéticos de declinación e inclinación se establecieron en 90° y 60°, respectivamente. Para simular diferentes estructuras geológicas, se construyeron tres tipos de modelos sintéticos subterráneos, todos basados en la cuadrícula mencionada de 20 × 40. Los valores se asignaron secuencialmente de izquierda a derecha (columnas 1→40) y de arriba a abajo (filas 1→20): el modelo regular consistía en 3 × 3 cuerpos rectangulares de anomalías (por ejemplo, columnas 10-12, filas 5-7) con una magnetización fija de 5 A/m o 10 A/m; el modelo complejo contenía dos cuerpos de anomalías trapezoidales de diferentes tamaños (por ejemplo, un gran trapecio en las columnas 8-15, filas 4-8, y un pequeño trapecio en las columnas 20-25, filas 6-9) con magnetizaciones de 5 A/m o 10 A/m; el modelo aleatorio se generó seleccionando una celda central (por ejemplo, columna 20, fila 10) y realizando un recorrido aleatorio a lo largo de columnas y filas para crear una región anomalía de 13-16 celdas contiguas, con una magnetización global de 5 A/m o 10 A/m. Se definieron quince, veinte y treinta y dos estructuras base para los modelos regular, complejo y aleatorio, respectivamente, resultando en un total de 15 × 60 + 20 × 60 + 32 × 60 = 4020 muestras de entrenamiento. A cada modelo se le asignaron valores secuencialmente y sus datos correspondientes de anomalías magnéticas se generaron mediante modelado directo. El conjunto de datos resultante se dividió en conjuntos de entrenamiento y prueba con una relación de 8:2, que se utilizaron para entrenamiento de redes y evaluación del rendimiento, respectivamente. La configuración específica de modelado hacia adelante se ilustra en la Tabla 1.
| Modelo | Tamaño del modelo |
| Modelo Regular | 3×6, 4×4 |
| Modelo complejo | doble8×4, doble trapecio |
| Modelo aleatorio | Tamaño de paso de 13, modelo aleatorio de 16 |
Tabla 1: Configuración del modelo.
Arquitectura de red
Este estudio propone un modelo de inversión de anomalía magnética de extremo a extremo construido utilizando una red neuronal convolucional unidimensional (1D-CNN). El diseño arquitectónico está inspirado en el paradigma de "apilamiento convolucional profundo" de las redes VGG y se mejora aún más con un mecanismo de atención integrado. El objetivo es lograr un mapeo eficiente y preciso desde señales unidimensionales de anomalías magnéticas hasta la distribución bidimensional de magnetización subsuperficial. La red global consta de cinco componentes principales: entrada y adaptación de datos, columna vertebral de extracción de características, módulos de atención CBAM, aplanamiento de características y capas totalmente conectadas.
Capa de entrada y adaptación de datos
La capa de entrada recibe datos de anomalías magnéticas unidimensionales, con su dimensionalidad estrictamente definida por la configuración de observación. En el montaje de levantamiento sintético, se despliegan 101 puntos de observación en la superficie con un espaciamiento de 10 m y una elevación de 0,3 m. En consecuencia, la dimensión de entrada se define como 1 × 101, donde un solo canal representa 101 amplitudes de anomalías magnéticas correspondientes a los puntos de observación.
En el preprocesamiento de datos, se añade un 10% de ruido blanco gaussiano para emular perturbaciones observacionales realistas. Las señales se normalizan entonces al rango [0, 1] usando escalado Min-Max. Esta normalización alivia la inconsistencia dimensional, estabiliza la distribución de datos durante el entrenamiento y evita actualizaciones sesgadas de parámetros derivadas de discrepancias de magnitud.
Columna vertebral de extracción de características
La columna vertebral de extracción de características comprende 14 capas organizadas alrededor de módulos repetidos "Conv1d + BatchNorm + ReLU", intercaladas con operaciones de max-pooling para reducción de dimensionalidad y fusión de características a múltiples escalas. La columna vertebral se agrupa en cuatro etapas con profundidad de canal que aumenta progresivamente.
Etapa I (Extracción básica de características)
Esta etapa incluye tres capas (Capa 1-Capa 3), que producen mapas de características de 64 canales.
Capa 1: Una capa Conv1d con tamaño kernel 3 (canales 1→64), seguida de normalización por lotes y ReLU. Tamaño de entrada: 1×101; Salida: 64 × 101.
Capa 2: Misma configuración (64→64).
Capa 3: MaxPooling1d con tamaño de núcleo 2, reduciendo la longitud de características de 101 a 50, produciendo 64×50 mapas de características.
Etapa II (Extracción de características a escala media)
Esta etapa contiene cuatro capas (Capa 4-Capa 7), que generan 128 canales.
Capa 4-Capa5: capas Conv1d que aumentan los canales de 64 a 128; Tamaño de salida: 128 × 50.
Capa 6: Un módulo CBAM (véase la Sección 3).
Capa 7: MaxPooling1d reduciendo la longitud de las características a 25, dando 128 × 25 mapas.
Etapa III (Representación de características complejas)
Esta etapa también contiene cuatro capas (Capa 8-Capa 11), produciendo 256 canales.
Layer8-Layer9: Capas Conv1d que aumentan los canales de 128 a 256, salida: 256 × 25.
Capa 10: Un segundo módulo CBAM.
Capa 11: MaxPooling1d reduciendo la longitud a 12, generando 256 × 12 mapas.
Etapa IV (Refinamiento profundo de características)
Esta etapa incluye tres capas (Capa 12-Capa 14), que generan 512 canales.
Capa 12-Capa 13: Capas Conv1d que aumentan los canales de 256 a 512.
Capa 14: La agrupación final reduce la longitud de las características de 12 a 6, produciendo la representación profunda de 512 × 6.
Módulos de atención CBAM
El Módulo de Atención de Bloques Convolucionales (CBAM) está estratégicamente integrado tras la etapa de 128 canales (Capa 6) y la etapa de 256 canales (Capa 10). Mejora la capacidad de la red para centrarse en características clave relacionadas con anomalías mediante mecanismos de atención de canales y espaciales.
Submódulo de atención de canal
El agrupamiento global de máximo y el global de promedio se aplican al mapa de características de entrada para producir dos descriptores de canal unidimensionales. Tras la concatenación, los descriptores pasan a través de una capa totalmente conectada con 32 neuronas (activación ReLU), seguida de otra capa totalmente conectada que genera los pesos de atención canalizados. Estos pesos modulan las características de entrada mediante multiplicación elemental por elemento, amplificando canales que contribuyen significativamente a la inversión de anomalías magnéticas.
Submódulo de atención espacial
Para el mapa de características refinado por canales, se realiza agrupación de medias canal-hie, seguida de una convolución 1D con tamaño de núcleo 3 para generar los pesos de atención espacial. La multiplicación elemento por elemento con el mapa de características de entrada permite al modelo enfatizar selectivamente regiones espaciales relevantes para anomalías magnéticas mientras suprime eficazmente el ruido.
Aplanamiento de características y capas totalmente conectadas
Este módulo mapea las características profundas extraídas al dominio final de predicción.
Aplanamiento de características (Capa15): Convierte el mapa de características 512×6 en un vector de características de 3.072 dimensiones.
Capa 1 totalmente conectada (Capa 16): Consiste en 1.024 neuronas con activación de ReLU y regularización por Dropout para mitigar el sobreajuste. Esta capa integra características de alto nivel y las proyecta en un espacio de regresión orientado a la magnetización.
Capa de salida (Capa 17): Contiene 800 neuronas correspondientes a la cuadrícula subsuperficial discretizada 20×40. Genera un vector de 800 dimensiones que representa la intensidad estimada de magnetización de cada celda de la cuadrícula, completando así el mapeo de inversión de extremo a extremo.
Hiperparámetros de entrenamiento
Para asegurar un entrenamiento estable y óptimo, se utilizan los siguientes hiperparámetros: el optimizador Adam con una tasa de aprendizaje inicial de 0,001; tamaño del lote de 32 personas; y un total de 2.000 épocas de entrenamiento. Los parámetros de peso de todas las capas Conv1d y totalmente conexas se inicializan usando la distribución normal de He, y todos los términos de polarización se inicializan a cero.
Los parámetros detallados de la red se enumeran en la Tabla 2.
| Capa | Tipo de operación | Tamaño de entrada | Tamaño de salida | Tamaño del núcleo/pool | Canales (entrada→salida) |
| 1 | Conv1d + BatchNorm + ReLU | 1×101 | 64×101 | 3 | 1 → 64 |
| 2 | Conv1d + BatchNorm + ReLU | 64×101 | 64×101 | 3 | 64 → 64 |
| 3 | MaxPooling1d | 64×101 | 64×50 | 2 | |
| 4 | Conv1d + BatchNorm + ReLU | 64×50 | 128×50 | 3 | 64 → 128 |
| 5 | Conv1d + BatchNorm + ReLU | 128×50 | 128×50 | 3 | 128 → 128 |
| 6 | Módulo CBAM | 128×50 | 128×50 | | |
| 7 | MaxPooling1d | 128×50 | 128×25 | 2 | |
| 8 | Conv1d + BatchNorm + ReLU | 128×25 | 256×25 | 3 | 128 → 256 |
| 9 | Conv1d + BatchNorm + ReLU | 256×25 | 256×25 | 3 | 256 → 256 |
| 10 | Módulo CBAM | 256×25 | 256×25 | | |
| 11 | MaxPooling1d | 256×25 | 256×12 | | |
| 12 | Conv1d + BatchNorm + ReLU | 256×12 | 512×12 | 3 | 256 → 512 |
| 13 | Conv1d + BatchNorm + ReLU | 512×12 | 512×12 | 3 | 512 → 512 |
| 14 | MaxPooling1d | 512×12 | 512×6 | | |
| 15 | Aplanar | 512×6 | 3072×1 | | |
| 16 | Totalmente conectado + ReLU + Caída | 3072×1 | 1024×1 | | 3072 → 1024 |
| 17 | Totalmente conectado (salida) | 1024×1 | 800×1 | | 1024 → 800 |
Tabla 2: Configuración de la arquitectura de red.
Función de pérdida
La esencia de la inversión de anomalías magnéticas radica en "inferir el modelo subsuperficial (causa) a partir de los datos observados (efecto)". Sin embargo, este proceso es inherentemente no lineal y no único. En consecuencia, una red entrenada únicamente mediante pérdidas convencionales de ajuste de datos puede dar lugar a modelos de magnetización que sean numéricamente cercanos a la verdad fundamental, pero físicamente poco plausibles. Para abordar este problema, la función de pérdida en este estudio está diseñada para lograr simultáneamente dos objetivos: (1) asegurar la concordancia numérica entre los parámetros de magnetización predichos y los verdaderos (ajuste de datos), y (2) reforzar la consistencia física para que los resultados predichos obedezcan las leyes que rigen el modelado magnético hacia adelante (restricción física).
En consecuencia, la función de pérdida está compuesta explícitamente por dos componentes:
Término de desajuste de datos: Se utiliza un término de error cuadrático medio (MSE) para cuantificar la discrepancia entre los parámetros de magnetización subsuperficial predichos y los verdaderos, asegurando la capacidad fundamental de ajuste de datos de la red.
Término de restricción de consistencia física: derivado del modelado hacia adelante del dipolo magnético, este término mide la diferencia entre la anomalía magnética teórica generada por la magnetización predicha y la anomalía magnética observada. Garantiza que el modelo predicho se adhiera a principios geofísicos.
Los dos componentes se combinan mediante integración ponderada para formar la pérdida total, estableciendo un bucle cerrado de "ajuste de datos + validación física" y evitando efectivamente los inconvenientes asociados al uso de un solo término de pérdida.
Pérdida por error cuadrático medio
La pérdida de MSE mide la discrepancia entre las predicciones del modelo y los valores de la verdad fundamental. Calcula la media de las diferencias al cuadrado entre los valores predichos y verdaderos, cuantificando el error en cada tarea de predicción. Para cada rama (anomalía gravitatoria y anomalía magnética), la pérdida de MSE se calcula por separado, representando el error del modelo en esa tarea específica. La función de pérdida por error cuadrático medio se expresa como la ecuación (3):
(3)
Pérdida por restricciones basada en física
Para evitar que la inversión de anomalías magnéticas produzca resultados que sean "numéricamente cercanos a los valores reales pero físicamente inviables" cuando se basa únicamente en la MSE, este estudio introduce una restricción de consistencia física basada en el modelo de dipolo magnético hacia adelante en la función de pérdida. Los parámetros predichos de magnetización subsuperficial se mapean a través de la matriz del núcleo hacia adelante para calcular las correspondientes anomalías magnéticas teóricas, que luego se comparan con los datos observados para evaluar directamente la plausibilidad física de los resultados de inversión. Esta restricción penaliza eficazmente las predicciones que, aunque numéricamente cercanas a los valores reales, no logran reproducir las anomalías observadas cuando se modelan hacia adelante, guiando a la red para aprender el mapeo físicamente consistente de "magnetización subsuperficial → anomalías magnéticas superficiales". Para optimizar conjuntamente la precisión numérica y la consistencia física, la función de pérdida total combina la pérdida de datos de MSE con la restricción de consistencia física de manera ponderada, asegurando que el modelo no solo minimice la diferencia entre los valores predichos y verdaderos de magnetización, sino que también produzca resultados físicamente consistentes con las observaciones. A través de este mecanismo integrado, la restricción de consistencia física desempeña un papel crucial en la supresión de los efectos de ruido, mitigar los problemas de no unicidad, mejorar la estabilidad y generalización de la inversión y, en última instancia, garantizar que las distribuciones de magnetización previstas sean geofísicamente correctas y aplicables en la práctica. La función de pérdida por restricción basada en física se expresa como Ecuación (4):
(4)
La función de pérdida final es una suma ponderada de las funciones de pérdida para anomalías gravitatorias y anomalías magnéticas, con cada función de pérdida comprendiendo tanto la pérdida MSE como la pérdida por restricción basada en física. La función de pérdida total se expresa como Ecuación (5):
(5)
Aquí, ylverdadero denota los datos verdaderos de anomalías magnéticas, predl representa la anomalía magnética predicha del modelo, y Amat es la matriz del núcleo del campo magnético.