研究生院大地電磁測深原理及應(yīng)用.ppt

大地電磁測深原理及應(yīng)用介紹,陳小斌 2009年12月23日,主要內(nèi)容,一、大地電磁測深的簡單介紹 二、大地電磁測深的基本原理 三、大地電磁測深的應(yīng)用情況 四、當(dāng)前存在的問題和主要研究熱點,大地電磁測深的簡單介紹,大地電磁測深法（Magnetotelluric, MT）是以天然電磁場為場源來研究地球內(nèi)部電性結(jié)構(gòu)的一種重要的地球物理手段。其基本原理是：依據(jù)不同頻率的電磁波在導(dǎo)電煤質(zhì)中具有不同趨膚深度的原理，在地表測量由高頻至低頻的地球電磁響應(yīng)序列，經(jīng)過相關(guān)的資料處理來獲得大地由淺至深的電性結(jié)構(gòu)。 研究對象：地球內(nèi)部的電性結(jié)構(gòu)（電導(dǎo)率結(jié)構(gòu)） 物理原理：宏觀電磁理論（有耗媒質(zhì)中的低頻電磁波理論）,大地電磁測深的發(fā)展情況,吉洪諾夫（蘇聯(lián)，1950），卡尼爾（法國人，1953） 從儀器采集系統(tǒng)和資料處理和管理方式，可將MT分為三個發(fā)展階段： 手工量板階段：五六十年代，起步階段。模擬信號、標(biāo)量阻抗 、手工對量板法 ； 數(shù)字化階段：70今天。數(shù)字信號，張量阻抗，計算機自動正反演技術(shù)；新的觀測方式：遠(yuǎn)參考道、EMAP等；新的資料處理方式：Robust方法、張量分解方法等； 可視化階段：正在興起。國外：Geotools、WinGLink；國內(nèi)有多家，但未能形成規(guī)?；茝V。 從理論研究對象的復(fù)雜性程度，也可分為三個發(fā)展階段：一維，五十年代八十年代；二維，九十年代今天；三維，正在興起,大地電磁測深的優(yōu)缺點,優(yōu)點 不受高阻層屏蔽、對高導(dǎo)層分辨能力強； 橫向分辨能力較強； 資料處理與解釋技術(shù)成熟； 勘探深度大、勘探費用低、施工方便； 缺點 體積效應(yīng)，反演的非唯一性較強（跟地震方法相比） 縱向分辨能力隨著深度的增加而迅速減弱,大地電磁測深的理論基礎(chǔ),1、正演問題 2、反演問題 3、實際資料的采集和處理,大地電磁測深法（MT）是以天然電磁場為場源來研究地球內(nèi)部電性結(jié)構(gòu)的一種重要的地球物理手段。其基本原理是：依據(jù)不同頻率的電磁波在導(dǎo)體中具有不同趨膚深度的原理，在地表測量由高頻至低頻的地球電磁響應(yīng)序列，經(jīng)過相關(guān)的數(shù)據(jù)處理和分析來獲得大地由淺至深的電性結(jié)構(gòu)。,10,電磁法探測地下結(jié)構(gòu)的原理示意圖,EM波在地面垂直入射到地球內(nèi)部，在地球表面測量由地下介質(zhì)感應(yīng)生成的電場和磁場各分量，分析和研究可得到地下介質(zhì)的信息。,WEM信號,目標(biāo),在每個測點, 記錄3分量磁場 Hx, Hy, Hz 和2電場Ex, Ey ，得到反應(yīng)地下信息的電磁傳輸函數(shù)，對其反演得到地下介質(zhì)的電導(dǎo)率結(jié)構(gòu)信息。,為什么能夠測深？感性認(rèn)識,為什么能夠測深？感性認(rèn)識,為什么能夠測深？感性認(rèn)識,1、正演問題,正演指的是什么？,正演指的是對于一個給定的模型，在一定激發(fā)源的作用下，根據(jù)一定的物理原理求其響應(yīng)的過程； 在地球物理中，正演一般對應(yīng)于求解一數(shù)理模型的邊值或初值問題； 在大地電磁測深中，正演問題是，假設(shè)大地的電性結(jié)構(gòu)已知，當(dāng)均勻平面電磁波垂直入射到大地表面時，求在地表產(chǎn)生的電磁響應(yīng)。,大地電磁測深正演,關(guān)于場源,MT中假設(shè)場源可視為自高空垂直入射到地表的均勻平面電磁波。 地球空間的電磁場主要由兩部分組成：相對穩(wěn)定的地球基本磁場和變化的外來感應(yīng)電磁場。 MT中利用的是地球電磁場中變化的部分，即外來的感應(yīng)電磁場。 外來的感應(yīng)電磁場場源：電離層的運動、太陽風(fēng)、雷電、工業(yè)用電等。 MT中有效的場源：電離層電流的定向流動或小規(guī)模的擾動、太陽風(fēng)、遠(yuǎn)距離的雷電和工業(yè)用電等。,頻率域電磁場方程,取時諧因子為 ，即場可以表示為： 對于某一個頻率，麥克斯韋方程為： 由此可得兩個矢量波方程 其通解為,關(guān)于研究對象：地球的電性結(jié)構(gòu),一般情況下，磁導(dǎo)率和介電常數(shù)取為真空中值，即： 因此，大地電磁測深的探測對象為地球的電導(dǎo)率結(jié)構(gòu)。 由簡單到復(fù)雜，地球的電導(dǎo)率結(jié)構(gòu)可以視為一維結(jié)構(gòu)、二維結(jié)構(gòu)和三維結(jié)構(gòu)，對應(yīng)的理論研究也有一維問題、二維問題和三維問題。,一維正演：均勻半空間問題,假設(shè)場源的是沿著x方向極化的電性源（TE模式），由于地質(zhì)模型不存在橫向的變化，因此，感應(yīng)的二次場只存在Hy和Ex分量，即總的電磁場可表示為：,此時矢量波動方程退化為：,其解為 ：,則阻抗為 ：,同理可得TM模式下的阻抗為：,一維正演：關(guān)于場源的垂直入射,當(dāng)平面電磁波在空氣中的傳播方向與地面法線方向成角時，因為空氣中電導(dǎo)率為零，故有：,在地表，電磁場的切向分量連續(xù)，故要求：,因為地球內(nèi)部，傳導(dǎo)電流遠(yuǎn)大于位移電流，從而：,故均勻平面電磁波不管以什么角度自空中入射到地面，其阻抗均為：,視電阻率和阻抗相位的定義,在均勻半空間下，我們已經(jīng)得到：,可以求得電阻率為：,在一般情況下，以上兩式并不能獲得真正的電阻率，這時求得的量稱為視電阻率，并把阻抗的幅角稱為阻抗相位,一維正演：層狀介質(zhì)模型,源 信 號,阻抗的遞推公式,視電阻率和相位,四種典型的三層模型曲線：K、H,K形曲線,H形曲線,四種典型的三層模型曲線：A、Q,A形曲線,Q形曲線,一維正演：連續(xù)介質(zhì)模型,源 信 號,一維正演：連續(xù)介質(zhì)模型,源 信 號,阻抗定義的推廣：張量阻抗和傾子矢量,在一維情況下：,在一般情況下，磁場Hy不僅與Ex而且可能同Ey也有關(guān)，對于磁場Hx也一樣。這時，電場與磁場的關(guān)系用下式表示：,阻抗張量,此外，關(guān)于垂直磁場有定義：,傾子矢量,二維和三維模型問題,源 信 號,源 信 號,TE模式 （Ex，Hy，Hz）,TM模式 （Hx，Ey，Ez）,二維情況下大地電磁曲線極化模式劃分,二維正演：邊值問題,在二維情況下，根據(jù)麥克斯韋方程，電磁場可以解耦成兩組獨立的場:TE極化模式(Ex, Hy, Hz )、TM極化模式 (Hx, Ey, Ez )。因此，二維大地電磁問題轉(zhuǎn)化為求解兩種極化模式下的標(biāo)量微分方程的邊值問題。,TM模式：,TE模式：,二維正演計算的簡單實例,TE模式,TM模式,視電阻率分布,二維正演的簡單算例,TE模式,TM模式,阻抗相位分布,復(fù)雜模型的正演結(jié)果,三維正演：邊值問題,在三維情況下，電磁場不能解耦成兩組獨立的場，這時必須直接求解矢量波方程。,以上方程包含了一個隱含條件：求解域的電阻率是分塊均勻的。,2、反演問題,如何理解反演？,反演是指根據(jù)實測的數(shù)據(jù)來反推產(chǎn)生這些數(shù)據(jù)的系統(tǒng)內(nèi)在信息的一種數(shù)學(xué)物理過程。 反演的兩個基本條件：實測的數(shù)據(jù)和一個先驗?zāi)Ｐ拖到y(tǒng)。 通常的最小二乘多項式擬合就可以看成是一個反演過程。參與擬合的數(shù)據(jù)就是反演中實測的數(shù)據(jù)，“多項式”這種函數(shù)形式就是“先驗?zāi)Ｐ拖到y(tǒng)”。,二維正演計算的簡單實例,TE模式,TM模式,視電阻率分布,二維正演的簡單算例,TE模式,TM模式,阻抗相位分布,復(fù)雜模型的正演結(jié)果,如何理解反演？,對于大地電磁測深而言，“實測的數(shù)據(jù)”就是在地表實測的視電阻率、相位等數(shù)據(jù)；“先驗?zāi)Ｐ拖到y(tǒng)”是對地球電導(dǎo)率模型的假設(shè)（一維、二維還是三維？），以及在此假設(shè)基礎(chǔ)上的正演實現(xiàn)過程。更明確的說，這里的“先驗?zāi)Ｐ拖到y(tǒng)”就是指的是“一維正演”過程、“二維正演”過程或“三維正演”過程。 對于大地電磁測深而言，所謂待反演的“系統(tǒng)內(nèi)在信息”指的就是電導(dǎo)率結(jié)構(gòu)。 因此，大地電磁測深反演就是根據(jù)地表實測的視電阻率、相位等數(shù)據(jù)來求取大地深部電導(dǎo)率結(jié)構(gòu)的過程，該電導(dǎo)率結(jié)構(gòu)的正演響應(yīng)能極好地擬合視電阻率、相位等實測數(shù)據(jù)。,反演問題和反演方法的分類,反演問題主要分兩類：線性問題和非線性問題。大地電磁測深反演屬于非線性反演問題。 反演方法也有線性反演和非線性反演之分。 線性反演方法是針對線性反演問題發(fā)展起來的，但也被廣泛應(yīng)用于解決非線性問題，這時稱為非線性問題的線化反演。在非線性問題的線化反演中，首先需要將非線性問題線性化，這是這一技術(shù)的最為關(guān)鍵之處。 非線性反演方法是直接針對非線性反演問題的。其共同的基礎(chǔ)是采用一些啟發(fā)式搜索技巧來尋找合適的反演模型，如遺傳算法、模擬退火、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。,正則化反演方法介紹,反演的非唯一性。由于實測數(shù)據(jù)的不充足或者正演本身的等值性，一套觀測數(shù)據(jù)可能有多個模型都能擬合得很好，這就是反演的非唯一性。 正則化反演就是在原有的反演基本條件上再附加一個條件：先驗的模型約束條件，以此來減少反演結(jié)果的非唯一性。 構(gòu)建先驗的模型約束條件有多種方式，最常采用的是模型的某種光滑程度。這時，如果一套觀測數(shù)據(jù)有多個模型都能擬合得很好，那么其中最光滑的那個模型作為反演的最后結(jié)果模型。 正則化反演既可以是非線性反演也可以是線化反演。 目前MT中絕大多數(shù)應(yīng)用廣泛的反演方法都屬于正則化反演方法，尤其是高維反演。,正則化反演的基本原理,總目標(biāo)函數(shù),數(shù)據(jù)目標(biāo)函數(shù),模型約束目標(biāo)函數(shù)：,最簡單模型,最平緩模型,最光滑模型,地球物理反演問題,MT中常用的反演算法,BOSTICK（1d, 近似反演方法） 廣義逆方法（1d） 馬夸特法（主要是一維，最簡單模型約束，正則化反演） OCCAM反演方法（1d, 2d，最平緩模型約束，正則化反演） 非線性共軛梯度法反演（NLCG，2d, 最光滑模型約束，正則化反演） 快速松弛法反演（RRI，2d, 最光滑模型約束，正則化反演） 減基OCCAM反演算法（REBOCC，2d, 最平緩模型約束，正則化反演）,一維理論模型的反演對比,3、實際資料的采集和處理,大地電磁觀測方式示意圖,Ex,Hy,Ey,Hx,Hz,主要儀器觀測系統(tǒng),7080年代，主要使用國產(chǎn)儀器；90年代以來，逐漸進口國外儀器，目前已全面被進口儀器所取代。 當(dāng)前主要儀器系統(tǒng)： 加拿大鳳凰公司的V5-2000、V8等 德國Metronix公司的GMS-06、GMS-07等 美國的EM24（？）等,實際資料的處理和反演解釋,資料處理： 時間序列處理部分。將時間域觀測的信號轉(zhuǎn)換到頻率域，生成功率譜文件； 以功率譜文件為基礎(chǔ)，計算阻抗張量、傾子矢量、視電阻率、相位、二維特征量等各種MT參數(shù)，進行畸變分析和校正等； 反演解釋 資料的定性解釋 一維、二維反演 地質(zhì)解釋和結(jié)果成圖,AMT/MT數(shù)據(jù)處理流程圖,某地區(qū)實測的MT視電阻率和相位曲線,大地電磁測深的應(yīng)用,巖石的電導(dǎo)率及其與地震和地下資源的關(guān)系,地震,地震引起的視電阻率幅度的變化,五大連池火山區(qū)電性結(jié)構(gòu) 的三維成象圖,長白山火山區(qū)NE測線的 二維反演結(jié)果,長白山火山區(qū)電性結(jié)構(gòu) 的三維成象圖,青藏高原東北緣的大地電磁探測,吉林地?zé)崽锾綔y的二維反演結(jié)果,存在的問題和我的一些研究,存在的一些問題及初步的研究,高速度高精度的三維正反演問題 畸變問題和靜位移問題 二維反演中極化模式選取的問題 地形影響問題 反演結(jié)果的有效深度問題 反演結(jié)果的非唯一性問題 可視化集成系統(tǒng)的開發(fā) 應(yīng)用問題：怎么與大陸動力學(xué)直接結(jié)合起來？,野外實際地電結(jié)構(gòu)一般是三維的！,實測數(shù)據(jù)二維反演結(jié)果,二維反演中數(shù)據(jù)極化模式的選擇,(蔡軍濤，陳小斌，趙國澤，未發(fā)表）,異常體沿走向X的延伸是變化的，分別取4、6、8、10、20、40km,二維反演結(jié)果的比較,2.地形的影響,（未發(fā)表）,純地形模型,反演網(wǎng)格對地形的擬合,TE和TM的互換,反演結(jié)果的有效深度 復(fù)雜模型趨膚深度的計算,（未發(fā)表）,反演結(jié)果的有效深度：剖面長度的影響,（楊靜、陳小斌、趙國澤，中國地球物理年刊，2009）,反演結(jié)果的非唯一性分析,可視化集成系統(tǒng)的開發(fā),可視化集成系統(tǒng)的開發(fā),汶川地震初步的動力學(xué)模型,前山斷裂,中央斷裂,后山斷裂,岷江斷裂,龍日壩斷裂,謝謝大家！,橫電波橫磁波：場的極化模式,橫電波（TE模式） ：垂直于傳播方向的場分量只有電場； 橫磁波（TM模式） ：垂直于傳播方向的場