大地電磁測(cè)深原理及應(yīng)用

1、大地電磁測(cè)深原理及應(yīng)用介紹大地電磁測(cè)深原理及應(yīng)用介紹 主要內(nèi)容主要內(nèi)容 一、大地電磁測(cè)深的簡(jiǎn)單介紹一、大地電磁測(cè)深的簡(jiǎn)單介紹 二、二、大地電磁測(cè)深的基本原理大地電磁測(cè)深的基本原理 三、三、大地電磁測(cè)深的應(yīng)用情況大地電磁測(cè)深的應(yīng)用情況 四、當(dāng)前存在的問題和主要研究熱點(diǎn)四、當(dāng)前存在的問題和主要研究熱點(diǎn) 大地電磁測(cè)深大地電磁測(cè)深 的簡(jiǎn)單介紹的簡(jiǎn)單介紹 大地電磁測(cè)深法（大地電磁測(cè)深法（Magnetotelluric, , MT）是以）是以 天然電磁場(chǎng)為場(chǎng)源來研究地球內(nèi)部電性結(jié)構(gòu)的一天然電磁場(chǎng)為場(chǎng)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。種重要的地球物理手段。其其基本原理是：依據(jù)不基本原理是：

2、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(cè)量由高頻至低頻的地球電磁響的原理，在地表測(cè)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)。深的電性結(jié)構(gòu)。 研究對(duì)象：地球內(nèi)部的電性結(jié)構(gòu)（研究對(duì)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（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(cè)深的發(fā)展情況大地電磁測(cè)深的發(fā)展情況 吉洪諾夫（蘇聯(lián)，吉洪諾夫（蘇聯(lián)，19501950），卡尼爾（法國(guó)人，），卡尼爾（法國(guó)人，19531953

3、） 從儀器采集系統(tǒng)和資料處理和管理方式，可將從儀器采集系統(tǒng)和資料處理和管理方式，可將MTMT分為分為三個(gè)發(fā)展階段： 手工量板階段：五六十年代，起步階段。模擬信號(hào)、標(biāo)量阻抗 、手工 對(duì)量板法 ； 數(shù)字化階段：70今天。數(shù)字信號(hào)，張量阻抗，計(jì)算機(jī)自動(dòng)正反演技 術(shù)；新的觀測(cè)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(guó)外：Geotools、WinGLink；國(guó)內(nèi)有多 家，但未能形成規(guī)?；茝V。 從理論研究對(duì)象的復(fù)雜性程度，也可分為三個(gè)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(cè)深的優(yōu)缺點(diǎn)大地電磁測(cè)深的

4、優(yōu)缺點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn) 不受高阻層屏蔽、對(duì)高導(dǎo)層分辨能力強(qiáng)；不受高阻層屏蔽、對(duì)高導(dǎo)層分辨能力強(qiáng)； 橫向分辨能力較強(qiáng)；橫向分辨能力較強(qiáng)； 資料處理與解釋技術(shù)成熟；資料處理與解釋技術(shù)成熟； 勘探深度大、勘探費(fèi)用低、施工方便；勘探深度大、勘探費(fèi)用低、施工方便； 缺點(diǎn) 體積效應(yīng)，反演的非唯一性較強(qiáng)（跟地震方法相比）體積效應(yīng)，反演的非唯一性較強(qiáng)（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縱向分辨能力隨著深度的增加而迅速減弱 大地電磁測(cè)深的理論基大地電磁測(cè)深的理論基 礎(chǔ)礎(chǔ) 1、正演問題 2、反演問題 3、實(shí)際資料的采集和處理 大地電磁測(cè)深法（大地電磁測(cè)深法（MT）是以）是以天然電磁場(chǎng)天然電磁場(chǎng)為場(chǎng)源來研

5、究地球內(nèi)部為場(chǎng)源來研究地球內(nèi)部電性結(jié)構(gòu)電性結(jié)構(gòu)的一種重的一種重 要的地球物理手段。要的地球物理手段。其基本原理是：依據(jù)不同基本原理是：依據(jù)不同頻率頻率的電磁波在導(dǎo)體中具有不同的電磁波在導(dǎo)體中具有不同趨膚趨膚 深度深度的原理，在地表測(cè)量由的原理，在地表測(cè)量由高頻至低頻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 和分析來獲得大地和分析來獲得大地由淺至深由淺至深的電性結(jié)構(gòu)。的電性結(jié)構(gòu)。 10 電磁法探測(cè)地下結(jié)構(gòu)的原理示意電磁法探測(cè)地下結(jié)構(gòu)的原理示意 圖圖 EMEM波在地面垂直入射到地球內(nèi)部，波在地面垂直入射到地球內(nèi)部， 在地球表面測(cè)量由地下介質(zhì)感應(yīng)在地球表

6、面測(cè)量由地下介質(zhì)感應(yīng) 生成的電場(chǎng)和磁場(chǎng)各分量，分析生成的電場(chǎng)和磁場(chǎng)各分量，分析 和研究可得到地下介質(zhì)的信息。和研究可得到地下介質(zhì)的信息。 WEM信號(hào)信號(hào) 目標(biāo)目標(biāo) 地面電磁場(chǎng)觀測(cè)方式地面電磁場(chǎng)觀測(cè)方式 (Ey) (Hy) (Hx) (Hz) (Ex) 在每個(gè)測(cè)點(diǎn)在每個(gè)測(cè)點(diǎn), 記錄記錄3分量磁場(chǎng)分量磁場(chǎng) Hx, Hy, Hz 和和2電場(chǎng)電場(chǎng)Ex, Ey ，得到反應(yīng)地下信息的電，得到反應(yīng)地下信息的電 磁傳輸函數(shù)，對(duì)其反演得到地下介質(zhì)的電磁傳輸函數(shù)，對(duì)其反演得到地下介質(zhì)的電 導(dǎo)率結(jié)構(gòu)信息。導(dǎo)率結(jié)構(gòu)信息。 為什么能夠測(cè)深？為什么能夠測(cè)深？感性認(rèn)識(shí)感性認(rèn)識(shí) 110100100010000 Resisti

7、vity / m 1001010.1 Depth / km 101001000 Apparent Resistivity / m 1E-0050.00010.0010.010.11101001000 Frequency / Hz 為什么能夠測(cè)深？為什么能夠測(cè)深？感性認(rèn)識(shí)感性認(rèn)識(shí) 110100100010000 Resistivity / m 1001010.1 Depth / km 101001000 Apparent Resistivity / m 1E-0050.00010.0010.010.11101001000 Frequency / Hz 為什么能夠測(cè)深？為什么能夠測(cè)深？感性認(rèn)識(shí)感性

8、認(rèn)識(shí) 101001000 Apparent Resistivity / m 1E-0050.00010.0010.010.11101001000 Frequency / Hz 110100100010000 Resistivity / m 1001010.1 Depth / km 1 1、正演問題、正演問題 正演指的是什么？正演指的是什么？ 正演指的是對(duì)于一個(gè)給定的模型，在一定激發(fā)正演指的是對(duì)于一個(gè)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)的源的作用下，根據(jù)一定的物理原理求其響應(yīng)的 過程；過程； 在地球物理中，正演一般對(duì)應(yīng)于求解一數(shù)理模在地球物理中，正演一般對(duì)應(yīng)于求解一數(shù)理

9、模 型的邊值或初值問題；型的邊值或初值問題； 在大地電磁測(cè)深中，正演問題是，假設(shè)大地的在大地電磁測(cè)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(shí)，求在地表產(chǎn)生的電磁響應(yīng)。大地表面時(shí)，求在地表產(chǎn)生的電磁響應(yīng)。 大地電磁測(cè)深正演大地電磁測(cè)深正演 關(guān)于場(chǎng)源關(guān)于場(chǎng)源 MT中假設(shè)場(chǎng)源可視為自高空中假設(shè)場(chǎng)源可視為自高空垂直入射垂直入射到地表的到地表的 均勻平面均勻平面電磁波。電磁波。 地球空間的電磁場(chǎng)主要由兩部分組成：相對(duì)穩(wěn)定地球空間的電磁場(chǎng)主要由兩部分組成：相對(duì)穩(wěn)定 的地球基本磁場(chǎng)和變化的外來感應(yīng)電磁場(chǎng)。的地球基本磁場(chǎng)和變化的外

10、來感應(yīng)電磁場(chǎng)。 MT中利用的是地球電磁場(chǎng)中變化的部分，即外中利用的是地球電磁場(chǎng)中變化的部分，即外 來的感應(yīng)電磁場(chǎng)。來的感應(yīng)電磁場(chǎng)。 外來的感應(yīng)電磁場(chǎng)場(chǎng)源：電離層的運(yùn)動(dòng)、太陽(yáng)風(fēng)、外來的感應(yīng)電磁場(chǎng)場(chǎng)源：電離層的運(yùn)動(dòng)、太陽(yáng)風(fēng)、 雷電、工業(yè)用電等。雷電、工業(yè)用電等。 MT中有效的場(chǎng)源：電離層電流的定向流動(dòng)或中有效的場(chǎng)源：電離層電流的定向流動(dòng)或小小 規(guī)模規(guī)模的擾動(dòng)、太陽(yáng)風(fēng)、的擾動(dòng)、太陽(yáng)風(fēng)、遠(yuǎn)距離遠(yuǎn)距離的雷電和工業(yè)用電的雷電和工業(yè)用電 等。等。 其通解為其通解為 ti d)()( ti e H E t h e 0 0 )( H E EH HE i i 22 22 22 ik k k 0EE 0HH rkr

11、k BAU ii ee 關(guān)于研究對(duì)象：地球的電性結(jié)構(gòu)關(guān)于研究對(duì)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，一般情況下，磁導(dǎo)率和介電常數(shù)取為真空中值， 即：即： 因此，大地電磁測(cè)深的探測(cè)對(duì)象為地球的電導(dǎo)因此，大地電磁測(cè)深的探測(cè)對(duì)象為地球的電導(dǎo) 率結(jié)構(gòu)。率結(jié)構(gòu)。 由簡(jiǎn)單到復(fù)雜，地球的電導(dǎo)率結(jié)構(gòu)可以由簡(jiǎn)單到復(fù)雜，地球的電導(dǎo)率結(jié)構(gòu)可以視為視為一一 維結(jié)構(gòu)、二維結(jié)構(gòu)和三維結(jié)構(gòu)，對(duì)應(yīng)的理論研維結(jié)構(gòu)、二維結(jié)構(gòu)和三維結(jié)構(gòu)，對(duì)應(yīng)的理論研 究也有一維問題、二維問題和三維問題。究也有一維問題、二維問題和三維問題。 mFmH/10/36/1,/104 9 0 7 0 一維正演：均勻半空間問題均勻半空

12、間問題 大地 空氣 假設(shè)場(chǎng)源的是沿著假設(shè)場(chǎng)源的是沿著x x方向極化的電性源（方向極化的電性源（TE模式），由于地模式），由于地 質(zhì)模型不存在橫向的變化，因此，感應(yīng)的二次場(chǎng)只存在質(zhì)模型不存在橫向的變化，因此，感應(yīng)的二次場(chǎng)只存在Hy 和和Ex分量，即總的電磁場(chǎng)可表示為：分量，即總的電磁場(chǎng)可表示為： ) 0 , 0(),0 , 0 ,( yx HEHE 此時(shí)矢量波動(dòng)方程退化為：此時(shí)矢量波動(dòng)方程退化為： z E i HEk dz dE x yx x d d1 , 0 2 2 其解為其解為 ： x zx y zkyki x E u k z E i HAeE zy 1 , )( 則阻抗為則阻抗為 ： zy

13、 x TE kH E Z 同理可得同理可得TM模模 式下的阻抗為：式下的阻抗為： 2 k k H E Z z x y TM 一維正演：關(guān)于場(chǎng)源的垂直入射關(guān)于場(chǎng)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角 時(shí)，因?yàn)榭諝庵须妼?dǎo)率為零，故有：時(shí)，因?yàn)榭諝庵须妼?dǎo)率為零，故有： sinsin )()( AirAiry kk 在地表，電磁場(chǎng)的切向分量連續(xù)，故要求：在地表，電磁場(chǎng)的切向分量連續(xù)，故要求： sin )()( AiryEarthy kk 因?yàn)榈厍騼?nèi)部，傳導(dǎo)電流遠(yuǎn)大于位移電流因?yàn)榈厍騼?nèi)部，傳導(dǎo)電流遠(yuǎn)大于位移電流，從而：，從而： ik

14、kkk EarthzEarthyEarthzEarth )( 2 )( 2 )()( 故均勻平面電磁波不管以什么角度自空中入射到地面，其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：阻抗均為： iZiZ TMTE , 視電阻率和阻抗相位的定義視電阻率和阻抗相位的定義 i H E Zi H E Z x y TM y x TE , 在均勻半空間下，我們已經(jīng)得到：在均勻半空間下，我們已經(jīng)得到： 可以求得電阻率為：可以求得電阻率為： 22 , TMTE ZZ 在一般情況下，以上兩式并不能獲得真正的電阻率，這時(shí)求 得的量稱為視電阻率，并把阻抗的幅角稱為 )arg(, / 2 / /TMT

15、ETMTE TMTE TMTE Z Z 一維正演：層狀介質(zhì)模型層狀介質(zhì)模型 1 2 3 4 源源 信信 號(hào)號(hào) )(cothcoth)0( )(cothcoth)( )(cothcoth)( . )(cothcoth)( )( 11 11 11 1 22 21 22 2 11 33 31 33 3 22 11 11 11 1 22 11 hZ k tik k Z hZ k tik k hZ hZ k tik k hZ hZ k tik k hZ k hZ NN NN NN N N NN N N N N 阻抗的遞推公式阻抗的遞推公式 視電阻率和相位視電阻率和相位 )0(arg(, )0( 2 NT

16、MTE N TMTE Z Z 四種典型的三層模型曲線：四種典型的三層模型曲線：K、H 0.0010.010.1110100100010000 Period / S 1x1011x1021x103 Apparent Resistivity / m 0 20 40 60 80 Phase / Degree 1000歐米 10歐米1000歐米 10歐米 0.0010.010.1110100100010000 Period / S 1x1011x1021x103 Apparent Resistivity / m 0 20 40 60 80 Phase / Degree K形曲線形曲線 H形曲線形曲線

17、四種典型的三層模型曲線：四種典型的三層模型曲線：A、Q A形曲線形曲線 Q形曲線形曲線 1000歐米 10歐米 0.0010.010.1110100100010000 Period / S 1x1001x1011x1021x103 Apparent Resistivity / m 0 20 40 60 80 Phase / Degree 0.0010.010.1110100100010000 Period / S 1x1011x1021x1031x104 Apparent Resistivity / m 0 20 40 60 80 Phase / Degree 1000歐米 10歐米 一維正演

18、：連續(xù)介質(zhì)模型連續(xù)介質(zhì)模型 源源 信信 號(hào)號(hào) 0 0 0 2 2 2 , d d . , , 0 z y x TE x y zz x x z x x x H E Z z Ei H ikE dz dE EE Ek dz Ed e 1001010.10.010 .0 010.00 01 / Hz 1 1 0 1 00 1000 /m 一維正演：連續(xù)介質(zhì)模型連續(xù)介質(zhì)模型 11 0100100 0 z / km 0.1 1 10 100 100 0 1000 0 /m 源源 信信 號(hào)號(hào) 阻抗定義的推廣：張量阻抗和傾子阻抗定義的推廣：張量阻抗和傾子矢矢 量量 x y TM y x TE H E Z H

19、E Z 在一維情況下：在一維情況下： 在一般情況下，磁場(chǎng)在一般情況下，磁場(chǎng)HyHy不僅與不僅與ExEx而且可能同而且可能同EyEy也有關(guān)，對(duì)于也有關(guān)，對(duì)于 磁場(chǎng)磁場(chǎng)HxHx也一樣。這時(shí)，電場(chǎng)與磁場(chǎng)的關(guān)系用下式表示：也一樣。這時(shí)，電場(chǎng)與磁場(chǎng)的關(guān)系用下式表示： y x yyyx xyxx y x H H ZZ ZZ E E阻抗張量阻抗張量 yyyx xyxx ZZ ZZ Z 此外，關(guān)于垂直磁場(chǎng)有定義：此外，關(guān)于垂直磁場(chǎng)有定義： yzyxzxz HTHTH 傾子矢量?jī)A子矢量 zyzx TTT 接收點(diǎn) 1 2 3 4 1 2 3 4 5 源 信 號(hào)源 信 號(hào) TE模式模式 （Ex，Hy，Hz） TM模

20、式模式 （Hx，Ey，Ez） 二維情況下大地電磁曲線極化模式劃分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(chǎng)可以解耦成兩組在二維情況下，根據(jù)麥克斯韋方程，電磁場(chǎng)可以解耦成兩組 獨(dú)立的場(chǎng)獨(dú)立的場(chǎng):TE極化模式極化模式(Ex, Hy, Hz )、TM極化模式極化模式 (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。標(biāo)量微分方程的邊值問題。 z -I z u 0 y u 1為定值，一般取為 0)()( u -iku ccu u z

21、u zy u y 輔助場(chǎng)： 下邊界 側(cè)邊界， ），上邊界（ TM模式：模式： i Hu x TE模式：模式： i i Eu x /1 )/(1 二維正演計(jì)算的簡(jiǎn)單實(shí)例二維正演計(jì)算的簡(jiǎn)單實(shí)例 3638404244464850 Distance / km -2 0 2 Lg(f / Hz) 3638404244464850 Distance / km -2 0 2 Lg(f / Hz) 10歐米 250米 100歐米 5歐米 1150米 1 000米 TETE模式 模式 TMTM模式 模式 視電阻率分布視電阻率分布 二維正演的簡(jiǎn)單算例二維正演的簡(jiǎn)單算例 10歐米 250米 100歐米 5歐米 11

22、50米 1 000米 TETE模式 模式 TMTM模式 模式 阻抗相位分布阻抗相位分布 3638404244464850 Distance / km -2 0 2 Lg(f / Hz) 3638404244464850 Distance / km -2 0 2 Lg(f / Hz) 復(fù)雜模型的正演結(jié)果復(fù)雜模型的正演結(jié)果 三維正演：邊值問題三維正演：邊值問題 在三維情況下，電磁場(chǎng)不能解耦成兩組獨(dú)立的場(chǎng)在三維情況下，電磁場(chǎng)不能解耦成兩組獨(dú)立的場(chǎng)，這時(shí)必須這時(shí)必須 直接求解矢量波方程。直接求解矢量波方程。 下邊界 矢量為某個(gè)側(cè)面的單位法向側(cè)邊界， 為常矢量上邊界， U U n0 n U CCU 0U

23、U ik z k 22 以上方程包含了一個(gè)隱含條件：求解域的電阻率是分塊均勻的。以上方程包含了一個(gè)隱含條件：求解域的電阻率是分塊均勻的。 2 2、反演問題、反演問題 如何理解反演？如何理解反演？ 反演是指根據(jù)反演是指根據(jù)實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)來來反推反推產(chǎn)生這些數(shù)據(jù)的產(chǎn)生這些數(shù)據(jù)的系統(tǒng)內(nèi)在信息系統(tǒng)內(nèi)在信息的一種數(shù)學(xué)物理過的一種數(shù)學(xué)物理過 程。程。 反演的兩個(gè)基本條件：反演的兩個(gè)基本條件：實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)和一個(gè)和一個(gè)先驗(yàn)?zāi)Ｐ拖到y(tǒng)先驗(yàn)?zāi)Ｐ拖到y(tǒng)。 通常的最小二乘多項(xiàng)式擬合就可以看成是一個(gè)反演過程。參與擬合的數(shù)據(jù)就是反通常的最小二乘多項(xiàng)式擬合就可以看成是一個(gè)反演過程。參與擬合的數(shù)據(jù)就是反 演中實(shí)測(cè)的

24、數(shù)據(jù)，演中實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)，“多項(xiàng)式多項(xiàng)式”這種函數(shù)形式就是這種函數(shù)形式就是“先驗(yàn)?zāi)Ｐ拖到y(tǒng)先驗(yàn)?zāi)Ｐ拖到y(tǒng)”。 二維正演計(jì)算的簡(jiǎn)單實(shí)例二維正演計(jì)算的簡(jiǎn)單實(shí)例 3638404244464850 Distance / km -2 0 2 Lg(f / Hz) 3638404244464850 Distance / km -2 0 2 Lg(f / Hz) 10歐米 250米 100歐米 5歐米 1150米 1 000米 TETE模式 模式 TMTM模式 模式 視電阻率分布視電阻率分布 二維正演的簡(jiǎn)單算例二維正演的簡(jiǎn)單算例 10歐米 250米 100歐米 5歐米 1150米 1 000米 TETE模式 模式

25、TMTM模式 模式 阻抗相位分布阻抗相位分布 3638404244464850 Distance / km -2 0 2 Lg(f / Hz) 3638404244464850 Distance / km -2 0 2 Lg(f / Hz) 復(fù)雜模型的正演結(jié)果復(fù)雜模型的正演結(jié)果 如何理解反演？如何理解反演？ 對(duì)于大地電磁測(cè)深而言，對(duì)于大地電磁測(cè)深而言，“實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)”就是在地表就是在地表 實(shí)測(cè)的視電阻率、相位等數(shù)據(jù)；實(shí)測(cè)的視電阻率、相位等數(shù)據(jù)；“先驗(yàn)?zāi)Ｐ拖到y(tǒng)先驗(yàn)?zāi)Ｐ拖到y(tǒng)”是是 對(duì)地球電導(dǎo)率模型的假設(shè)（一維、二維還是三維？），對(duì)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)

26、基礎(chǔ)上的正演實(shí)現(xiàn)過程。更明確的說，以及在此假設(shè)基礎(chǔ)上的正演實(shí)現(xiàn)過程。更明確的說， 這里的這里的“先驗(yàn)?zāi)Ｐ拖到y(tǒng)先驗(yàn)?zāi)Ｐ拖到y(tǒng)”就是指的是就是指的是“一維正演一維正演”過過 程、程、“二維正演二維正演”過程或過程或“三維正演三維正演”過程。過程。 對(duì)于大地電磁測(cè)深而言，所謂待反演的對(duì)于大地電磁測(cè)深而言，所謂待反演的“系統(tǒng)內(nèi)在信系統(tǒng)內(nèi)在信 息息”指的就是電導(dǎo)率結(jié)構(gòu)。指的就是電導(dǎo)率結(jié)構(gòu)。 因此，大地電磁測(cè)深反演就是根據(jù)地表實(shí)測(cè)的視電阻因此，大地電磁測(cè)深反演就是根據(jù)地表實(shí)測(cè)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，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

27、擬合視電阻率、相該電導(dǎo)率結(jié)構(gòu)的正演響應(yīng)能極好地?cái)M合視電阻率、相 位等實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。位等實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。 反演問題和反演方法的分類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。反演問題主要分兩類：線性問題和非線性問題。大地大地 電磁測(cè)深反演屬于非線性反演問題。電磁測(cè)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。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(duì)線性反演問題發(fā)展起來的，但也線性反演方法是針對(duì)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(shí)稱為非線性問題被廣泛應(yīng)用于解決非線性問題，這時(shí)稱為非線性問題 的的線化反演線化反演。在非線性

28、問題的線化反演中，首先需要。在非線性問題的線化反演中，首先需要 將將非線性問題線性化非線性問題線性化，這是這一技術(shù)的最為關(guān)鍵之處。，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(duì)非線性反演問題的。其共非線性反演方法是直接針對(duì)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。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正則化反演方法介紹 反演的非唯一性反演的非唯一性。由于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的不充足或者正演本身的。由于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的不充足或者正演本身的 等值性，一套觀測(cè)數(shù)據(jù)可能

29、有多個(gè)模型都能擬合得很好，等值性，一套觀測(cè)數(shù)據(jù)可能有多個(gè)模型都能擬合得很好， 這就是反演的非唯一性。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(gè)條件：正則化反演就是在原有的反演基本條件上再附加一個(gè)條件： 先驗(yàn)的模型約束條件，以此來減少反演結(jié)果的非唯一性。先驗(yàn)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(yàn)的模型約束條件有多種方式，最常采用的是模型構(gòu)建先驗(yàn)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(shí)，如果一套觀測(cè)數(shù)據(jù)有多個(gè)模型都的某種光滑程度。這時(shí)，如果一套觀測(cè)數(shù)據(jù)有多個(gè)模型都 能擬合得很好，那么其中最光滑的那個(gè)模型作為反演的最能擬合得很好，

30、那么其中最光滑的那個(gè)模型作為反演的最 后結(jié)果模型。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。正則化反演既可以是非線性反演也可以是線化反演。 目前目前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。方法，尤其是高維反演。 正則化反演的基本原理正則化反演的基本原理 21 總目標(biāo)函數(shù)總目標(biāo)函數(shù) 數(shù)據(jù)目標(biāo)函數(shù)數(shù)據(jù)目標(biāo)函數(shù) dd dT 1 ji d ij d i ii d 0 )var( 1 模型約束目標(biāo)函數(shù)：模型約束目標(biāo)函數(shù)： ssmd)( 2 2 mmT2 ssmd)( 2 2 )()( 2 mm T ssmd)(

31、 22 2 )()( 22 2 mm T 最簡(jiǎn)單模型最簡(jiǎn)單模型 最平緩模型最平緩模型 最光滑模型最光滑模型 地球物理反演問題 min)()()( 21 mmm MT中常用的反演算法中常用的反演算法 BOSTICK（1d, 近似反演方法）近似反演方法） 廣義逆方法（廣義逆方法（1d） 馬夸特法（主要是一維，最簡(jiǎn)單模型約束，正則化反演）馬夸特法（主要是一維，最簡(jiǎn)單模型約束，正則化反演） OCCAM反演方法（反演方法（1d, 2d，最平緩模型約束，正則化反，最平緩模型約束，正則化反 演）演） 非線性共軛梯度法反演（非線性共軛梯度法反演（NLCG，2d, 最光滑模型約束， 正則化反演）正則化反演） 快

32、速松弛法反演（快速松弛法反演（RRI，2d, 最光滑模型約束，正則化反演）正則化反演） 減基減基OCCAM反演算法（反演算法（REBOCC，2d, 最平緩模型約束，最平緩模型約束， 正則化反演）正則化反演） 一維理論模型的反演對(duì)比一維理論模型的反演對(duì)比 3 3、實(shí)際資料的采集和處理、實(shí)際資料的采集和處理 大地電磁觀測(cè)方式示意圖 Ex Hy Ey Hx Hz 主要儀器觀測(cè)系統(tǒng)主要儀器觀測(cè)系統(tǒng) 70708080年代，主要年代，主要使用使用國(guó)產(chǎn)儀器；國(guó)產(chǎn)儀器；9090年代以來，年代以來， 逐漸進(jìn)口國(guó)外儀器，目前已全面被進(jìn)口儀器所取逐漸進(jìn)口國(guó)外儀器，目前已全面被進(jìn)口儀器所取 代。代。 當(dāng)前主要儀器系統(tǒng)

33、：當(dāng)前主要儀器系統(tǒng)： 加拿大鳳凰公司的加拿大鳳凰公司的V5-2000V5-2000、V8V8等等 德國(guó)德國(guó)MetronixMetronix公司的公司的GMS-06GMS-06、GMS-07GMS-07等等 美國(guó)的美國(guó)的EMEM2424（？）等）等 實(shí)際資料的處理和反演解釋實(shí)際資料的處理和反演解釋 資料處理：資料處理： 時(shí)間序列處理部分。將時(shí)間域觀測(cè)的信號(hào)轉(zhuǎn)換到頻率域，生成功率譜時(shí)間序列處理部分。將時(shí)間域觀測(cè)的信號(hào)轉(zhuǎn)換到頻率域，生成功率譜 文件；文件； 以功率譜文件為基礎(chǔ)，計(jì)算阻抗張量、傾子矢量、視電阻率、相位、以功率譜文件為基礎(chǔ)，計(jì)算阻抗張量、傾子矢量、視電阻率、相位、 二維特征量等各種二維特

34、征量等各種MT參數(shù)，進(jìn)行畸變分析和校正等；參數(shù)，進(jìn)行畸變分析和校正等； 反演解釋反演解釋 資料的定性解釋資料的定性解釋 一維、二維反演一維、二維反演 地質(zhì)解釋和地質(zhì)解釋和結(jié)果成圖結(jié)果成圖 AMT/MT數(shù)據(jù)處理流程圖 10 100 1000 10000 100000 lg ( Rho/ Ohm.m ) xy yx 0.0010.1101000 lg( T/Sec. ) 0 30 60 90 Phase( Deg.) 10 100 1000 10000 100000 xy yx 0.0010.1101000 lg( T/Sec. ) 0 30 60 90 10 100 1000 10000 100

35、000 xy yx 0.0010.1101000 lg( T/Sec. ) 0 30 60 90 10 100 1000 10000 100000 xy yx 0.0010.1101000 lg( T/Sec. ) 0 30 60 90 10 100 1000 10000 100000 xy yx 0.0010.1101000 lg( T/Sec. ) 0 30 60 90 10 100 1000 10000 100000 lg ( Rho/ Ohm.m ) xy yx 0.0010.1101000 lg( T/Sec. ) 0 30 60 90 Phase( Deg.) 某地區(qū)實(shí)測(cè)的某地區(qū)實(shí)

36、測(cè)的MTMT視電阻率和相位曲線視電阻率和相位曲線 大地電磁測(cè)深的應(yīng)用大地電磁測(cè)深的應(yīng)用 與地下資源 （石油、媒、 金屬礦、地?zé)岬龋?密切相關(guān) 地殼深部結(jié)構(gòu)密切相關(guān) 深層原因 與地下資源 （石油、媒、 金屬礦、地?zé)岬龋?密切相關(guān) 與地震現(xiàn)象與地震現(xiàn)象 密切相關(guān)密切相關(guān) 巖石的電導(dǎo)率及其與地震和地下資源的關(guān)系 影響巖石導(dǎo)電性的因素 巖石結(jié)構(gòu) 物質(zhì)組成 含水量 溫 度 壓 強(qiáng) 無物理理化學(xué)變化物理化學(xué)變化 孔隙度越大，連通性越好，導(dǎo)電性越好 含水量越大，導(dǎo)電性越好 溫度越高，導(dǎo)電性越好 流體靜壓力越高，導(dǎo)電性越差 礦物成分不同，導(dǎo)電性不同 熱脫水反應(yīng) 高溫熔融 使巖石的導(dǎo)電性迅速增加 部分熔融變可極

37、大地增加巖石的導(dǎo)電性 地震 地震引起的視電阻率幅度的變化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)五大連池火山區(qū)電性結(jié)構(gòu) 的三維成象圖的三維成象圖 長(zhǎng)白山火山區(qū)長(zhǎng)白山火山區(qū)NE測(cè)線的測(cè)線的 二維反演結(jié)果二維反演結(jié)果 0510152025303540 DISTANCE ( KM ) -60 -55 -50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 DEPTH ( KM ) 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 3.0 3.2 3.4 log (Ohm.m) w06w05a wq3 w04w03aw02w01an0

38、1ne1 e01 ne2 e02ne3ne4ne5ne6ne7 圖圖 1 16 6. . N N E E 剖剖 面面 二二 維維 反反 演演 電電 性性 結(jié)結(jié) 構(gòu)構(gòu) 天 池 長(zhǎng)白山火山區(qū)電性結(jié)構(gòu)長(zhǎng)白山火山區(qū)電性結(jié)構(gòu) 的三維成象圖的三維成象圖 青藏高原東北緣的大地電磁探測(cè)青藏高原東北緣的大地電磁探測(cè) 3-13-2 3-33-43-53-63-7 3-7 j3-83-9 012345 Distance/km -10 -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 Depth/km 1-11-21-31-41-5 01234 Distance/km -10 -9 -8 -7 -6 -5 -

39、4 -3 -2 -1 0 Depth/km 昌 井2 2-12-22-32-4 2-52-72-82-92-102-112-122-132-14 0123456789101112 Distance/km -10 -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 Depth/km 昌井4昌井9大 綏 河 4-14-24-34-44-54-64-74-84-94-104-114-1 24-13 0123456789 Distance/km -10 -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 Depth/km Jw 井 Lg(Res/m) 存在的問題和我存在的問題和我 的一些研

40、究的一些研究 存在的一些問題及初步的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高速度高精度的三維正反演問題 畸變問題畸變問題和靜位移問題和靜位移問題 二維反演中極化模式選取的問題二維反演中極化模式選取的問題 地形影響問題地形影響問題 反演結(jié)果的有效深度問題反演結(jié)果的有效深度問題 反演結(jié)果的非唯一性問題反演結(jié)果的非唯一性問題 可視化集成系統(tǒng)的開發(fā)可視化集成系統(tǒng)的開發(fā) 應(yīng)用問題：怎么與大陸動(dòng)力學(xué)直接結(jié)合起來？應(yīng)用問題：怎么與大陸動(dòng)力學(xué)直接結(jié)合起來？ 野外實(shí)際地電結(jié)構(gòu)一般是三維的！野外實(shí)際地電結(jié)構(gòu)一般是三維的！ 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)二維反演結(jié)果實(shí)測(cè)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

41、 (蔡軍濤，陳小斌，趙國(guó)澤，未發(fā)表） 異常體沿走向異常體沿走向X的延伸是變化的，分別取的延伸是變化的，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(duì)地形的擬合 TETE和 和TM TM的互換 的互換 反演結(jié)果的有效深度反演結(jié)果的有效深度 復(fù)雜模型趨膚深度的計(jì)算復(fù)雜模型趨膚深度的計(jì)算 （未發(fā)表） 反演結(jié)果的有效深度：剖面長(zhǎng)度的影響 （楊靜、陳小斌、趙國(guó)澤，中國(guó)地球物理年刊，2009） 0.16 1 L =5.2 S e 0.17 2 L =1.5 S e 反演結(jié)果的非唯一性分析反演結(jié)果的非唯一性分析 可視化集成系統(tǒng)

42、的開發(fā) 可視化集成系統(tǒng)的開發(fā) 汶川地震初步的動(dòng)力學(xué)模型汶川地震初步的動(dòng)力學(xué)模型 前山斷裂前山斷裂 中央斷裂中央斷裂 后山斷裂后山斷裂 岷江斷裂岷江斷裂 龍日壩斷裂龍日壩斷裂 謝謝大家！謝謝大家！ 橫電波橫磁波：場(chǎng)的極化模式橫電波橫磁波：場(chǎng)的極化模式 橫電波（橫電波（TE模式）模式） ：垂直于傳播方向的場(chǎng)分量只有電場(chǎng)；：垂直于傳播方向的場(chǎng)分量只有電場(chǎng)； 橫磁波（橫磁波（TM模式）模式） ：垂直于傳播方向的場(chǎng)分量只有磁場(chǎng)；：垂直于傳播方向的場(chǎng)分量只有磁場(chǎng)； 大地電磁測(cè)深中只研究場(chǎng)源為橫電磁波的情況。大地電磁測(cè)深中只研究場(chǎng)源為橫電磁波的情況。 大地電磁測(cè)深中常說的極化模式是以場(chǎng)源的極化方式來區(qū)分大地電磁測(cè)深中常說的極化模式是以場(chǎng)源的極化方式來區(qū)分 的，并且這種區(qū)分一般只在二維情況下才有意義。一維情況的，并且這種區(qū)分一般只在二維情況下才有意義。一維情況 雖然可以解耦出雖然可以解耦出TE和和TM模式，但不能帶來更多的信息。三模式，但不能帶來更多的信息。三 維模型下不能解耦出維模型下不能解耦出TE模式和模式和TM模式。模式。 理論研究中假設(shè)，場(chǎng)源只有一個(gè)極化方向（只有一