大地電磁法及其探測(cè)中的應(yīng)用-北京大學(xué)學(xué)術(shù)報(bào)告

1、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、大地電磁測(cè)深的基本原理二、大地電磁測(cè)深的基本原理三、大地電磁測(cè)深的應(yīng)用情況三、大地電磁測(cè)深的應(yīng)用情況四、當(dāng)前存在的問(wèn)題和主要研究熱點(diǎn)四、當(dāng)前存在的問(wèn)題和主要研究熱點(diǎn)地球電磁法范疇和簡(jiǎn)介地球電磁法范疇和簡(jiǎn)介 狹義電磁法：狹義電磁法： 前身：磁法、大地電流法（前身：磁法、大地電流法（Telluric)Telluric) （目標(biāo)：探測(cè)地球構(gòu)造）（目標(biāo)：探測(cè)地球構(gòu)造） 主體：大地電磁法（主體：大地電磁法（MT)MT)及有關(guān)技術(shù)及有關(guān)技術(shù) （MTMT，Magneto-telluricMagneto-telluric） 廣義電磁法：廣義電磁法

2、： 磁法、電法、電磁法磁法、電法、電磁法 大地電磁測(cè)深法（Magnetotelluric, MT）是以天然電磁場(chǎng)為場(chǎng)源來(lái)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。測(cè)深方法：重磁電震非地震方法：重磁電（重力+廣義的電磁類）大地電磁是重要的非地震測(cè)深方法研究對(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（有耗媒質(zhì)中的低頻電磁波理論）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）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分為三個(gè)發(fā)展階段：分為三個(gè)發(fā)展階段：手工量板階段：五六十年

3、代，起步階段。模擬信號(hào)、標(biāo)量阻抗手工量板階段：五六十年代，起步階段。模擬信號(hào)、標(biāo)量阻抗 、手工對(duì)量、手工對(duì)量板法板法 ；數(shù)字化階段：數(shù)字化階段：7070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)；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、新的觀測(cè)方式：遠(yuǎn)參考道、EMAPEMAP等；新的資料處理方式：等；新的資料處理方式：RobustRobust方法、方法、張量分解方法等；張量分解方法等；可視化階段：正在興起。國(guó)外：可視化階段：正在興起。國(guó)外：GeotoolsGeotools、WinGLinkWinGLink；國(guó)內(nèi)有多家，目前；國(guó)內(nèi)有多家，目前漸漸成規(guī)模化推廣。

4、漸漸成規(guī)模化推廣。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，正在興起代八十年代；二維，九十年代今天；三維，正在興起電磁場(chǎng)頻帶劃分標(biāo)準(zhǔn)和命名電磁場(chǎng)頻帶劃分標(biāo)準(zhǔn)和命名大地電磁測(cè)深的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)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)缺點(diǎn)體積效應(yīng)，反演的非唯一性較強(qiáng)（跟地震方法體積效應(yīng)，反演的非

5、唯一性較強(qiáng)（跟地震方法相比）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 大地電磁體積效應(yīng)大地電磁體積效應(yīng)大地電磁體積效應(yīng)大地電磁體積效應(yīng)1、一些感性認(rèn)識(shí)2、理論背景3、正演問(wèn)題4、反演問(wèn)題5、實(shí)際資料的采集和處理大地電磁法（大地電磁法（MT）是以）是以天然電磁場(chǎng)天然電磁場(chǎng)為場(chǎng)源來(lái)研為場(chǎng)源來(lái)研究地球內(nèi)部究地球內(nèi)部電性結(jié)構(gòu)電性結(jié)構(gòu)的一種重要的地球物理手的一種重要的地球物理手段。段。基本原理：依據(jù)不同基本原理：依據(jù)不同頻率頻率的電磁波在導(dǎo)體中具的電磁波在導(dǎo)體中具有不同有不同趨膚深度趨膚深度的原理，在地表測(cè)量由的原理，在地表測(cè)量由高頻至高頻至低頻低頻的地球電磁響應(yīng)序

6、列，經(jīng)過(guò)相關(guān)的數(shù)據(jù)處的地球電磁響應(yīng)序列，經(jīng)過(guò)相關(guān)的數(shù)據(jù)處理和分析來(lái)獲得大地理和分析來(lái)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)。14大地電磁法原理示意大地電磁法原理示意圖圖WEM信號(hào)信號(hào)目標(biāo)目標(biāo)大地電磁法野外觀測(cè)裝置大地電磁法野外觀測(cè)裝置 為什么能夠測(cè)深？感性認(rèn)識(shí)110100100010000Resistivity / m1001010.1Depth / km101001000 Apparent Resistivity / m1E-0050.00010.0010.010.11101001000Frequency / Hz為什么能夠測(cè)深？感性認(rèn)識(shí)110100100010000Resistiv

7、ity / m1001010.1Depth / km101001000 Apparent Resistivity / m1E-0050.00010.0010.010.11101001000Frequency / Hz為什么能夠測(cè)深？感性認(rèn)識(shí)101001000 Apparent Resistivity / m1E-0050.00010.0010.010.11101001000Frequency / Hz110100100010000Resistivity / m1001010.1Depth / km理論基礎(chǔ)：麥克斯韋方程James Clerk Maxwell (1831-1879)u麥克斯韋的第

8、一篇論文是關(guān)于橢圓曲線麥克斯韋的第一篇論文是關(guān)于橢圓曲線的，發(fā)表于的，發(fā)表于1845年，年僅年，年僅14歲；歲；u第一篇電磁學(xué)論文第一篇電磁學(xué)論文1855年（年（24歲），關(guān)歲），關(guān)于法拉第的磁力線問(wèn)題；于法拉第的磁力線問(wèn)題；u1873年（年（42歲），完成電磁學(xué)巨著：電歲），完成電磁學(xué)巨著：電磁通論；磁通論；u建立起了光、電、磁的統(tǒng)一理論，完成建立起了光、電、磁的統(tǒng)一理論，完成亙古大業(yè)；亙古大業(yè)；u1879年（年（48歲）逝世，英年早逝。歲）逝世，英年早逝。麥克斯韋方程u關(guān)于磁場(chǎng)的安培定律：關(guān)于磁場(chǎng)的安培定律：u關(guān)于電場(chǎng)的高斯定律：關(guān)于電場(chǎng)的高斯定律：u麥克斯韋定律：麥克斯韋定律：u法拉第電

9、磁感應(yīng)定律：法拉第電磁感應(yīng)定律：DHjt安培定律、高斯定律Johann Carl Friedrich Gauss(1777-1855)創(chuàng)建了地磁場(chǎng)的球諧分析理論創(chuàng)建了地磁場(chǎng)的球諧分析理論和全球性的地磁觀測(cè)系統(tǒng)和全球性的地磁觀測(cè)系統(tǒng)u穿過(guò)封閉曲面的磁場(chǎng)通量為穿過(guò)封閉曲面的磁場(chǎng)通量為0，磁場(chǎng)為無(wú)源場(chǎng)，不存在磁單極子。磁場(chǎng)為無(wú)源場(chǎng)，不存在磁單極子。u穿過(guò)封閉曲面的電場(chǎng)通量，其值穿過(guò)封閉曲面的電場(chǎng)通量，其值等于曲面所包圍的體電荷密度。等于曲面所包圍的體電荷密度。法拉第電磁感應(yīng)定律Michael Faraday(1791-1867)u變化的磁場(chǎng)感應(yīng)產(chǎn)生電場(chǎng)變化的磁場(chǎng)感應(yīng)產(chǎn)生電場(chǎng)麥克斯韋定律u變化的電場(chǎng)以

10、及傳導(dǎo)電流感應(yīng)產(chǎn)生磁場(chǎng)變化的電場(chǎng)以及傳導(dǎo)電流感應(yīng)產(chǎn)生磁場(chǎng) DHjt其它的一些關(guān)系式u本構(gòu)方程本構(gòu)方程 u邊界條件邊界條件歐姆定律 在電導(dǎo)率的突變邊界上，電場(chǎng)法向分在電導(dǎo)率的突變邊界上，電場(chǎng)法向分量不連續(xù)，但電流密度法向分量連續(xù)。量不連續(xù)，但電流密度法向分量連續(xù)。Georg Simon Ohm(1789-1854)1831年法拉第發(fā)現(xiàn)年法拉第發(fā)現(xiàn)“電磁感應(yīng)定律電磁感應(yīng)定律”。 許多人質(zhì)疑：許多人質(zhì)疑：“它有什么用？它有什么用？”法拉第回答：法拉第回答： “一個(gè)新生的嬰兒，您認(rèn)為有什么用？一個(gè)新生的嬰兒，您認(rèn)為有什么用？”u關(guān)于激發(fā)場(chǎng)源關(guān)于激發(fā)場(chǎng)源u關(guān)于探測(cè)對(duì)象關(guān)于探測(cè)對(duì)象u一維正演：阻抗、視電阻

11、率、相位一維正演：阻抗、視電阻率、相位u二維、三維正演二維、三維正演如何探測(cè)地下結(jié)構(gòu)？如何探測(cè)地下結(jié)構(gòu)？如何探測(cè)地下結(jié)構(gòu)？如何探測(cè)地下結(jié)構(gòu)？正演指的是什么？正演指的是對(duì)于一個(gè)給定的模型，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(guò)程。的物理原理求其響應(yīng)的過(guò)程。假設(shè)：假設(shè)：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大地電磁正演：關(guān)于激勵(lì)場(chǎng)源大地電磁正演：關(guān)于激勵(lì)場(chǎng)源激勵(lì)源與場(chǎng)點(diǎn)要足夠遠(yuǎn)激勵(lì)源與場(chǎng)點(diǎn)要足夠遠(yuǎn)電離層電流的定向電離層電流的定向流動(dòng)或流動(dòng)或小規(guī)模小規(guī)模的擾的擾動(dòng)、太陽(yáng)風(fēng)、動(dòng)、太陽(yáng)風(fēng)、遠(yuǎn)距遠(yuǎn)距離離的雷電和

12、工業(yè)用的雷電和工業(yè)用電等電等INTERNAL MAGNETIC FIELD據(jù)徐文耀據(jù)徐文耀EXTERNAL MAGNETIC FIELD外部磁場(chǎng)外部磁場(chǎng)徐文耀徐文耀弧形沖擊面弧形沖擊面磁層頂磁層頂?shù)入x子層等離子層極尖極尖傅承義傅承義磁場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)隨頻率變化的曲線磁場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)隨頻率變化的曲線關(guān)于模型（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)率因此，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)。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)可以視為視為一維一維結(jié)構(gòu)、二維結(jié)

13、構(gòu)和三維結(jié)構(gòu)，對(duì)應(yīng)的理論研究也結(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(wèn)題、二維問(wèn)題和三維問(wèn)題。有一維問(wèn)題、二維問(wèn)題和三維問(wèn)題。mFmH/10/36/1,/1049070大地電磁正演：關(guān)于模型大地電磁正演：關(guān)于模型一維模型一維模型二維模型二維模型三維模型三維模型兩大假設(shè)：兩大假設(shè)：1）激勵(lì)場(chǎng)源：）激勵(lì)場(chǎng)源：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2）地球模型：水平層狀導(dǎo)電介質(zhì)）地球模型：水平層狀導(dǎo)電介質(zhì)大電磁正演過(guò)程大電磁正演過(guò)程？222222kkki HH0EE0i t( )( )di teEtehH()00ii EHHEEHiieek rk rUAB大地電磁正演

14、：理論支持大地電磁正演：理論支持最簡(jiǎn)單模型：均勻半空間問(wèn)題2kkHEZzxyTM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 ,(yxHEHE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：zEiHEkdzdExyxxdd1, 022其解為其解為 ：xzxyzkykixEukzEiHAeEzy1,)(則阻抗為則阻抗為 ：zyxTEk

15、HEZ同理可得同理可得TM模模式下的阻抗為：式下的阻抗為：x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)()(AirAirykk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)()(AiryEarthykk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：ikkkkEarthzEarthyEarthzEarth)(2)(2)()(故均勻平面電磁波不管以什么角度自空中入射到地

16、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：iZiZTMTE,均勻半空間下阻抗、電阻率的關(guān)系iHEZiHEZxyTMyxTE,22,TMTEZZ在均勻半空間下：在均勻半空間下：可以求得電阻率為：可以求得電阻率為：視電阻率和阻抗相位的定義)arg(,/2/TMTETMTETMTETMTEZZ一維正演：層狀介質(zhì)模型)0(arg(,)0(2NTMTENTMTEZZ1234源源 信信 號(hào)號(hào)1111221111113223 333312112 222211()()cothcoth().()cothcoth()( )cothcoth()(0)cothNNNNNNNNNNNN

17、NZ hkkZhiktZ hkkZhik tZhkkZhik tZhkZikk 11111coth( )NktZh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 四種典型的三層模型曲線：K、H0.0010.010.1110100100010000Period / S1x1011x1021x103Apparent Resistivity / m020406080Phase / Degree1000歐米10歐米1000歐米10歐米0.0010.010.1110100100010000Period / S1x1011x1021x103Apparent Resistivity / m020

18、406080Phase / DegreeK形曲線形曲線H形曲線形曲線四種典型的三層模型曲線：A、Q0.0010.010.1110100100010000Period / S1x1001x1011x1021x103Apparent Resistivity / m020406080Phase / Degree1000歐米10歐米1000歐米10歐米0.0010.010.1110100100010000Period / S1x1011x1021x1031x104Apparent Resistivity / m020406080Phase / DegreeA形曲線形曲線Q形曲線形曲線一維正演：連續(xù)介質(zhì)

19、模型源源 信信 號(hào)號(hào)000222,dd., 0zyxTExyzzxxzxxxHEZzEiHikEdzdEEEEkdzEde一維正演：連續(xù)介質(zhì)模型11 0100100 0z / km0.1110100100 01000 0/m1001010.10.010 .0 010.00 01 / Hz11 01 001000/m源源 信信 號(hào)號(hào)阻抗定義的推廣：張量阻抗和傾子矢量xyTMyxTEHEZHEZyzyxzxzHTHTH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

20、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：yxyyyxxyxxyxHHZZZZEE阻抗張量阻抗張量yyyxxyxxZZZZZ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：傾子矢量?jī)A子矢量zyzxTTT 接收點(diǎn)123412345源 信 號(hào)源 信 號(hào)橫電波橫磁波：場(chǎng)的極化模式橫電波（橫電波（TE） ：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） ：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(shuō)的極化模式是以場(chǎng)源的

21、極化方式大地電磁測(cè)深中常說(shuō)的極化模式是以場(chǎng)源的極化方式來(lái)區(qū)分的，并且這種區(qū)分一般只在二維情況下才有意來(lái)區(qū)分的，并且這種區(qū)分一般只在二維情況下才有意義。一維情況雖然可以解耦出義。一維情況雖然可以解耦出TE和和TM模式，但不能模式，但不能帶來(lái)更多的信息。三維模型下不能解耦出帶來(lái)更多的信息。三維模型下不能解耦出TE模式和模式和TM模式。模式。TE模式模式（Ex，Hy，Hz）TM模式模式（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模型：場(chǎng)可解耦為兩組模式y(tǒng)zxiyzEEHxyzHExzyHE yzxyzHHExyizEHxziyEH TE:,xyzEHH

22、TM:,xyzHEE二維正演：邊值問(wèn)題z-Izu 0yu1為定值，一般取為0)()(u-ikuccuuzuzyuy輔助場(chǎng)：下邊界側(cè)邊界，），上邊界（TM模式：模式：iHuxTE模式：模式：iiEux/1)/(1二維正演方法1）積分方程法）積分方程法2）有限差分法）有限差分法3）有限元法）有限元法有限元直接迭代算法（陳小斌，有限元直接迭代算法（陳小斌，1999，2000）二維正演計(jì)算的簡(jiǎn)單實(shí)例10歐米250米100歐米5歐米1150米1 000米3638404244464850Distance / km-202Lg(f / Hz)3638404244464850Distance / km-202

23、Lg(f / Hz)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模式模式阻抗相位分布阻抗相位分布3638404244464850Distance / km-202Lg(f / Hz)3638404244464850Distance / km-202Lg(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(wèn)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)，這這時(shí)必須直接求解矢量波方程。時(shí)必須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

24、向側(cè)邊界，為常矢量上邊界，UUn0nUCCU0UUikzk22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。三維正演方法1）積分方程法）積分方程法2）交錯(cuò)網(wǎng)格有限差分法）交錯(cuò)網(wǎng)格有限差分法3）矢量有限元法（棱邊元）矢量有限元法（棱邊元）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(lái)來(lái)反推反推產(chǎn)生這些數(shù)據(jù)產(chǎn)生這些數(shù)據(jù)的的系統(tǒng)內(nèi)在信息系統(tǒng)內(nèi)在信息的一種數(shù)學(xué)物理過(guò)程。的一種數(shù)學(xué)物理過(guò)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)先驗(yàn)?zāi)Ｐ拖到y(tǒng)模型系統(tǒng)。通常的最小二乘多項(xiàng)式擬合就可以看成是一

25、個(gè)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(guò)程。參與擬合的數(shù)據(jù)就是反演中實(shí)測(cè)的反演過(guò)程。參與擬合的數(shù)據(jù)就是反演中實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)，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)Ｏ闰?yàn)?zāi)Ｐ拖到y(tǒng)型系統(tǒng)”。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)”就是在地表實(shí)就是在地表實(shí)測(cè)的測(cè)的視電阻率、相位視電阻率、相位等數(shù)據(jù)；等數(shù)據(jù)；“先驗(yàn)?zāi)Ｐ拖到y(tǒng)先驗(yàn)?zāi)Ｐ拖到y(tǒng)”是對(duì)是對(duì)地地球電導(dǎo)率模型球電導(dǎo)率模型的假設(shè)（一維、二維還是三維？），以及的假設(shè)（一維、二維還是三維？），以及在此假設(shè)基礎(chǔ)上的在此假設(shè)基礎(chǔ)上的正演正演實(shí)現(xiàn)過(guò)程。更明確的說(shuō)，這里的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。更明確的說(shuō)，這里

26、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(guò)程、過(guò)程、“二二維正演維正演”過(guò)程或過(guò)程或“三維正演三維正演”過(guò)程。過(guò)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)在信息系統(tǒng)內(nèi)在信息”指的就是指的就是電導(dǎo)率結(jié)構(gòu)電導(dǎo)率結(jié)構(gòu)。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(lái)求取大地深部電導(dǎo)率結(jié)構(gòu)的過(guò)程，該電導(dǎo)率結(jié)等數(shù)據(jù)來(lái)求取大地深部電導(dǎo)率結(jié)構(gòu)的過(guò)程，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)。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)。 ？正演正演反演反演二維正演

27、計(jì)算的簡(jiǎn)單實(shí)例10歐米250米100歐米5歐米1150米1 000米3638404244464850Distance / km-202Lg(f / Hz)3638404244464850Distance / km-202Lg(f / Hz)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模式模式阻抗相位分布阻抗相位分布3638404244464850Distance / km-202Lg(f / Hz)3638404244464850Distance / km-202Lg(f / Hz)復(fù)雜

28、模型的正演結(jié)果復(fù)雜模型的正演結(jié)果手工量板法手工量板法反演問(wèn)題和反演方法的分類反演問(wèn)題主要分兩類：線性問(wèn)題和非線性問(wèn)題。反演問(wèn)題主要分兩類：線性問(wèn)題和非線性問(wèn)題。大地電磁測(cè)大地電磁測(cè)深反演屬于非線性反演問(wèn)題。深反演屬于非線性反演問(wèn)題。反演方法也有反演方法也有線性反演線性反演和和非線性反演非線性反演之分。之分。線性反演方法是針對(duì)線性反演問(wèn)題發(fā)展起來(lái)的，但也被廣泛線性反演方法是針對(duì)線性反演問(wèn)題發(fā)展起來(lái)的，但也被廣泛應(yīng)用于解決非線性問(wèn)題，這時(shí)稱為非線性問(wèn)題的應(yīng)用于解決非線性問(wèn)題，這時(shí)稱為非線性問(wèn)題的線化反演線化反演。在非線性問(wèn)題的線化反演中，首先需要將在非線性問(wèn)題的線化反演中，首先需要將非線性問(wèn)題線性

29、化非線性問(wèn)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(wèn)題的。其共同的基非線性反演方法是直接針對(duì)非線性反演問(wèn)題的。其共同的基礎(chǔ)是采用一些啟發(fā)式搜索技巧來(lái)尋找合適的反演模型，如遺礎(chǔ)是采用一些啟發(fā)式搜索技巧來(lái)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。傳算法、模擬退火、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。反演的非唯一性反演的非唯一性先驗(yàn)約束條件先驗(yàn)約束條件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等。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)可能有多個(gè)模型都能擬合得很好，這就值性，一套觀測(cè)數(shù)據(jù)可能有多個(gè)模

30、型都能擬合得很好，這就是反演的非唯一性。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(lái)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(lái)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，最常采用的是模型的構(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)模型都能擬某種光滑程度。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)模型作為反演的最后結(jié)果合得很好，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。模型。正則化反演既可

31、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方中絕大多數(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。法，尤其是高維反演。正則化反演的基本原理min)()()(21mmm21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) dddT1jidijdiiid0)var(1模型約束目標(biāo)函數(shù)：模型約束目標(biāo)函數(shù)： ssmd)(22mmT2ssmd)(22)()(2mmTssmd)(222)()(222mmT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(wèn)題地球物理反演問(wèn)題MT中常用的

32、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，正則化反演），最平緩模型約束，正則化反演）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，最光滑模型約束，正正則化反演）則化反演）快速松弛法反演（快速松弛法反演（RRI，2d, 最光滑模型約束，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，正最平緩模

33、型約束，正則化反演）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)比大地電磁觀測(cè)方式示意圖大地電磁觀測(cè)方式示意圖ExHyEyHxHz7080年代，主要使用國(guó)產(chǎn)儀器；年代，主要使用國(guó)產(chǎn)儀器；90年代以來(lái)，年代以來(lái)，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)：當(dāng)前主要儀器系統(tǒng)：德國(guó)德國(guó)Metronix公司的公司的GMS-06、GMS-07等等加拿大鳳凰公司的加拿大鳳凰公司的V5-2000、V8等等GSM-06大地電磁儀大地電磁儀實(shí)際資料的處理時(shí)間序列處理部分。將時(shí)間域觀測(cè)的信號(hào)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，

34、生成功率譜文件；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(jì)算阻抗張量、傾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、二維特征量等子矢量、視電阻率、相位、二維特征量等各種各種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；實(shí)際資料的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10100100010000100000lg ( Rho/ Ohm.m )xy yx 0.0010.1101000lg( T/Sec. )0306090Phase( Deg.)101001000100001

35、00000 xy yx 0.0010.1101000lg( T/Sec. )030609010100100010000100000 xy yx 0.0010.1101000lg( T/Sec. )030609010100100010000100000 xy yx 0.0010.1101000lg( T/Sec. )030609010100100010000100000 xy yx 0.0010.1101000lg( T/Sec. )030609010100100010000100000lg ( Rho/ Ohm.m )xy yx 0.0010.1101000lg( T/Sec. )030609

36、0Phase( Deg.)某地區(qū)實(shí)測(cè)的某地區(qū)實(shí)測(cè)的MTMT視電阻率和相位曲線視電阻率和相位曲線與地下資源（石油、媒、金屬礦、地?zé)岬龋┟芮邢嚓P(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┟芮邢嚓P(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(wú)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

37、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0510152025303540DISTANCE ( KM )-60-55-50-45-40-35-30-25-20-15-10-50DEPTH ( KM )1.01.21.41.61.82.02.22.42.62.83.03.23.4log (Ohm.m)w06w05a wq3 w04w03aw02w01an01ne1 e01 ne2 e02ne3ne4ne5ne6ne7圖圖 1 16 6. . N N E E 剖剖 面面 二二

38、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)3-13-2 3-33-4 3-53-63-7 3-7j3-83-9012345Distance/km-10-9-8-7-6-5-4-3-2-10Depth/km 1-11-21-31-41-501234Distance/km-10-9-8-7-6-5-4-3-2-10Depth/km昌 井2 2-12-22-32-4 2-52-72-82-92-102-112-122-132-140123456789101112Distance/km-10-9-8-7-6-5-4-3-2-10Depth/km昌 井4昌 井9大綏河4-14-24-34-44-5 4-64-74-84-94-104-114-124-130123456789Distance/km-10-9-8-7-6-5-4-3-2-10Depth/kmJw井Lg(Res