陳小斌-大地電磁測(cè)深原理及應(yīng)用PPT課件

1、.,1,大地電磁測(cè)深原理及應(yīng)用介紹,陳小斌2009年12月23日,2,.,主要內(nèi)容,一、大地電磁測(cè)深的簡(jiǎn)單介紹二、大地電磁測(cè)深的基本原理三、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),.,3,大地電磁測(cè)深的簡(jiǎn)單介紹,4,.,大地電磁測(cè)深法（Magnetotelluric,MT）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(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)（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

2、電磁波理論）,5,.,大地電磁測(cè)深的發(fā)展情況,吉洪諾夫（蘇聯(lián)，1950），卡尼爾（法國(guó)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(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,6,.,

3、7,.,大地電磁測(cè)深的優(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)；橫向分辨能力較強(qiáng)；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；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）縱向分辨能力隨著深度的增加而迅速減弱,.,8,大地電磁測(cè)深的理論基礎(chǔ),1、正演問題2、反演問題3、實(shí)際資料的采集和處理,9,.,大地電磁測(cè)深法（MT）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(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(cè)地

4、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(cè)量由地下介質(zhì)感應(yīng)生成的電場(chǎng)和磁場(chǎng)各分量，分析和研究可得到地下介質(zhì)的信息。,WEM信號(hào),目標(biāo),在每個(gè)測(cè)點(diǎn),記錄3分量磁場(chǎng)Hx,Hy,Hz和2電場(chǎng)Ex,Ey，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)的電導(dǎo)率結(jié)構(gòu)信息。,11,.,為什么能夠測(cè)深？感性認(rèn)識(shí),12,.,為什么能夠測(cè)深？感性認(rèn)識(shí),13,.,為什么能夠測(cè)深？感性認(rèn)識(shí),.,14,1、正演問題,15,.,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)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(duì)應(yīng)于求解一數(shù)理模型的邊值或初值問題；在大

5、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大地表面時(shí)，求在地表產(chǎn)生的電磁響應(yīng)。,16,.,大地電磁測(cè)深正演,17,.,關(guān)于場(chǎng)源,MT中假設(shè)場(chǎng)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(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)。MT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)。外來的感應(yīng)電磁場(chǎng)場(chǎng)源：電離層的運(yùn)動(dòng)、太陽風(fēng)、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)或小規(guī)模的擾動(dòng)、太陽風(fēng)、遠(yuǎn)距離的雷電和工業(yè)用電等。,頻率域電磁場(chǎng)方程,取時(shí)諧因子為，即場(chǎng)可以表示為：對(duì)于某一個(gè)頻率，麥克斯韋方程為：由此可得兩

6、個(gè)矢量波方程其通解為,19,.,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，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)可以視為一維結(jié)構(gòu)、二維結(jié)構(gòu)和三維結(jié)構(gòu)，對(duì)應(yīng)的理論研究也有一維問題、二維問題和三維問題。,20,.,一維正演：均勻半空間問題,假設(shè)場(chǎng)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(chǎng)只存在Hy和Ex分量，即總的電磁場(chǎng)可表示為：,此時(shí)矢量波動(dòng)方程退化為：,其解為：,則阻抗為：,同理可得TM模式下的阻抗為：,21,.,一維正演：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

7、與地面法線方向成角時(shí)，因?yàn)榭諝庵须妼?dǎo)率為零，故有：,在地表，電磁場(chǎng)的切向分量連續(xù)，故要求：,因?yàn)榈厍騼?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：,22,.,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(shí)求得的量稱為視電阻率，并把阻抗的幅角稱為阻抗相位,23,.,一維正演：層狀介質(zhì)模型,源信號(hào),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,26,.,一維正演：連續(xù)介質(zhì)模型,

8、源信號(hào),27,.,一維正演：連續(xù)介質(zhì)模型,源信號(hào),28,.,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(chǎng)Hy不僅與Ex而且可能同Ey也有關(guān)，對(duì)于磁場(chǎng)Hx也一樣。這時(shí)，電場(chǎng)與磁場(chǎng)的關(guān)系用下式表示：,阻抗張量,此外，關(guān)于垂直磁場(chǎng)有定義：,傾子矢量,29,.,二維和三維模型問題,源信號(hào),源信號(hào),30,.,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,31,.,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)可以解耦成兩組獨(dú)立的場(chǎng):TE極化模式(Ex,Hy,Hz)、TM極化模式(Hx,Ey,Ez)。因此，二維大地電磁

9、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：,32,.,二維正演計(jì)算的簡(jiǎn)單實(shí)例,TE模式,TM模式,視電阻率分布,33,.,二維正演的簡(jiǎn)單算例,TE模式,TM模式,阻抗相位分布,34,.,復(fù)雜模型的正演結(jié)果,35,.,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)，這時(shí)必須直接求解矢量波方程。,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。,.,36,2、反演問題,37,.,如何理解反演？,反演是指根據(jù)實(shí)測(cè)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(gè)基本條件：實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)和一個(gè)先驗(yàn)?zāi)Ｐ拖到y(tǒng)。通常的最小二乘多項(xiàng)式擬

10、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)的數(shù)據(jù)，“多項(xiàng)式”這種函數(shù)形式就是“先驗(yàn)?zāi)Ｐ拖到y(tǒng)”。,38,.,二維正演計(jì)算的簡(jiǎn)單實(shí)例,TE模式,TM模式,視電阻率分布,39,.,二維正演的簡(jiǎn)單算例,TE模式,TM模式,阻抗相位分布,40,.,復(fù)雜模型的正演結(jié)果,41,.,如何理解反演？,對(duì)于大地電磁測(cè)深而言，“實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)”就是在地表實(shí)測(cè)的視電阻率、相位等數(shù)據(jù)；“先驗(yàn)?zāi)Ｐ拖到y(tǒng)”是對(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)基礎(chǔ)上的正演實(shí)現(xiàn)過程。更明確的說，這里的“先驗(yàn)?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(duì)于大地電磁測(cè)深而言，所謂待反

11、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(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，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)。,42,.,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(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。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(duì)非線性反演問題的。其共同的基礎(chǔ)是采用一些啟發(fā)

12、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。,43,.,正則化反演方法介紹,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。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。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。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

13、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(jiǎn)單模型,最平緩模型,最光滑模型,地球物理反演問題,45,.,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(jiǎn)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）,46,.,一維理論模型的反演對(duì)比,.,47,3、實(shí)際資料的采集和處理,48,.

14、,大地電磁觀測(cè)方式示意圖,Ex,Hy,Ey,Hx,Hz,49,.,主要儀器觀測(cè)系統(tǒng),7080年代，主要使用國(guó)產(chǎn)儀器；90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(guó)Metronix公司的GMS-06、GMS-07等美國(guó)的EM24（？）等,50,.,51,.,實(shí)際資料的處理和反演解釋,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、二維特征量等各種MT參數(shù)，進(jìn)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,52

15、,.,AMT/MT數(shù)據(jù)處理流程圖,53,.,54,.,55,.,某地區(qū)實(shí)測(cè)的MT視電阻率和相位曲線,.,56,大地電磁測(cè)深的應(yīng)用,57,.,巖石的電導(dǎo)率及其與地震和地下資源的關(guān)系,58,.,地震,地震引起的視電阻率幅度的變化,59,.,五大連池火山區(qū)電性結(jié)構(gòu)的三維成象圖,60,.,長(zhǎng)白山火山區(qū)NE測(cè)線的二維反演結(jié)果,61,.,長(zhǎng)白山火山區(qū)電性結(jié)構(gòu)的三維成象圖,62,.,青藏高原東北緣的大地電磁探測(cè),63,.,吉林地?zé)崽锾綔y(cè)的二維反演結(jié)果,.,65,存在的問題和我的一些研究,66,.,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

16、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(dòng)力學(xué)直接結(jié)合起來？,67,.,野外實(shí)際地電結(jié)構(gòu)一般是三維的！,68,.,實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)二維反演結(jié)果,69,.,二維反演中數(shù)據(jù)極化模式的選擇,(蔡軍濤，陳小斌，趙國(guó)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,70,.,二維反演結(jié)果的比較,71,.,2.地形的影響,（未發(fā)表）,純地形模型,72,.,反演網(wǎng)格對(duì)地形的擬合,TE和TM的互換,73,.,反演結(jié)果的有效深度復(fù)雜模型趨膚深度的計(jì)算,（未發(fā)表）,74,.,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）,75,.,反演結(jié)果的非唯一性分析,可視化集成系統(tǒng)的開發(fā),76,.,可視化集成系統(tǒng)的開發(fā),77,.,汶川地震初步的動(dòng)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,.,78,謝謝大家！,79,.,橫電波橫磁波：場(chǎng)的極化模式,橫電波（TE模式）：垂直于傳播方向的場(chǎng)分量只有電場(chǎng)；橫磁波