蔡軍濤

(中國(guó)地震局地質(zhì)研究所,北京 100029)

大地電磁三維畸變特征及校正新技術(shù)的應(yīng)用研究

蔡軍濤

(中國(guó)地震局地質(zhì)研究所,北京 100029)

大地電磁研究和應(yīng)用中,面臨的實(shí)際地質(zhì)結(jié)構(gòu)多數(shù)是三維的,但是當(dāng)前三維反演技術(shù)還不成熟,仍需要利用二維模型進(jìn)行近似反演解釋。在進(jìn)行二維反演解釋時(shí),如何分析認(rèn)識(shí)三維局部畸變的性質(zhì),最大限度地克服三維局部畸變的影響,獲得盡可能可信的地質(zhì)解釋結(jié)果,如何認(rèn)識(shí)三維模型的二維近似程度,如何利用觀測(cè)的TE模式和TM模式的視電阻率和相位資料等問題,是受到普遍關(guān)注的科學(xué)問題和實(shí)際難題,也成為當(dāng)前影響大地電磁向前發(fā)展的關(guān)鍵問題之一。

本論文正是針對(duì)上面存在的問題,采用三維數(shù)值模擬方法模擬大地電磁局部畸變,在此基礎(chǔ)上,研究局部畸變的影響特征,提出新的畸變校正方法和新的電性結(jié)構(gòu)維性判定參數(shù),并對(duì)三維數(shù)據(jù)的二維近似反演從數(shù)據(jù)差異性和反演結(jié)果合理性的角度做了詳細(xì)的研究,最后通過對(duì)實(shí)測(cè)資料的應(yīng)用檢驗(yàn)了本文的研究成果。論文主要研究?jī)?nèi)容和取得的成果概述如下:

1 大地電磁局部畸變基礎(chǔ)理論及研究狀況歸納總結(jié)

從大地電磁局部畸變的電磁場(chǎng)控制方程出發(fā),推導(dǎo)了異常電場(chǎng)和異常磁場(chǎng)的積分表達(dá)式。論述了局部畸變模型成立的物理假設(shè),并詳細(xì)推導(dǎo)了阻抗張量畸變和傾子矢量畸變的計(jì)算表達(dá)式。介紹了局部畸變的傳統(tǒng)分類中電流型畸變和感應(yīng)型畸變的概念,它們對(duì)二維TE和TM模式視電阻率曲線的影響,最后簡(jiǎn)單分析了近地表三維局部畸變影響的一些特點(diǎn)。介紹了大地電磁構(gòu)造維性分析中常用的阻抗張量基本旋轉(zhuǎn)不變量、WAL旋轉(zhuǎn)不變量以及基于這些不變量的構(gòu)造維性判定方法、B-Q構(gòu)造維性判定參數(shù),指出應(yīng)用這些不變量分析時(shí)應(yīng)注意的問題。詳細(xì)介紹了目前已有的常用畸變校正方法,對(duì)與本論文關(guān)系比較密切的算法如Sw ift、Bahr、GB方法做了詳細(xì)的推導(dǎo)說明,并指出其優(yōu)點(diǎn)和不足之處,為本文提出新的畸變校正方法提供了研究的出發(fā)點(diǎn)。另外,對(duì)電、磁場(chǎng)全畸變公式中的錯(cuò)誤也作了修正。

2 大地電磁局部畸變特征的三維模擬分析

在第一部分理論研究的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)典型的局部畸變模型,采用改進(jìn)的交錯(cuò)網(wǎng)格有限差分法進(jìn)行了三維局部畸變的數(shù)值模擬,對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了定性的分析,獲得一些新的認(rèn)識(shí)。研究發(fā)現(xiàn)TM模式視電阻率曲線在穿越低阻異常體界面時(shí),曲線會(huì)先上移然后再下移,而在穿越高阻異常體界面時(shí),曲線會(huì)先下移再上移。這與電性分界面處積累面電荷產(chǎn)生的二次電場(chǎng)有關(guān)。當(dāng)異常體為高阻時(shí),在其表面積累的面電荷產(chǎn)生的二次電場(chǎng),在異常體上方其與一次電場(chǎng)方向相同,則觀測(cè)總場(chǎng)是增大的。在異常體的兩端邊界附近,二次電場(chǎng)與一次電場(chǎng)的方向是相反的,因此導(dǎo)致觀測(cè)的總場(chǎng)是減小的;當(dāng)異常體為良導(dǎo)時(shí),在異常體上方二次電場(chǎng)與一次電場(chǎng)的方向相反,則觀測(cè)總場(chǎng)是減小的。在異常體的兩端邊界附近,二次電場(chǎng)與一次電場(chǎng)是同向的,觀測(cè)總場(chǎng)是增大的。

區(qū)域二維構(gòu)造走向?yàn)槟媳狈较驎r(shí),在YX模式視電阻率平面圖中三維低阻異常體在南北方向被拉伸,在東西邊界處視電阻率分別存在一個(gè)增大的區(qū)域。而XY模式視電阻率平面圖中三維低阻體異常體在東西方向被拉伸,在南北邊界處存在視電阻率增大區(qū)域。在XY模式相位平面圖中,三維低阻異常體在東西方向被拉長(zhǎng),在南北邊界處存在相位值減小區(qū)。在YX模式相位平面圖中,三維低阻異常體在南北方向被拉長(zhǎng),在東西邊界處存在相位值減小區(qū)。該現(xiàn)象與二維TM模式曲線在穿越電性分界面時(shí)的規(guī)律是一致的,當(dāng)測(cè)線沿東西方向展布時(shí),三維響應(yīng)的YX模式對(duì)應(yīng)二維情況下的TM模式。而當(dāng)測(cè)線沿南北方向展布時(shí),三維響應(yīng)的XY模式對(duì)應(yīng)二維情況下的TM模式。

低阻小異常體對(duì)二維區(qū)域響應(yīng)的畸變比高阻小異常體要嚴(yán)重得多,高阻體對(duì)區(qū)域響應(yīng)TM模式的畸變要稍大于TE模式,而低阻體則是對(duì)TE模式的畸變大于TM模式。同一極化模式,相位曲線相比視電阻率曲線而言,受畸變的影響要小。

位于小異常體中心上方測(cè)點(diǎn)的三維畸變響應(yīng)與對(duì)應(yīng)二維區(qū)域響應(yīng)的差異比較大,但可以等效于其他的二維模型響應(yīng),這種特殊畸變?cè)谫Y料解釋時(shí)要特別注意。

3 大地電磁局部畸變校正新方法研究

介紹了國(guó)外研究者新近提出的得到廣泛應(yīng)用的相位張量,并在國(guó)內(nèi)首次將該方法應(yīng)用于理論數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)資料的解釋中。提出了一種新的單點(diǎn)單頻畸變校正方法(SSSF)和單點(diǎn)多頻校正方法(SSM F),推導(dǎo)了其理論計(jì)算公式,在此研究的基礎(chǔ)上提出新的構(gòu)造維性判定參數(shù),編制了相應(yīng)的局部畸變分析軟件。首先采用合成理論數(shù)據(jù)驗(yàn)證了新方法的正確性,然后采用Sw ift、Bahr、GB、相位張量、WAL、SSSF和SSM F方法對(duì)三維局部畸變模擬的結(jié)果進(jìn)行了定量的分析,最后將新方法應(yīng)用于實(shí)測(cè)資料的解釋。研究結(jié)果表明SSSF和SSM F法的計(jì)算結(jié)果與其他張量分解方法基本一致或更好,其提供的構(gòu)造維性參數(shù)和畸變因子為大地電磁資料的分析提供了有力的補(bǔ)充。另外根據(jù)實(shí)際應(yīng)用中存在的問題,修正了WAL方法維性判定準(zhǔn)則。

4 三維畸變數(shù)據(jù)的二維反演中極化模式的選擇

針對(duì)三維和二維模型響應(yīng)數(shù)據(jù)的差異,如何認(rèn)識(shí)二維模式的近似程度,如何利用觀測(cè)的TE模式和TM模式的視電阻率和相位資料等問題,對(duì)三維模型數(shù)據(jù)的二維近似反演問題的研究,主要從三維模型和二維模型響應(yīng)差異性和二維反演結(jié)果合理性兩個(gè)方面進(jìn)行了研究。

研究結(jié)果表明:在三維模型條件下,利用二維模型進(jìn)行反演時(shí),TE模式對(duì)模型的二維的近似程度要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于TM模式;當(dāng)三維結(jié)構(gòu)影響較明顯時(shí),僅利用TM模式數(shù)據(jù)進(jìn)行二維反演比僅利用TE模式或利用TE+TM模式聯(lián)合反演都更合理,反演結(jié)果中的虛假結(jié)構(gòu)明顯減少;對(duì)于TM模式,相位受三維畸變影響較小,視電阻率較大,所以反演中可適當(dāng)加大相位的權(quán);對(duì)于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的二維反演,應(yīng)優(yōu)先考慮采用TM模式數(shù)據(jù)進(jìn)行二維反演,其次是TM+TE模式,一般不要單獨(dú)采用TE模式。本章對(duì)上述情況提出了物理分析的依據(jù)。

5 論文研究成果在實(shí)測(cè)資料中的綜合應(yīng)用

將論文研究成果綜合應(yīng)用于青藏高原東邊緣帶的美姑—綏江剖面大地電磁實(shí)測(cè)資料的解釋中,對(duì)區(qū)域構(gòu)造維性采用相位張量、SSSF方法和WAL方法進(jìn)行綜合判定,采用SSSF方法確定區(qū)域主軸方位角,局部畸變校正選用了論文新提出的SSM F方法。二維反演采用TM模式數(shù)據(jù)進(jìn)行反演,在反演中還采用了多項(xiàng)新技術(shù),其一是利用測(cè)點(diǎn)中心網(wǎng)格的自動(dòng)生成技術(shù)構(gòu)建帶地形的二維反演初始模型,其二是正則化因子τ的分段取值。采用復(fù)雜模型大地電磁有效探測(cè)深度技術(shù)計(jì)算了二維反演結(jié)果的有效趨膚深度,同時(shí)參考相位張量不變量參數(shù)的結(jié)果,綜合評(píng)價(jià)了反演結(jié)果的可靠性。取得了比較滿意的反演結(jié)果,為研究區(qū)地電模型的建立和地質(zhì)解釋奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

大地電磁;三維模擬;局部畸變;畸變校正;二維反演;極化模式;青藏高原東邊緣

P318,P319;

A;

10.3969/j.issn.0235-4975.2010.03.012

(作者電子信箱,蔡軍濤:c juntao@gm ail.com)