带地形的大地电磁各向异性二维模拟及实例对比分析

带地形的大地电磁二维正演数值模拟多数基于电性各向同性理论,由于地球内部电性各向异性现象的普遍存在,基于电性各向异性理论研究地形起伏情况下大地电磁二维正演数值模拟就显得非常迫切.本文首先由麦克斯韦方程出发,引入张量电导率,求得一组关于平行走向的电场分量Ex和磁场分量Hx的二阶偏微分方程,使用有限差分法求解出Ex和Hx的近似解,并以此求得其他场分量;其次,引入地形因素,改变变量在网格节点中的排列方式,选择交错排列方式从而给有限差分系数矩阵的最大带宽分配合理的存储空间;最后,使用Weaver的方法解决TM模式下,在地-空分界面垂直于构造走向的一些区域存在不同电导率的问题.通过对带地形的二维电性各向异性结构做正演模拟,研究地形因素对大地电磁响应的影响;以电性各向异性理论为基础,将地形因素引入对实测大地电磁资料的处理中,通过做二维正演拟合和未引入地形因素的结果做对比,说明电性各向异性现象的普遍存在,认识地形因素对观测大地电磁场的影响,为今后分析解释实测大地电磁资料包含地形因素和电性各向异性情况提供理论基础和技术指导.     

无限长源二维各向异性地层中CSAMT有限元模拟

可控源音频大地电磁测深法(CSAMT)基本上是基于电性各向同性理论的假设,而实际地层普遍表现为电性各向异性现象,因此研究各向异性地层条件下CSAMT方法的电磁响应具有重要的理论意义和应用价值.本文从有源Maxwell方程出发,推导出了二维各向异性地层条件下无限长线源频率域的电磁场响应,得到了一组平行于线源方向的电场分量E_x和磁场分量H_x的偏微分方程,并采用有限元法进行求解.模型的计算结果表明:不论是对均匀半空间还是一维层状介质中的各向异性二维体模型的计算,均能从结果中明显地看出各向同性背景场和各向异性异常体的存在;在计算中通过改变各向异性系数或各向异性旋转角,其结果在视电阻率和相位曲线上均存在显著区别.计算结果表明了在各向异性地层中,仍然采用各向同性的假设进行CSAMT资料的处理与解释,可能会带来比较严重的误差,这种情况下必须采用基于各向异性的地质模型对CSAMT资料进行处理和解释.研究结果对于提高CSAMT方法的勘探效果和应用水平具有重要的指导意义.     

利用大地电磁测深法识别EDA地震电性变化前兆

论述了起因于ＥＤＡ现象的地球介质电导率各向异性特征，分析研究了地球介质是忸率各向异性变化引起的大地电磁响应函数变化形态特征，简述了大地电磁测深法对ＥＤＡ电性变化前兆的可识别性及大地电磁资料解释中考虑电导率各向异性的必要性，研究了对称各向异性层状介质大地电磁资料的反演问题。     

倾子资料特征分析研究

应用大地电磁测深法二维正演程序,对不同情况下存在横向电性分界面的模型进行了正演模拟计算,得到了磁场的垂直分量,并计算了倾子的实部、虚部、振幅和相位资料,然后分别对不同情况下理论模型所形成的异常特征和其规律进行了分析研究.研究表明,倾子资料对地下介质中存在的横向电性分界面反映明显,但其不同分量对横向电性分界面的反映特征和反映能力各不相同.通过对理论模型中倾子资料特征规律的分析和总结,为大地电磁法中实测倾子资料的定性分析解释提供了理论依据和指导.     

各向异性介质中大地电磁正演研究综述

在地球物理资料处理解释中,各向异性现象是一个无法忽视的重要因素.各向异性介质中大地电磁(MT)的正演数值模拟计算一直是国内外电磁感应领域研究的前沿课题.文中简要介绍了正演数值模拟计算的发展历程和几种主要的研究方法,探讨了未来各向异性介质中大地电磁正演研究方向、需要解决的难点和面临的挑战.     

大地电磁相位超象限现象的各向异性模型研究——以上下结构为例

大地电磁观测数据中的相位超象限现象可以由不同的电性结构产生.本文在已实现大地电磁三维任意各向异性有限差分正演的基础上,以具有上下结构关系的三维各向异性模型为例,分析各向异性体的规模以及参数变化对阻抗相位的影响.在下部各向异性体规模明显大于上部各向异性体或表现为层状特征的情况下,上部各向异性体在两个水平方向上的尺度差异较大,可以看作准二维体时容易发生相位超象限;当上部各向异性体在两个水平方向上尺度相近表现为规则三维体时,要产生相位超象限的现象则需要各向异性体具有更高的各向异性比.在同等条件下,增加各向异性体的各向异性比更容易发生相位超象限;而各向异性走向方位角的变化将直接影响到发生相位超象限的范围.对于准二维模型引起相位超象限的条件,沿用二维模型的近似解析分析方法,进一步构建了基于各向异性体的电导率、背景电导率以及各向异性走向角的相位超象限指标函数,从而更加直观地解释在二维或准二维条件下发生相位超象限现象的模型参数特征.     

三维任意各向异性介质中海洋可控源电磁法正演研究

由于海底介质受沉积环境的影响,层理发育呈现明显各向异性特征.对于海洋可控源电磁法各向异性的研究以往主要局限于一维和二维模型,为更深入了解复杂情况下海底各向异性对海洋可控源电磁响应的影响规律,本文开展三维任意各向异性介质中海洋可控源电磁法正演研究.采用交错网格有限差分技术,通过对任意各向异性介质电导率张量实行体积和空间电流密度平均,完成海洋可控源电磁二次散射电场的离散化,成功实现任意各向异性介质中海洋可控源电磁正演模拟.通过对几种典型各向异性电性模型条件下海洋电磁电场多分量响应及分布特征和各向同性情况的对比分析,总结电各向异性对海洋电磁响应的影响规律和识别方法.本文算法研究及算例可为海洋可控源电磁数据精细化处理解释提供技术支撑.     

二维与三维大地电磁反演的敏感度研究

大地电磁法可应用于岩石圈结构探测、金属固体矿产以及地热资源勘察等方面,目前三维大地电磁反演技术日趋成熟,但二维反演依然应用广泛.受台网布设及复杂地质构造影响,大地电磁数据往往结合二维与三维反演技术来减轻计算负担和改善反演效果,而评估二维与三维反演模型及其差异对准确获取地下电性结构信息至关重要.本文提出了一种基于敏感度矩阵的电性异常体边界划定以及反演模型可靠性评估方法,该方法通过求解大地电磁正演的伴随问题来构建敏感度矩阵,无需设计额外模型即可分析反演结果的可靠性.此外,本文还利用合成数据讨论了大地电磁二维与三维反演的有效探测深度.当地下结构三维性不强时,二维反演可以有效恢复深部低阻异常体的电阻率值,为深部地质解释提供定量约束.但当电性结构三维性较强时,三维反演重建的边界与真实位置更加吻合,而二维反演会产生虚假异常,不利于后续地质解释.     

各向异性介质的大地电磁反演及其有关地震前兆场的讨论

论述了某些条件下地球介质呈现出的电导率各向异性行为及层状对称各向异性介质大地电磁资料的反演方法；实测大地电磁（ＭＴ）资料的各向异性模型反演解释有助于识别地震深部电导率各向异性变化前兆，并对研究地壳深部应力状态和形变带提供了若干有用的信息     

用有限元法正演京津唐地区二维构造的大地电磁测深资料

本文阐述在大地电磁测深工作中,用有限单元法,模拟计算京津唐地区二维地质构造的大地电磁响应。 文章前部分,论述了用有限单元法正演二维大地电磁测深曲线的原理及其数学公式推导。文章后部分,根据两条测线实测的大地电磁测深结果并结合其它地球物理探测资料,给出了两个二维剖面模型,并计算了两种极化的视电阻率曲线。两条实测剖面分别是横切唐山地震带的马兰峪—柏各庄剖面及横过北京地区北北东构造走向的文化营—王辛庄剖面     

回线源瞬变电磁法有限体积三维任意各向异性正演及分析

目前,瞬变电磁法(TEM)数据基本都是基于各向同性模型进行反演解释,这对于存在明显电性各向异性的勘探区域会产生较大的反演解释误差.为分析电各向异性对回线源瞬变电磁信号的影响方式与程度,本文通过求解离散化的全张量电导率时间域Helmholtz方程,实现了基于有限体积法的TEM任意各向异性的三维正演算法.该算法采用基于交错网格的拟态有限体积法(MFV)对时域Maxwell方程组进行空间域离散,并利用后退欧拉算法(Backward Euler Method)进行时间域离散.为提高时域电磁场的求解精度与效率,该算法将时间分段等步长算法与方程直接求解法相结合.通过对一维各向异性模型以及三维复杂各向同性模型进行测试,验证了本算法对于回线源瞬变电磁响应计算的正确性及有效性.最后,通过对几类典型电各向异性介质中大回线源瞬变电磁信号响应的分析,总结了不同电各向异性类型对TEM电磁信号的影响模式,结果表明,主轴各向异性情况下TEM信号主要受水平方向电导率的影响,倾斜各向异性对TEM信号的影响程度远大于水平各向异性,而通过水平各向异性信号能较清晰判断出各向异性主轴方向.     

EFFECT OF INCLINED ANISOTROPIC SUBSTRATUM ON MAGNETOTELLURIC RESPONSE*

In tectonically active regions electrical conductivity anisotropies are the dominating features. The importance of conductivity anisotropy in the interpretation of magnetotelluric data is well known. In the present study numerical results presented which show the effect of a substratum with inclined anisotropy on the magnetotelluric response. The pronounced change on the magnetotelluric response is found for the models in which the substratum underlies (i) conductive and (ii) resistive overburden.     

基于交叉梯度结构约束的大地电磁主轴各向异性并行三维反演

各向异性介质对大地电磁观测数据的影响往往不可忽略,因此需要提高大地电磁各向异性三维反演的可靠性和有效性.为了满足大地电磁各向异性三维反演的需求,本文研究了一种基于交叉梯度结构约束的大地电磁主轴各向异性并行三维反演算法.根据大地电磁平面波理论假设,正演方程采用背景场与二次场分离的计算方式,二次场利用交错网格有限差分法求解.由于各向异性反演的多解性,本文将各向异性介质简化为主轴各向异性,并在此基础上进一步采用有限内存拟牛顿LBFGS法实现三维各向异性反演.为了提高各向异性反演的分辨率,反演目标函数中引入交叉梯度项,利用先验的结构信息,对三个方向的电阻率参数进行结构约束,最终的反演进一步利用MPI(Message Passing Interface,消息传递接口)技术实现分频并行计算,测试结果显示并行接近线性加速比.     

频率域海洋可控源电磁垂直各向异性三维反演

地层宏观电性各向异性会对可控源电磁响应产生重要影响.由于海底地层电性结构常表现为电导率各向异性,若仅对海洋可控源电磁(MCSEM)数据进行常规各向同性反演,有可能无法获得准确的反演解释结果,从而削弱MCSEM技术的可靠性.本文实现了电导率垂直各向异性(VTI)条件下频率域海洋可控源电磁数据三维反演算法.其中,三维正演采用基于二次场控制方程的交错网格有限体积法,并利用直接矩阵分解技术来求解离散所得的大型线性方程组,有利于快速计算多场源的响应.反演采用具有近似二次收敛性的高斯牛顿算法对目标函数进行最优化.最后,对具有VTI电性各向异性特征的盐丘构造模型的MCSEM合成数据分别进行了电导率各向同性和垂直各向异性三维反演,结果表明:各向同性三维反演算法无法对受VTI介质影响的MCSEM数据进行正确的反演解释,而垂直各向异性三维反演能够获得更为可靠的地下电阻率结构和异常体分布,展现出对海底电性各向异性结构更为优良的反演解释能力.     

Magnetotelluric responses of three-dimensional conductive and magnetic anisotropic anomalies

A magnetotelluric finite-element modelling algorithm is developed, which is capable of handling three-dimensional conductive and magnetic anisotropic anomalies. Different from earlier three-dimensional magnetotelluric anisotropic modelling methods, the algorithm we presented has taken the magnetic anisotropy into consideration. The variational equations are produced by the Galerkin method and the governing equations are solved using a hexahedral vector edge finite-element method. The accuracy of this algorithm is firstly validated by comparing its solutions with the results of finite-difference method for a three-dimensional conductive arbitrary anisotropic model, and then validated by comparing with analytical solutions for a one-dimensional magnetic model. The responses of four kinds of models under different conditions are studied, and some conclusions are obtained. It shows that for materials with a high magnetic permeability, its influence on magnetotelluric responses cannot be ignored in some circumstances. Especially, if the magnetic susceptibility is exceptionally high, it may really distort the apparent resistivities of lower resistive anomalies. These conclusions are also beneficial for magnetotelluric survey.     

电磁勘探中各向异性研究现状和展望

电各向异性广泛存在于自然界中,已成为电磁勘探资料解释中不可忽视的因素.特别是在一些沉积岩地区,由于层理发育导致地下介质电阻率随电流方向发生变化,表现出很强的各向异性导电性.此时,利用各向同性模型进行电磁数据解释将引起很大的误差.本文回顾了电磁勘探中电各向异性研究的历史,简要介绍电各向异性成因、数值模拟中的数学描述及电各向异性介质中电磁场正反演模拟方法等研究现状,总结电各向异性在大地电磁、可控源电磁、航空电磁和感应测井等方面的最新研究进展及未来的挑战.随着多维电磁数据采集及正反演模拟技术的进步和计算能力的提高,给电各向异性信息提取和应用带来了新的契机.电各向异性研究将在矿产资源勘查、油气存储与运移特征分析、地下水和地热、环境工程地质调查、大地构造及地质灾害预测等方面发挥积极作用.