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.     

基于有限体积法的二维大地电磁各向异性数值模拟

为了计算带任意地形的各向异性介质中二维大地电磁响应,本文在非结构化网格的基础上,采用有限体积法,开发了二维大地电磁各向异性正演模拟的新算法.首先,从Maxwell方程出发,推导二维各向异性介质中大地电磁场的边值问题;然后,采用三角网格自动生成技术对求解区域进行非结构化网格剖分,进而构建节点中心控制体积单元,利用有限体积方法,得到求解边值问题的大型稀疏线性方程组;最后,利用Pardiso精确地计算了大地电磁响应值.三个各向异性模型的计算结果表明,本文开发的有限体积算法,不仅能够高精度求解带任意地形的大地电磁电导率各向异性问题,而且对于同一模型,该方法的计算消耗和精度都与有限单元法相当.因此,有限体积法是处理电磁法各向异性问题的一种有效方法.

     

二维对称各向异性介质大地电磁反演

考虑一种二维构造走向与一水平各向异性主方向一致的对称各向异性介质. 在这种特殊情况下,若假设电导率沿垂向和倾向表现相同的各向异性, 即sigma;zz=sigma;yy,则得到形式完全等同于各向同性情形TE和TM极化方程的微分方程. 因此, 就可用各向同性完全相同的反演方法, 获得二维各向异性介质的电导率. 亦即各向同性介质的TE和TM极化反演结果, 可以解释为对称各向异性介质两主方向上的电阻率. 这为MT解释提供了新的解释途径及其理论依据. 最后用由此发展起来的各向异性介质反演方法,对甘肃天祝永登一带大地电磁资料进行了反演试验,获得了该区地壳介质各向异性电导率结构      

大地电磁二维对称各向异性介质的有限元数值模拟

假定垂直轴为二维对称各向异性介质主轴之一，构造走向与另一主轴方向成任一夹角，用伽勒金（Ｇａｌｅｒｋｉｎ）有限元法和矩形网格，优化地合成总体刚度矩阵，使二维各向异性介质的基本方程形成有限元代数方程组，求出各节点场值，并利用ＭＯＭ法求出辅助场，进而求出张量阻抗等响应函数．同时还对有关文献的计算模型进行了数值模拟检验     

二维大地电磁各向异性参数对视电阻率的影响研究

大地电磁法是广泛应用于深部地质结构探测、油气和矿产资源勘查等领域的一种地球物理方法.电性各向异性对电磁观测数据有很大影响,但介质各向异性参数对不同模式视电阻率的影响还较少有较为系统的研究.本文基于Maxwell方程组,推导了二维大地电磁场在任意各向异性介质中电场和磁场相互耦合的变分方程,结合有限单元法及并行计算编写了二维大地电磁任意各向异性正演程序,采用三角形网格剖分.验证程序正确性后,以倾斜板状体作为模型来研究三个主轴电阻率及三个旋转欧拉角和四种模式的视电阻率之间的关系.结果表明,主轴各向异性时,xy模式视电阻率几乎只受x方向电阻率影响,yx模式视电阻率主要受y方向电阻率影响,但同时也受z方向电阻率一定影响;三个欧拉角中只有倾角不为零时,yx模式视电阻率受倾角大小的影响较大,xy模式视电阻率几乎不受倾角的影响;只有走向角不为零时,四种模式的视电阻率同时受x、y两个主轴电阻率和走向角的大小的影响.     

天祝-永登地区大地电磁资料的一维各向异性反演

对分布在甘肃天祝、永登一带的10个大地电磁测点资料进行了一维各向异性介质反演研究，并与二维对称各向异性介质反演结果进行了对比。结果表明在大多数情况下一维各向异性反演有可能揭示出地壳介质电导率各向异性结构的主要特征；同时利用某些平均阻抗和特征阻抗的一维各向同性介质反演亦可获得较为可信的电性分层界面。反演所获得之介质电导率可能为各主方向电导率主值的某种平均。     

电性各向异性地层频率域电磁响应模拟

在现有计算机内存和运算速度条件下,电性各向异性地层中频率域电磁响应的数值模拟是一个难点. 为探索各向异性介质模型电磁响应的有效算法,同时为进一步研究各向异性地层测量响应的校正方法奠定基础,从Maxwell电磁响应方程出发,使用由三个彼此垂直的发射线圈和三个彼此垂直的接收线圈组成的线圈结构模型,应用交错网格有限差分法推导了三维频率域电磁响应的差分计算格式,采用预条件双共轭梯度法对所形成的复系数矩阵进行了迭代求解,从而得到电性各向异性地层模型下的线圈测量响应. 应用这些方法进行了多种条件下电磁响应的计算,计算结果表明,所形成的计算方法是准确可靠的,预条件双共轭梯度法的运算效率也较高;电性各向异性地层的电磁响应与地层倾角（或井斜角）、仪器测量方位、地层的水平电阻率和垂直电阻率有关;根据水平方向磁场强度分量可以确定地层界面;在电磁响应计算过程中,背景电导率的取值要尽量接近整个计算区域的平均电导率.     

面向目标自适应有限元法的带地形三维大地电磁各向异性正演模拟

传统三维大地电磁各向异性模拟均是基于规则六面体网格,计算精度有限且较难拟合复杂地质条件.本文采用面向目标自适应非结构矢量有限元法,对三维大地电磁各向异性介质进行模拟.首先从电场双旋度方程出发,利用伽辽金方法建立变分方程;然后利用电流密度连续性条件构建适合大地电磁各向异性问题的加权后验误差估计方法,实现面向目标的网格自适应正演;最后通过典型算例分析各向异性对网格自适应和大地电磁响应的影响特征以及各向异性的识别方法.本文算法能够高精度地拟合起伏地表和任意各向异性介质,适用于分析复杂地电条件大地电磁响应特征,为提高大地电磁资料解释水平提供了理论基础.

     

大地电磁二维各向异性反演及其在青藏高原北部的应用

地球介质的电性特征在不同深度上都可能表现出各向异性,识别电各向异性有助于深入理解地球内部物质状态及变形环境,促进对动力学模型的理解.本研究在已实现的任意电各向异性大地电磁有限差分正演算法的基础之上,通过构建常规的各向异性反演目标函数,完成对目标函数及其梯度的计算.借助成熟的非线性共轭梯度反演技术,实现了对大地电磁各向异性介质的反演过程.在此基础上,构建了二维方位各向异性理论模型,来验证反演过程的稳定性.理论模型的反演结果直观地显示了大地电磁各向异性反演对模型参数中垂直电导率恢复上的局限性;在各向异性结构分析上需要将电导率张量作为整体考虑.对青藏高原北部东昆仑—柴达木盆地西段的实测大地电磁数据进行反演,并对比早期二维各向同性反演结果发现,各向同性结构中位于祁漫塔格山脉下方上地幔顶部存在低阻异常带,在相同的位置,各向异性结构中表现出明显的方位各向异性,其各向异性低阻主轴电阻率指示的剪切带走向与地表造山带走向不一致,这暗示该处的应力环境复杂,除了受印度—欧亚板块碰撞控制外,还可能受到邻近阿尔金走滑断裂带左行剪切运动的影响.

     

各向异性激发极化层状介质可控源音频大地电磁响应模拟研究

在自然界中,电性各向异性和激发极化效应是岩矿石客观存在的物理性质,传统的电磁勘探方法通常将地下介质简化为不合激电效应的各向同性电阻率模型,不利于实现多参数精细探测.本文开展了考虑介质各向异性激发极化效应的层状大地可控源音频大地电磁响应数值模拟研究.首先提出了各向异性的Cole-Cole模型,然后将各向异性复电阻率代入电...     

起伏地形下各向异性的2D大地电磁无网格法数值模拟

作为一种基于节点的计算方法,无网格法具有构造高阶导数方便,自适应分析便利的优点,特别适合复杂地质构造的数值模拟.本文针对实际地球物理勘探中存在的起伏地形和各向异性的地电结构,提出用无网格法来模拟大地电磁响应,采用复合二次径向基函数构造了形函数,推导了大地电磁无网格法等价线性方程组,研究了系数矩阵的压缩存储方法以及大型稀疏复线性方程组快速求解算法,实现了起伏地形下各向异性的2D大地电磁高精度数值模拟.基于层状模型验证了算法的正确性,计算结果表明：无论是TM模式还是TE模式,计算相对误差均小于1%;通过对地垒和地堑模型的模拟,得出了起伏地形对视电阻率和相位的影响规律;对起伏地形下含有不同各向异性系数异常体的模型进行了数值模拟,为开展复杂地质结构的电磁场特征研究以及地形校正奠定了理论基础.随着计算科学的快速发展,无网格法必将成为新的高精度电磁场数值模拟方法.     

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.

     

利用大地电磁三维反演方法获得二维剖面附近三维电阻率结构的可行性

大地电磁野外实测数据目前大多为二维剖面数据.如何反演这些二维剖面数据获得较为接近实际地电情况的结果,是多数大地电磁工作者关心的问题.我们通过对理论模型的三维响应进行分析和对合成数据及实测资料的反演结果进行对比研究,讨论了利用三维反演的方法来获得大地电磁二维剖面附近三维电阻率结构的可行性.结果表明:可用三维反演的方法来解释二维剖面数据.对大地电磁二维剖面的张量数据进行三维反演,不仅可以沿剖面获得较好的二维断面结果,还能够得到二维反演所不能获得的剖面附近的三维电阻率结构信息.合成数据的反演算例表明:对二维剖面数据进行三维反演时,对角元素对于圈定剖面附近三维异常体的空间分布具有独特作用,应尽量反演所有的张量元素.     

班公—怒江构造带的电性结构特征——大地电磁探测结果

对青藏高原过班公—怒江构造带的三条大地电磁剖面进行探测,获得班公—怒江构造带及其邻区的电性结构模型,研究了班公—怒江构造带的深部结构与构造特征.研究结果表明：构造带及其两侧上地壳内广泛分布不连续高阻体,反映了岩浆岩的空间分布特征,表明构造带南北两侧岩浆的活动规律可能存在较大差别.研究区内的冈底斯及羌塘地体的中、下地壳普遍发育高导层,反映了印度大陆碰撞、俯冲过程的效应与痕迹,而高导层之下的高阻块体则可能是向北俯冲、冷的、刚性的印度大陆地壳.羌塘地体的电性结构模型可以分为南北两个区段,南羌塘块体的壳内高导层与班公—怒江构造带对印度板块俯冲的阻挡作用有关;而北羌塘块体壳内高导层与亚洲大陆对印度板块向北俯冲的“阻挡”与向南“对冲”有关.印度板块向北的俯冲与挤入,受到班公—怒江构造带及亚洲板块的阻挡,可能没有越过班公—怒江构造带,并在班公—怒江构造带附近向下插入软流圈,导致幔源物质上涌,形成壳、幔热交换与物质交换的通道和规模巨大、延伸至上地幔的高导体.班公—怒江构造带的电性结构证明了该构造带是一组产状陡立、巨型的超壳深断裂带.     

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.     

大地电磁资料精细处理和二维反演解释技术研究(五)--利用阻抗张量成像识别大地线性构造

大地线性构造往往与块体或物性的边界、断裂的几何延伸相关联,是地学研究的重要目标构造.在大地电磁法中,传统的方法是通过反演得到的电性结构的差异来解译线性构造,是一种间接分析方法.由于线性构造发育处走向和倾向明显,二维性较其他地方一般会更强,故而在阻抗张量成像分析中,相应的二维有效因子就会比较大,最佳主轴统计分布会更加明显.据此,本文利用大地电磁阻抗张量成像（包括最佳主轴统计成像、构造维性成像）来探测识别大地线性构造.本文首先通过三维理论模型的研究结果来验证这一技术在线性结构探测中的有效性,然后将其应用于郯庐断裂带南段实测剖面的具体分析中,展示了这一技术在线性构造探测中的实用性及其数据处理与分析过程.本文研究表明,大地电磁阻抗张量成像技术可独立于反演为地质解释尤其是线性构造的解释提供诸多参考信息.