大地電磁三維畸變特征及校正新技術的應用研究

蔡軍濤

(中國地震局地質研究所,北京 100029)

大地電磁三維畸變特征及校正新技術的應用研究

蔡軍濤

(中國地震局地質研究所,北京 100029)

大地電磁研究和應用中,面臨的實際地質結構多數是三維的,但是當前三維反演技術還不成熟,仍需要利用二維模型進行近似反演解釋。在進行二維反演解釋時,如何分析認識三維局部畸變的性質,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解釋結果,如何認識三維模型的二維近似程度,如何利用觀測的TE模式和TM模式的視電阻率和相位資料等問題,是受到普遍關注的科學問題和實際難題,也成為當前影響大地電磁向前發展的關鍵問題之一。

本論文正是針對上面存在的問題,采用三維數值模擬方法模擬大地電磁局部畸變,在此基礎上,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構維性判定參數,并對三維數據的二維近似反演從數據差異性和反演結果合理性的角度做了詳細的研究,最后通過對實測資料的應用檢驗了本文的研究成果。論文主要研究內容和取得的成果概述如下:

1 大地電磁局部畸變基礎理論及研究狀況歸納總結

從大地電磁局部畸變的電磁場控制方程出發,推導了異常電場和異常磁場的積分表達式。論述了局部畸變模型成立的物理假設,并詳細推導了阻抗張量畸變和傾子矢量畸變的計算表達式。介紹了局部畸變的傳統分類中電流型畸變和感應型畸變的概念,它們對二維TE和TM模式視電阻率曲線的影響,最后簡單分析了近地表三維局部畸變影響的一些特點。介紹了大地電磁構造維性分析中常用的阻抗張量基本旋轉不變量、WAL旋轉不變量以及基于這些不變量的構造維性判定方法、B-Q構造維性判定參數,指出應用這些不變量分析時應注意的問題。詳細介紹了目前已有的常用畸變校正方法,對與本論文關系比較密切的算法如Sw ift、Bahr、GB方法做了詳細的推導說明,并指出其優點和不足之處,為本文提出新的畸變校正方法提供了研究的出發點。另外,對電、磁場全畸變公式中的錯誤也作了修正。

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上,設計典型的局部畸變模型,采用改進的交錯網格有限差分法進行了三維局部畸變的數值模擬,對計算結果進行了定性的分析,獲得一些新的認識。研究發現TM模式視電阻率曲線在穿越低阻異常體界面時,曲線會先上移然后再下移,而在穿越高阻異常體界面時,曲線會先下移再上移。這與電性分界面處積累面電荷產生的二次電場有關。當異常體為高阻時,在其表面積累的面電荷產生的二次電場,在異常體上方其與一次電場方向相同,則觀測總場是增大的。在異常體的兩端邊界附近,二次電場與一次電場的方向是相反的,因此導致觀測的總場是減小的;當異常體為良導時,在異常體上方二次電場與一次電場的方向相反,則觀測總場是減小的。在異常體的兩端邊界附近,二次電場與一次電場是同向的,觀測總場是增大的。

區域二維構造走向為南北方向時,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增大的區域。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,在南北邊界處存在相位值減小區。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,在東西邊界處存在相位值減小區。該現象與二維TM模式曲線在穿越電性分界面時的規律是一致的,當測線沿東西方向展布時,三維響應的YX模式對應二維情況下的TM模式。而當測線沿南北方向展布時,三維響應的XY模式對應二維情況下的TM模式。

低阻小異常體對二維區域響應的畸變比高阻小異常體要嚴重得多,高阻體對區域響應TM模式的畸變要稍大于TE模式,而低阻體則是對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點的三維畸變響應與對應二維區域響應的差異比較大,但可以等效于其他的二維模型響應,這種特殊畸變在資料解釋時要特別注意。

3 大地電磁局部畸變校正新方法研究

介紹了國外研究者新近提出的得到廣泛應用的相位張量,并在國內首次將該方法應用于理論數據和實測資料的解釋中。提出了一種新的單點單頻畸變校正方法(SSSF)和單點多頻校正方法(SSM F),推導了其理論計算公式,在此研究的基礎上提出新的構造維性判定參數,編制了相應的局部畸變分析軟件。首先采用合成理論數據驗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方法對三維局部畸變模擬的結果進行了定量的分析,最后將新方法應用于實測資料的解釋。研究結果表明SSSF和SSM F法的計算結果與其他張量分解方法基本一致或更好,其提供的構造維性參數和畸變因子為大地電磁資料的分析提供了有力的補充。另外根據實際應用中存在的問題,修正了WAL方法維性判定準則。

4 三維畸變數據的二維反演中極化模式的選擇

針對三維和二維模型響應數據的差異,如何認識二維模式的近似程度,如何利用觀測的TE模式和TM模式的視電阻率和相位資料等問題,對三維模型數據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差異性和二維反演結果合理性兩個方面進行了研究。

研究結果表明:在三維模型條件下,利用二維模型進行反演時,TE模式對模型的二維的近似程度要求遠遠高于TM模式;當三維結構影響較明顯時,僅利用TM模式數據進行二維反演比僅利用TE模式或利用TE+TM模式聯合反演都更合理,反演結果中的虛假結構明顯減少;對于TM模式,相位受三維畸變影響較小,視電阻率較大,所以反演中可適當加大相位的權;對于實測數據的二維反演,應優先考慮采用TM模式數據進行二維反演,其次是TM+TE模式,一般不要單獨采用TE模式。本章對上述情況提出了物理分析的依據。

5 論文研究成果在實測資料中的綜合應用

將論文研究成果綜合應用于青藏高原東邊緣帶的美姑—綏江剖面大地電磁實測資料的解釋中,對區域構造維性采用相位張量、SSSF方法和WAL方法進行綜合判定,采用SSSF方法確定區域主軸方位角,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模式數據進行反演,在反演中還采用了多項新技術,其一是利用測點中心網格的自動生成技術構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。采用復雜模型大地電磁有效探測深度技術計算了二維反演結果的有效趨膚深度,同時參考相位張量不變量參數的結果,綜合評價了反演結果的可靠性。取得了比較滿意的反演結果,為研究區地電模型的建立和地質解釋奠定了堅實的基礎。

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)