大地電磁法及被動源電磁測深概述

大地電磁法(Magnetotellutic Method, MT)是一種利用天然交變電磁場研究深部地球電性結(jié)構(gòu)的一種地球物理勘探方法, 它以天然的平面電磁波為場源, 通過在地表觀測相互正交的電場、 磁場分量來獲取地電構(gòu)造信息。20世紀(jì)50年代初由Tikhonov A N(1950)和Cagnird L(1953)分別提出, 經(jīng)過50多年的理論完善和野外實(shí)踐, 大地電磁法被證明為一種非常出眾的地球物理勘探方法, 并被廣泛應(yīng)用于礦產(chǎn)普查和勘探、 地殼和上地幔電性結(jié)構(gòu)的研究、 海洋地球物理、 環(huán)境地球物理和石油天然氣勘探等領(lǐng)域。

本書所研究的被動源電磁測深法是相對于人工場源電磁測深法來說的, 它包括傳統(tǒng)的大地電磁測深法(Magnetotellurics, MT)、 音頻大地電磁測深法(Audio-frequency Magnetotellurics, AMT)以及近年來發(fā)展起來的頻率范圍在10 Hz~100 kHz之間的高頻大地電磁測深法(High-frequency Magnetotellurics, HMT)。

目前, 有關(guān)大地電磁法的正演、 反演與解釋大多局限二維情形, 但是, 由于實(shí)際地質(zhì)構(gòu)造一般是在立體空間展布的, 復(fù)雜的三維模型的大地電磁法正、 反演研究成為了當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。因此, 本書針對三維大地電磁法問題開展快速、 高精度的正演研究, 并進(jìn)行了被動源電磁測深二維反演研究, 討論了兩種模式聯(lián)合反演方法以及大地電磁靈敏度矩陣的快速求取方法。

本書的主要研究內(nèi)容得到了國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)“被動源電磁測深的多尺度自適應(yīng)雙模聯(lián)合反演研究”(2006AA06Z105)、 國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“h型自適應(yīng)有限元在三維地電磁場計(jì)算中的應(yīng)用研究”(40874072)、 國家科技專項(xiàng)“深部礦產(chǎn)資源立體探測技術(shù)及實(shí)驗(yàn)研究(SinoProbe-03)”3個國家級科研項(xiàng)目以及湖南省高等學(xué)?？茖W(xué)研究項(xiàng)目“復(fù)雜三維地電磁場矢量有限元模擬”(08D008)、 湖南省科技計(jì)劃“三維可控源電磁場自適應(yīng)矢量有限元研究”(2008FJ4181)兩個省級科研項(xiàng)目的支持。

1.1 大地電磁法數(shù)值模擬國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

地球物理模擬方法通?？蓺w納為3種途徑。

(1)解析法。 這種方法適用于規(guī)則地質(zhì)體, 如球體、 水平層等, 結(jié)果精確。但對于復(fù)雜場源分布或不規(guī)則地質(zhì)體很難得到解析解。

(2)模型實(shí)驗(yàn)。 該方法主要使用各種物理模擬設(shè)備如水槽、 土槽、 電阻率網(wǎng)絡(luò)、 導(dǎo)電紙等, 以物理現(xiàn)象的相似性為基礎(chǔ), 用一定比例的模型來模擬實(shí)際地電條件, 按照相似性原理對野外數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬。不足之處在于模型的制作非常麻煩, 物理模擬成本也非常高, 尤其是物性分布十分復(fù)雜的模型很難制作。

(3)數(shù)值模擬方法。 根據(jù)地球物理中的偏微分方程和邊界條件, 用數(shù)值方法求解場值的近似解, 是一種近似的方法, 但它適用于復(fù)雜物性分布和復(fù)雜邊界形狀的地球物理計(jì)算, 所以適用范圍非常的廣泛。數(shù)值模擬法需要進(jìn)行大量的計(jì)算工作, 40多年來, 由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展, 克服了計(jì)算工作量浩大的困難, 數(shù)值模擬法已經(jīng)成為地球物理正演最主要的方法。在電(磁)法正演中, 常用的方法有: 積分方程法(Integral Equation Methods, IEM)、 有限差分法(Finit Difference Method, FDM)、 有限單元法(Finite Element Methods, FEM)等。