大地电磁三维畸变特征及校正新技术的应用研究

论文摘要

大地电磁研究和应用中,面临的实际地质结构多数是三维的,但是当前三维反演技术还不成熟,仍需要利用二维模型进行近似反演解释。在进行二维反演解释时,如何分析认识三维局部畸变的性质,最大限度地克服三维局部畸变的影响,获得尽可能可信的地质解释结果,如何认识三维模型的二维近似程度,如何利用观测的TE模式和TM模式的视电阻率和相位资料等问题,是受到普遍关注的科学问题和实际难题,也成为当前影响大地电磁向前发展的关键问题之一。本论文正是针对上面存在的问题,采用三维数值模拟方法模拟大地电磁局部畸变,在此基础上,研究局部畸变的影响特征,提出新的畸变校正方法和新的电性结构维性判定参数,并对三维数据的二维近似反演从数据差异性和反演结果合理性的角度做了详细的研究,最后通过对实测资料的应用检验本文的研究成果。论文主要研究内容和取得的成果概述如下:1.大地电磁局部畸变基础理论及研究状况归纳总结从大地电磁局部畸变的电磁场控制方程出发,推导了异常电场和异常磁场的积分表达式。论述了局部畸变模型成立的物理假设,并详细推导了阻抗张量畸变和倾子矢量畸变的计算表达式。介绍了局部畸变的传统分类中电流型畸变和感应型畸变的概念,它们对二维TE和TM模式视电阻率曲线的影响,最后简单分析了近地表三维局部畸变影响的一些特点。介绍了大地电磁构造维性分析中常用的阻抗张量基本旋转不变量、WAL旋转不变量以及基于这些不变量的构造维性判定方法、B-Q构造维性判定参数,指出应用这些不变量分析时应注意的问题。详细介绍了目前已有的常用畸变校正方法,对与本论文关系比较密切的算法如Swift、Bahr、GB方法做了详细的推导说明,并指出其优点和不足之处,为本文提出新的畸变校正方法提供了研究的出发点。另外,对电、磁场全畸变公式中的错误也作了修正。2.大地电磁局部畸变特征的三维模拟分析在第一部分理论研究的基础上,设计典型的局部畸变模型,采用改进的交错网格有限差分法进行了三维局部畸变的数值模拟,对计算结果进行了定性的分析,获得一些新的认识。研究发现TM模式视电阻率曲线在穿越低阻异常体界面时,曲线会先上移然后再下移,而在穿越高阻异常体界面时,曲线会先下移再上移。这与电性分界面处积累面电荷产生的二次电场有关。当异常体为高阻时,在其表面积累的面电荷产生的二次电场,在异常体上方其与一次电场方向相同,则观测总场是增大的。在异常体的两端边界附近,二次电场与一次电场的方向是相反的,因此导致观测的总场是减小的;当异常体为良导时,在异常体上方二次电场与一次电场的方向相反,则观测总场是减小的。在异常体的两端边界附近,二次电场与一次电场是同向的,观测总场是增大的。区域二维构造走向为南北方向时,在YX模式视电阻率平面图中三维低阻异常体在南北方向被拉伸,在东西边界处视电阻率分别存在一个增大的区域。而XY模式视电阻率平面图中三维低阻体异常体在东西方向被拉伸,在南北边界处存在视电阻率增大区域。在XY模式相位平面图中,三维低阻异常体在东西方向被拉长,在南北边界处存在相位值减小区。在YX模式相位平面图中,三维低阻异常体在南北方向被拉长,在东西边界处存在相位值减小区。该现象与二维TM模式曲线在穿越电性分界面时的规律是一致的,当测线沿东西方向展布时,此时的三维响应的YX模式对应二维情况下的TM模式。而当测线沿南北方向展布时,此时三维响应XY模式对应二维情况下的TM模式。低阻小异常体对二维区域响应的畸变比高阻小异常体要严重的多,高阻体对区域响应TM模式的畸变要稍大于TE模式,而低阻体则是对TE模式的畸变大于TM模式。同一极化模式,相位曲线相比视电阻率曲线而言,受畸变的影响要小。位于小异常体中心上方测点的三维畸变响应与对应二维区域响应的差异比较大,但可以等效于其他的二维模型响应,这种特殊畸变在资料解释时要特别注意。3.大地电磁局部畸变校正新方法研究介绍了国外研究者新近提出的得到广泛应用的相位张量,并在国内首次将该方法应用于理论数据和实测资料的解释。提出了一种新的单点单频畸变校正方法（SSSF）和单点多频校正方法（SSMF）,推导了其理论计算公式,在此研究的基础上提出新的构造维性判定参数,编制了相应的局部畸变分析软件。首先采用合成理论数据验证了新方法的正确性,然后采用Swift、Bahr、GB、相位张量、WAL、SSSF和SSMF方法对三维局部畸变模拟的结果进行了定量的分析,最后将新方法应用于实测资料的解释。研究结果表明SSSF和SSMF法的计算结果与其他张量分解方法基本一致或更好,其提供的构造维性参数和畸变因子为大地电磁资料的分析提供了有力的补充。另外根据实际应用中存在的问题,修正了WAL方法维性判定准则。4.三维畸变数据的二维反演中极化模式的选择针对三维和二维模型响应数据的差异、如何认识二维模式的近似程度,如何利用观测的TE模式和TM模式的视电阻率和相位资料等问题,对三维模型数据的二维近似反演问题的研究,主要从三维模型和二维模型响应差异性和二维反演结果合理性两个方面进行了研究。研究结果表明:在三维模型条件下,利用二维模型进行反演时,TE模式对模型的二维的近似程度要求远远高于TM模式;当三维结构影响较明显时,仅利用TM模式数据进行二维反演比仅利用TE模式或利用TE+TM模式联合反演都更合理,反演结果中的虚假结构明显减少;对于TM模式,相位受三维畸变影响较小,视电阻率较大,所以反演中可适当加大相位的权;对于实测数据的二维反演,应优先考虑采用TM模式数据进行二维反演,其次是TM+TE模式,一般不要单独采用TE模式。本章对上述情况提出了物理分析的依据。5.论文研究成果在实测资料中的综合应用将论文研究成果综合应用于青藏高原东边缘带的美姑-绥江剖面大地电磁实测资料的解释中,对区域构造维性采用相位张量、SSSF方法和WAL方法进行综合判定,采用SSSF方法确定区域主轴方位角,局部畸变校正选用了论文新提出的SSMF方法。二维反演采用TM模式数据进行反演,在反演中还采用了多项新技术,其一是利用测点中心网格的自动生成技术构建带地形的二维反演初始模型,其二是正则化因子τ的分段取值。采用复杂模型大地电磁有效探测深度技术计算了二维反演结果的有效趋肤深度,同时参考相位张量不变量参数的结果,综合评价了反演结果的可靠性。取得了比较满意的反演结果,为研究区地电模型的建立和地质解释奠定了坚实的基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 大地电磁法研究现状
• 1.1.1 传输函数的计算
• 1.1.2 正演、反演研究
• 1.1.3 局部畸变研究
• 1.2 论文选题的依据、主要研究内容和思路
• 1.2.1 选题依据
• 1.2.2 主要研究内容和思路
• 1.3 论文取得主要成果
• 第二章 大地电磁局部畸变的理论基础及研究状况
• 2.1 大地电磁局部畸变电磁场方程
• 2.1.1 电磁场方程的建立
• 2.1.2 电磁场方程的积分解
• 2.2 大地电磁局部畸变的物理基础
• 2.2.1 大地电磁局部畸变模型的物理假设
• 2.2.2 电场畸变张量的推导
• 2.2.3 磁场畸变张量的推导
• 2.2.4 阻抗张量畸变的推导
• 2.2.5 倾子矢量畸变的推导
• 2.3 大地电磁局部畸变的基本特点
• 2.3.1 畸变的分类
• 2.3.2 电流型畸变和感应型畸变影响特点
• 2.3.3 近地表局部三维电磁场畸变影响特点
• 2.4 大地电磁构造维性分析
• 2.4.1 阻抗张量的基本旋转不变量
• 2.4.2 WAL 旋转不变量
• 2.4.3 B-Q 方法
• 2.5 已有张量分解方法
• 2.5.1 Swift 方法
• 2.5.2 Bahr 电场畸变方法
• 2.5.3 GB 电场畸变方法
• 2.5.4 Chave-Smith 电、磁场全畸变方法
• 2.6 小结
• 第三章 大地电磁局部畸变特征的三维模拟分析
• 3.1 大地电磁三维交错网格有限差分正演
• 3.1.1 Maxwell 方程组的积分形式
• 3.1.2 积分方程离散化
• 3.1.3 三维张量阻抗计算
• 3.1.4 三维算法的精度检验
• 3.2 三维局部畸变模型的设计
• 3.3 三维局部畸变特征的定性分析
• 3.3.1 三维局部畸变模型1
• 3.3.2 三维局部畸变模型2
• 3.4 小结
• 第四章 大地电磁局部畸变校正新方法研究
• 4.1 相位张量
• 4.1.1 相位张量定义
• 4.1.2 相位张量和区域电性结构关系
• 4.2 新的局部畸变校正方法
• 4.2.1 方法原理
• 4.2.2 新的构造维性判定参数
• 4.2.3 单点多频分解
• 4.2.4 局部畸变分析软件
• 4.3 三维局部畸变数值模拟结果和实际资料分析
• 4.3.1 方法检验
• 4.3.2 三维局部畸变数值模拟结果分析
• 4.3.3 实际资料应用
• 4.4 小结
• 第五章 三维畸变数据二维反演中极化模式选择
• 5.1 引言
• 5.2 三维模型理论响应误差分析
• 5.2.1 模型1
• 5.2.2 模型2
• 5.3 三维数据的二维近似反演解释分析
• 5.4 小结
• 第六章 青藏高原东边缘带美姑-绥江剖面实际资料解释中的应用
• 6.1 引言
• 6.2 测线位置及区域地质结构
• 6.3 视电阻率和相位曲线的定性分析
• 6.4 局部畸变分析
• 6.4.1 构造维性分析
• 6.4.2 区域主轴方位角及阻抗张量分解
• 6.5 反演及电性结构分析
• 6.5.1 二维反演
• 6.5.2 电性结构分析
• 6.6 小结
• 第七章 结论和展望
• 7.1 论文的主要研究成果
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介