1、大地電磁測(cè)深原理及應(yīng)用介紹,陳小斌（博士） 中國(guó)地震局地質(zhì)研究所 北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院（學(xué)術(shù)報(bào)告） 2011年7月2日,主要內(nèi)容,一、大地電磁測(cè)深的簡(jiǎn)單介紹 二、大地電磁測(cè)深的基本原理 三、大地電磁測(cè)深的應(yīng)用情況 四、當(dāng)前存在的問題和主要研究熱點(diǎn),大地電磁測(cè)深的簡(jiǎn)單介紹,地球電磁法范疇和簡(jiǎn)介 狹義電磁法： 前身：磁法、大地電流法（Telluric) （目標(biāo)：探測(cè)地球構(gòu)造） 主體：大地電磁法（MT)及有關(guān)技術(shù) （MT，Magneto-telluric） 廣義電磁法： 磁法、電法、電磁法,大地電磁測(cè)深法（Magnetotelluric, MT）是以天然電磁場(chǎng)為場(chǎng)源來(lái)研究地球內(nèi)部電性結(jié)構(gòu)的一種

2、重要的地球物理手段。 測(cè)深方法：重磁電震 非地震方法：重磁電（重力+廣義的電磁類） 大地電磁是重要的非地震測(cè)深方法 研究對(duì)象：地球內(nèi)部的電性結(jié)構(gòu)（電導(dǎo)率結(jié)構(gòu)） 物理原理：宏觀電磁理論（有耗媒質(zhì)中的低頻電磁波理論）,大地電磁測(cè)深的發(fā)展情況,吉洪諾夫（蘇聯(lián)，1950），卡尼爾（法國(guó)人，1953） 從儀器采集系統(tǒng)和資料處理和管理方式，可將MT分為三個(gè)發(fā)展階段： 手工量板階段：五六十年代，起步階段。模擬信號(hào)、標(biāo)量阻抗 、手工對(duì)量板法 ； 數(shù)字化階段：70今天。數(shù)字信號(hào)，張量阻抗，計(jì)算機(jī)自動(dòng)正反演技術(shù)；新的觀測(cè)方式：遠(yuǎn)參考道、EMAP等；新的資料處理方式：Robust方法、張量分解方法等； 可視化階段：

3、正在興起。國(guó)外：Geotools、WinGLink；國(guó)內(nèi)有多家，目前漸漸成規(guī)?；茝V。 從理論研究對(duì)象的復(fù)雜性程度，也可分為三個(gè)發(fā)展階段：一維，五十年代八十年代；二維，九十年代今天；三維，正在興起,電磁場(chǎng)頻帶劃分標(biāo)準(zhǔn)和命名,大地電磁測(cè)深的優(yōu)缺點(diǎn),優(yōu)點(diǎn) 不受高阻層屏蔽、對(duì)高導(dǎo)層分辨能力強(qiáng)； 橫向分辨能力較強(qiáng)； 資料處理與解釋技術(shù)成熟； 勘探深度大、勘探費(fèi)用低、施工方便； 缺點(diǎn) 體積效應(yīng)，反演的非唯一性較強(qiáng)（跟地震方法相比） 縱向分辨能力隨著深度的增加而迅速減弱,大地電磁體積效應(yīng),大地電磁體積效應(yīng),大地電磁測(cè)深的理論基礎(chǔ),1、一些感性認(rèn)識(shí) 2、理論背景 3、正演問題 4、反演問題 5、實(shí)際資料的采

4、集和處理,大地電磁法（MT）是以天然電磁場(chǎng)為場(chǎng)源來(lái)研究地球內(nèi)部電性結(jié)構(gòu)的一種重要的地球物理手段。 基本原理：依據(jù)不同頻率的電磁波在導(dǎo)體中具有不同趨膚深度的原理，在地表測(cè)量由高頻至低頻的地球電磁響應(yīng)序列，經(jīng)過(guò)相關(guān)的數(shù)據(jù)處理和分析來(lái)獲得大地由淺至深的電性結(jié)構(gòu)。,14,大地電磁法原理示意圖,WEM信號(hào),目標(biāo),大地電磁法野外觀測(cè)裝置,為什么能夠測(cè)深？感性認(rèn)識(shí),為什么能夠測(cè)深？感性認(rèn)識(shí),為什么能夠測(cè)深？感性認(rèn)識(shí),2、理論背景,理論基礎(chǔ)：麥克斯韋方程,James Clerk Maxwell (1831-1879),麥克斯韋的第一篇論文是關(guān)于橢圓曲線的，發(fā)表于1845年，年僅14歲； 第一篇電磁學(xué)論文185

5、5年（24歲），關(guān)于法拉第的磁力線問題； 1873年（42歲），完成電磁學(xué)巨著：電磁通論； 建立起了光、電、磁的統(tǒng)一理論，完成亙古大業(yè)； 1879年（48歲）逝世，英年早逝。,麥克斯韋方程,關(guān)于磁場(chǎng)的安培定律：,關(guān)于電場(chǎng)的高斯定律：,麥克斯韋定律：,法拉第電磁感應(yīng)定律：,安培定律、高斯定律,Johann Carl Friedrich Gauss (1777-1855) 創(chuàng)建了地磁場(chǎng)的球諧分析理論 和全球性的地磁觀測(cè)系統(tǒng),穿過(guò)封閉曲面的磁場(chǎng)通量為0，磁場(chǎng)為無(wú)源場(chǎng)，不存在磁單極子。,穿過(guò)封閉曲面的電場(chǎng)通量，其值等于曲面所包圍的體電荷密度。,法拉第電磁感應(yīng)定律,Michael Faraday (17

6、91-1867),變化的磁場(chǎng)感應(yīng)產(chǎn)生電場(chǎng),麥克斯韋定律,變化的電場(chǎng)以及傳導(dǎo)電流感應(yīng)產(chǎn)生磁場(chǎng),其它的一些關(guān)系式,本構(gòu)方程,邊界條件,歐姆定律,在電導(dǎo)率的突變邊界上，電場(chǎng)法向分量不連續(xù)，但電流密度法向分量連續(xù)。,Georg Simon Ohm (1789-1854),1831年法拉第發(fā)現(xiàn)“電磁感應(yīng)定律”。,許多人質(zhì)疑：“它有什么用？”,法拉第回答： “一個(gè)新生的嬰兒，您認(rèn)為有什么用？”,學(xué)術(shù)關(guān)注的第一要義：是新，是與眾不同，其次才是其用途。,3、大地電磁的理論基礎(chǔ)：正演問題,關(guān)于激發(fā)場(chǎng)源 關(guān)于探測(cè)對(duì)象 一維正演：阻抗、視電阻率、相位 二維、三維正演,如何探測(cè)地下結(jié)構(gòu)？,如何探測(cè)地下結(jié)構(gòu)？,如何探測(cè)

7、地下結(jié)構(gòu)？,需要一個(gè)信號(hào)激發(fā)源 需要地表響應(yīng)的觀測(cè)數(shù)據(jù),還需要什么？,還需要掌握模型在源作用下地表響應(yīng)產(chǎn)生的物理過(guò)程：這就是正演,正演指的是什么？,正演指的是對(duì)于一個(gè)給定的模型，在一定激發(fā)源的作用下，根據(jù)一定的物理原理求其響應(yīng)的過(guò)程。,假設(shè)：垂直入射到地表的均勻平面電磁波,大地電磁正演：關(guān)于激勵(lì)場(chǎng)源,激勵(lì)源與場(chǎng)點(diǎn)要足夠遠(yuǎn),電離層電流的定向流動(dòng)或小規(guī)模的擾動(dòng)、太陽(yáng)風(fēng)、遠(yuǎn)距離的雷電和工業(yè)用電等,INTERNAL MAGNETIC FIELD,據(jù)徐文耀,EXTERNAL MAGNETIC FIELD,外部磁場(chǎng),徐文耀,弧形沖擊面,磁層頂,等離子層,極尖,傅承義,磁場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)隨頻率變化的曲線,關(guān)于模型（研

8、究對(duì)象）：地球的電性結(jié)構(gòu),一般情況下，磁導(dǎo)率和介電常數(shù)取為真空中值，即： 因此，大地電磁測(cè)深的探測(cè)對(duì)象為地球的電導(dǎo)率結(jié)構(gòu)。 由簡(jiǎn)單到復(fù)雜，地球的電導(dǎo)率結(jié)構(gòu)可以視為一維結(jié)構(gòu)、二維結(jié)構(gòu)和三維結(jié)構(gòu)，對(duì)應(yīng)的理論研究也有一維問題、二維問題和三維問題。,大地電磁正演：關(guān)于模型,一維模型,二維模型,三維模型,兩大假設(shè)： 1）激勵(lì)場(chǎng)源：垂直入射到地表的均勻平面電磁波 2）地球模型：水平層狀導(dǎo)電介質(zhì),大電磁正演過(guò)程,？,取時(shí)諧因子為 ，即場(chǎng)可以表示為： 對(duì)于某一個(gè)頻率，麥克斯韋方程為： 由此可得兩個(gè)矢量波方程 其通解為,大地電磁正演：理論支持,最簡(jiǎn)單模型：均勻半空間問題,假設(shè)場(chǎng)源的是沿著x方向極化的電性源（TE

9、模式），由于地質(zhì)模型不存在橫向的變化，因此，感應(yīng)的二次場(chǎng)只存在Hy和Ex分量，即總的電磁場(chǎng)可表示為：,此時(shí)矢量波動(dòng)方程退化為：,其解為 ：,則阻抗為 ：,同理可得TM模式下的阻抗為：,x,關(guān)于場(chǎng)源的垂直入射,當(dāng)平面電磁波在空氣中的傳播方向與地面法線方向成角時(shí)，因?yàn)榭諝庵须妼?dǎo)率為零，故有：,在地表，電磁場(chǎng)的切向分量連續(xù)，故要求：,因?yàn)榈厍騼?nèi)部，傳導(dǎo)電流遠(yuǎn)大于位移電流，從而：,故均勻平面電磁波不管以什么角度自空中入射到地面，其阻抗均為：,均勻半空間下阻抗、電阻率的關(guān)系,在均勻半空間下：,可以求得電阻率為：,視電阻率和阻抗相位的定義,一維正演：層狀介質(zhì)模型,源 信 號(hào),阻抗的遞推公式,視電阻率和相位

10、,四種典型的三層模型曲線：K、H,K形曲線,H形曲線,四種典型的三層模型曲線：A、Q,A形曲線,Q形曲線,一維正演：連續(xù)介質(zhì)模型,源 信 號(hào),一維正演：連續(xù)介質(zhì)模型,源 信 號(hào),阻抗定義的推廣：張量阻抗和傾子矢量,在一維情況下：,在一般情況下，磁場(chǎng)Hy不僅與Ex而且可能同Ey也有關(guān)，對(duì)于磁場(chǎng)Hx也一樣。這時(shí)，電場(chǎng)與磁場(chǎng)的關(guān)系用下式表示：,阻抗張量,此外，關(guān)于垂直磁場(chǎng)有定義：,傾子矢量,二維和三維模型問題,源 信 號(hào),源 信 號(hào),橫電波橫磁波：場(chǎng)的極化模式,橫電波（TE） ：垂直于傳播方向的場(chǎng)分量只有電場(chǎng)； 橫磁波（TM） ：垂直于傳播方向的場(chǎng)分量只有磁場(chǎng)； 大地電磁測(cè)深中只研究場(chǎng)源為橫電磁波的

11、情況 大地電磁測(cè)深中常說(shuō)的極化模式是以場(chǎng)源的極化方式來(lái)區(qū)分的，并且這種區(qū)分一般只在二維情況下才有意義。一維情況雖然可以解耦出TE和TM模式，但不能帶來(lái)更多的信息。三維模型下不能解耦出TE模式和TM模式。,TE模式 （Ex，Hy，Hz）,TM模式 （Hx，Ey，Ez）,二維情況下大地電磁曲線極化模式劃分,二維模型：場(chǎng)可解耦為兩組模式,二維正演：邊值問題,TM模式：,TE模式：,二維正演方法,1）積分方程法,2）有限差分法,3）有限元法,有限元直接迭代算法（陳小斌，1999，2000）,二維正演計(jì)算的簡(jiǎn)單實(shí)例,TE模式,TM模式,視電阻率分布,二維正演的簡(jiǎn)單算例,TE模式,TM模式,阻抗相位分布,

12、復(fù)雜模型的正演結(jié)果,三維正演：邊值問題,在三維情況下，電磁場(chǎng)不能解耦成兩組獨(dú)立的場(chǎng)，這時(shí)必須直接求解矢量波方程。,以上方程包含了一個(gè)隱含條件：求解域的電阻率是分塊均勻的。,三維正演方法,1）積分方程法,2）交錯(cuò)網(wǎng)格有限差分法,3）矢量有限元法（棱邊元）,4、大地電磁的技術(shù)核心：反演,如何理解反演？,反演是指根據(jù)實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)來(lái)反推產(chǎn)生這些數(shù)據(jù)的系統(tǒng)內(nèi)在信息的一種數(shù)學(xué)物理過(guò)程。 反演的兩個(gè)基本條件：實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)和一個(gè)先驗(yàn)?zāi)Ｐ拖到y(tǒng)。 通常的最小二乘多項(xiàng)式擬合就可以看成是一個(gè)反演過(guò)程。參與擬合的數(shù)據(jù)就是反演中實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)，“多項(xiàng)式”這種函數(shù)形式就是“先驗(yàn)?zāi)Ｐ拖到y(tǒng)”。,如何理解反演？,對(duì)于大地電磁測(cè)深而言，“

13、實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)”就是在地表實(shí)測(cè)的視電阻率、相位等數(shù)據(jù)；“先驗(yàn)?zāi)Ｐ拖到y(tǒng)”是對(duì)地球電導(dǎo)率模型的假設(shè)（一維、二維還是三維？），以及在此假設(shè)基礎(chǔ)上的正演實(shí)現(xiàn)過(guò)程。更明確的說(shuō)，這里的“先驗(yàn)?zāi)Ｐ拖到y(tǒng)”就是指的是“一維正演”過(guò)程、“二維正演”過(guò)程或“三維正演”過(guò)程。 對(duì)于大地電磁測(cè)深而言，所謂待反演的“系統(tǒng)內(nèi)在信息”指的就是電導(dǎo)率結(jié)構(gòu)。 大地電磁測(cè)深反演就是根據(jù)地表實(shí)測(cè)的視電阻率、相位等數(shù)據(jù)來(lái)求取大地深部電導(dǎo)率結(jié)構(gòu)的過(guò)程，該電導(dǎo)率結(jié)構(gòu)的正演響應(yīng)能極好地?cái)M合視電阻率、相位等實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。,？,？,正演,反演,二維正演計(jì)算的簡(jiǎn)單實(shí)例,TE模式,TM模式,視電阻率分布,二維正演的簡(jiǎn)單算例,TE模式,TM模式,阻抗相位分布

14、,復(fù)雜模型的正演結(jié)果,手工量板法,反演問題和反演方法的分類,反演問題主要分兩類：線性問題和非線性問題。大地電磁測(cè)深反演屬于非線性反演問題。 反演方法也有線性反演和非線性反演之分。 線性反演方法是針對(duì)線性反演問題發(fā)展起來(lái)的，但也被廣泛應(yīng)用于解決非線性問題，這時(shí)稱為非線性問題的線化反演。在非線性問題的線化反演中，首先需要將非線性問題線性化，這是這一技術(shù)的最為關(guān)鍵之處。 非線性反演方法是直接針對(duì)非線性反演問題的。其共同的基礎(chǔ)是采用一些啟發(fā)式搜索技巧來(lái)尋找合適的反演模型，如遺傳算法、模擬退火、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。,反演的非唯一性,先驗(yàn)約束條件,正則化反演方法介紹,反演的非唯一性。由于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的不充足或者正演本

15、身的等值性，一套觀測(cè)數(shù)據(jù)可能有多個(gè)模型都能擬合得很好，這就是反演的非唯一性。 正則化反演就是在原有的反演基本條件上再附加一個(gè)條件：先驗(yàn)的模型約束條件，以此來(lái)減少反演結(jié)果的非唯一性。 構(gòu)建先驗(yàn)的模型約束條件有多種方式，最常采用的是模型的某種光滑程度。這時(shí)，如果一套觀測(cè)數(shù)據(jù)有多個(gè)模型都能擬合得很好，那么其中最光滑的那個(gè)模型作為反演的最后結(jié)果模型。 正則化反演既可以是非線性反演也可以是線化反演。 目前MT中絕大多數(shù)應(yīng)用廣泛的反演方法都屬于正則化反演方法，尤其是高維反演。,正則化反演的基本原理,總目標(biāo)函數(shù),數(shù)據(jù)目標(biāo)函數(shù),模型約束目標(biāo)函數(shù)：,最簡(jiǎn)單模型,最平緩模型,最光滑模型,地球物理反演問題,MT中常

16、用的反演算法,BOSTICK（1d, 近似反演方法） 廣義逆方法（1d） 馬夸特法（主要是一維，最簡(jiǎn)單模型約束，正則化反演） OCCAM反演方法（1d, 2d，最平緩模型約束，正則化反演） 非線性共軛梯度法反演（NLCG，2d, 最光滑模型約束，正則化反演） 快速松弛法反演（RRI，2d, 最光滑模型約束，正則化反演） 減基OCCAM反演算法（REBOCC，2d, 最平緩模型約束，正則化反演）,一維理論模型的反演對(duì)比,3、實(shí)際資料的采集和處理,大地電磁觀測(cè)方式示意圖,Ex,Hy,Ey,Hx,Hz,主要儀器觀測(cè)系統(tǒng)本文中使用的儀器是德國(guó)的GMS-06系統(tǒng),7080年代，主要使用國(guó)產(chǎn)儀器；90年代

17、以來(lái)，逐漸進(jìn)口國(guó)外儀器，目前已全面被進(jìn)口儀器所取代。 當(dāng)前主要儀器系統(tǒng)： 德國(guó)Metronix公司的GMS-06、GMS-07等 加拿大鳳凰公司的V5-2000、V8等,GSM-06大地電磁儀,實(shí)際資料的處理,時(shí)間序列處理部分。將時(shí)間域觀測(cè)的信號(hào)轉(zhuǎn)換到頻率域，生成功率譜文件； 以功率譜文件為基礎(chǔ)，計(jì)算阻抗張量、傾子矢量、視電阻率、相位、二維特征量等各種MT參數(shù)，進(jìn)行畸變分析和校正等；,實(shí)際資料的反演解釋,資料的定性解釋 一維、二維反演 地質(zhì)解釋和結(jié)果成圖,AMT/MT數(shù)據(jù)處理流程圖,某地區(qū)實(shí)測(cè)的MT視電阻率和相位曲線,大地電磁測(cè)深的應(yīng)用,巖石的電導(dǎo)率及其與地震和地下資源的關(guān)系,地震,地震引起的

18、視電阻率幅度的變化,五大連池火山區(qū)電性結(jié)構(gòu) 的三維成象圖,長(zhǎng)白山火山區(qū)NE測(cè)線的 二維反演結(jié)果,長(zhǎng)白山火山區(qū)電性結(jié)構(gòu) 的三維成象圖,青藏高原東北緣的大地電磁探測(cè),吉林地?zé)崽锾綔y(cè)的二維反演結(jié)果,存在的問題和我的一些研究,存在的一些問題及初步的研究,高速度高精度的三維正反演問題 畸變問題和靜位移問題 二維反演中極化模式選取的問題 地形影響問題 反演結(jié)果的有效深度問題 反演結(jié)果的非唯一性問題 可視化集成系統(tǒng)的開發(fā) 應(yīng)用問題：怎么與大陸動(dòng)力學(xué)直接結(jié)合起來(lái)？,野外實(shí)際地電結(jié)構(gòu)一般是三維的！,實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)二維反演結(jié)果,二維反演中數(shù)據(jù)極化模式的選擇,(蔡軍濤，陳小斌，趙國(guó)澤，未發(fā)表）,異常體沿走向X的延伸是變化的，分別取4、6、8、10、20、40km,二維反演結(jié)果的比較,2.地形的影響,（未發(fā)表）,純地形模型,反演網(wǎng)格對(duì)地形的擬合,TE和TM的互換,反演結(jié)果的有效深度 復(fù)雜模型趨膚深度的計(jì)算,（未發(fā)表）,反演結(jié)果的有效深度：剖面長(zhǎng)度的影響,（楊靜、陳小斌、趙國(guó)澤，中國(guó)地球物理年刊，2009）,反演結(jié)果的非唯一性分析,可視化集成系統(tǒng)的開發(fā),可視化集成系統(tǒng)的開發(fā),汶川地震初步的動(dòng)力學(xué)模型,前山斷裂,中央斷裂,后山斷裂,岷江斷裂,龍日壩斷裂,正演指的是什么？,正演指的是對(duì)