1、陳小斌（博士）陳小斌（博士） 中國地震局地質研究所中國地震局地質研究所 北京大學地球與空間科學學院（學術報告）北京大學地球與空間科學學院（學術報告） 2011年年7 月月2 日日 主要內容 ?一、大地電磁測深的簡單介紹一、大地電磁測深的簡單介紹 ?二、大地電磁測深的基本原理二、大地電磁測深的基本原理 ?三、大地電磁測深的應用情況三、大地電磁測深的應用情況 ?四、當前存在的問題和主要研究熱點四、當前存在的問題和主要研究熱點 地球電磁法范疇和簡介地球電磁法范疇和簡介 狹義電磁法：狹義電磁法： 前身：磁法、大地電流法（前身：磁法、大地電流法（Telluric) Telluric) （目標：探測地球構

2、造）（目標：探測地球構造） 主體：大地電磁法（主體：大地電磁法（MT)MT)及有關技術及有關技術 （MTMT，Magneto-telluricMagneto-telluric） 廣義電磁法：廣義電磁法： 磁法、電法、電磁法磁法、電法、電磁法 ?大地電磁測深法（Magnetotelluric, MT）是以天然電磁場為場源來研究地球內部電性結構的一種重要的地球物理手段。 測深方法：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深方法 ?研究對象：地球內部的電性結構（電導率結構） 物理原理：宏觀電磁理論（有耗媒質中的低頻電磁波理論） 大地電磁測深的發展情況大地電磁測深的

3、發展情況 ?吉洪諾夫（蘇聯，吉洪諾夫（蘇聯，19501950），卡尼爾（法國人，），卡尼爾（法國人，19531953） 從儀器采集系統和資料處理和管理方式，可將從儀器采集系統和資料處理和管理方式，可將MTMT分為三個發展階段：分為三個發展階段： ?手工量板階段：五六十年代，起步階段。模擬信號、標量阻抗手工量板階段：五六十年代，起步階段。模擬信號、標量阻抗 、手工對量、手工對量板法板法 ； ?數字化階段：數字化階段：7070今天。數字信號，張量阻抗，計算機自動正反演技術；新今天。數字信號，張量阻抗，計算機自動正反演技術；新的觀測方式：遠參考道、的觀測方式：遠參考道、EMAPEMAP等；新的資料處

4、理方式：等；新的資料處理方式：RobustRobust方法、張方法、張量分解方法等；量分解方法等； ?可視化階段：正在興起。國外：可視化階段：正在興起。國外：GeotoolsGeotools、WinGLinkWinGLink；國內有多家，目前；國內有多家，目前漸漸成規模化推廣。漸漸成規模化推廣。 ?從理論研究對象的復雜性程度，也可分為三個發展階段：一維，五十年從理論研究對象的復雜性程度，也可分為三個發展階段：一維，五十年代八十年代；二維，九十年代今天；三維，正在興起代八十年代；二維，九十年代今天；三維，正在興起 電磁場頻帶劃分標準和命名電磁場頻帶劃分標準和命名 國際電聯等關于頻段范圍的劃分標準

5、 ITU 頻段名稱 頻率范圍（Hz） 極低頻ELF 330 超低頻SLF 30300 特低頻ULF 3003000 甚低頻VLF 300030000 低頻 LF 30000300000 美 特低頻(ULF) 30 極低頻(ELF) 30300 甚低頻(VLF) 300030000 俄 極低頻( ) ，從而：，從而： k(Earth )?k2z(Earth )?k2y(Earth )?kz(Earth )?i?故均勻平面電磁波不管以什么角度自空中入射到地面，其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：阻抗均為： ZTE?i?,ZTM? ?i?均勻半空間下阻抗、電阻率的關系 在均

6、勻半空間下：在均勻半空間下： ZTEEyEx?i?,ZTM? ?i?HyHx可以求得電阻率為：可以求得電阻率為： ?ZTE2?,?ZTM2?視電阻率和阻抗相位的定義 ?TE/ TM?ZTE/ TM2?,?TE/TM?arg( ZTE/ TM)一維正演：層狀介質模型 阻抗的遞推公式阻抗的遞推公式 Z1(hN?1)?kN?1?kN?1Z2(hN?2)? ?coth?ikN?1tN?1?cothZ1(hN?1)?kN?1?.? 源源 信信 號號 ?1?2?1?k3ZN?2(h2)? ?coth?ik3t3?cothZN?3(h3)?k3?2?ZN(0 )?TE?TM?,?TE?TM?arg( ZN(

7、0)?1?k2?ZN?1(h1)? ?coth?ik2t2?cothZN?2(h2)?k2?1?k1ZN(0)? ?coth?ik1t1?cothZN?1(h1)?k1?3?4視電阻率和相位視電阻率和相位 四種典型的三層模型曲線：K、H Apparent Resistivity / ?m1x1031000 歐米1x10210歐米1000 歐米10歐米1x1010.0010.010.11Period / S1010010001000080Phase / Degree604001x1011x1020.00120Apparent Resistivity / ?m1x1030.010.11Period

8、 / S1010010001000080Phase / Degree6040200K形曲線形曲線 H形曲線形曲線 四種典型的三層模型曲線：A、Q 10歐米1x1031000 歐米Apparent Resistivity / ?m1x1021x1001x101000 歐米Period / S10歐米1x104Apparent Resistivity / ?m1x1011x100.001210010001000010.0010.010.111080Phase / Degree602001x103400.010.11Period / S1010010001000080Phase / Degree60

9、40200A形曲線形曲線 Q形曲線形曲線 一維正演：連續介質模型 ?d2E2源源 信信 號號 x?2?k Ex?0 ,dz?Exz?0?E0,?dEx? ?ikEx.?dz?z?ze?ExidExHy?,ZTE?dzHyz?0一維正演：連續介質模型 1000 0100 0源源 信信 號號 100?/?m10100011 000.1?/?m1z / km1 0100100 01 011001010.10.010 .0010.00 01 / Hz阻抗定義的推廣：張量阻抗和傾子矢量 在一維情況下：在一維情況下： ZTEEyEx? ?ZTM? ?HyHx在一般情況下，磁場在一般情況下，磁場HyHy不僅

10、與不僅與ExEx而且可能同而且可能同EyEy也有關，對于也有關，對于磁場磁場HxHx也一樣。這時，電場與磁場的關系用下式表示：也一樣。這時，電場與磁場的關系用下式表示： ?Ex?Zxx?E?Zy?yxZxy?Hx?ZxxZxy?阻抗張量阻抗張量 Z ?ZZHZyy?yxyy?y?此外，關于垂直磁場有定義：此外，關于垂直磁場有定義： Hz?TzxHx?TzyHy傾子矢量傾子矢量 T?TzxTzy二維和三維模型問題二維和三維模型問題 源 信 號 接收點接收點源 信 號 ?1?2?1?2?5?3?4?3?4橫電波橫磁波：場的極化模式 ?橫電波（橫電波（TE） ：垂直于傳播方向的場分量只有電場；：垂直

11、于傳播方向的場分量只有電場； 橫磁波（橫磁波（TM） ：垂直于傳播方向的場分量只有磁場；：垂直于傳播方向的場分量只有磁場；大地電磁測深中只研究場源為橫電磁波的情況大地電磁測深中只研究場源為橫電磁波的情況 大地電磁測深中常說的極化模式是以場源的極化方式大地電磁測深中常說的極化模式是以場源的極化方式來區分的，并且這種區分一般只在二維情況下才有意來區分的，并且這種區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義。一維情況雖然可以解耦出TE和和TM模式，但不能模式，但不能帶來更多的信息。三維模型下不能解耦出帶來更多的信息。三維模型下不能解耦出TE模式和模式和TM模式。模式。 二維情況下大地電磁

12、曲線極化模式劃分二維情況下大地電磁曲線極化模式劃分 TE模式模式 （Ex，Hy，Hz） TM模式模式 （Hx，Ey，Ez） 二維模型：場可解耦為兩組模式 ?Hz?y?H?zy?Ex?Ez?y?Ey?z?i?Hx?Ex?z?Ex?y?i?Hy? ?i?H?Hx?zz?Ey?Hx?y? ?EzTE: Ex,Hy,Hz?TM: Hx,Ey,Ez?二維正演：邊值問題 ?u?u(?)?(?)?u?0?y?y?z?zu?c（c為定值，一般取 為1 ），上邊界?u?0 ，?y?u?-iku?z 側邊界下邊界TM模式：模式： u?Hx? ?i?TE模式：模式： u?Ex?u輔助場：I-?z? ?1/( i?)

13、?1/?i?二維正演方法 1）積分方程法）積分方程法 2）有限差分法）有限差分法 3）有限元法）有限元法 有限元直接迭代算法（陳小斌，有限元直接迭代算法（陳小斌， 1999，2000） 二維正演計算的簡單實例 2視電阻率分布視電阻率分布 Lg(f / Hz)模模式式TETE 0-23638404244464850Distance / km250米21150米TMTM1000米模模式式Lg(f / Hz)5歐米0 100歐米10歐米-23638404244464850Distance / km二維正演的簡單算例 2TETE模模式式 Lg(f / Hz)阻抗相位分布阻抗相位分布 0-2363840

14、4244464850Distance / km250米1150米2TMTM1000米模模式式Lg(f / Hz)5歐米0 100歐米10歐米-23638404244464850Distance / km復復雜雜模模型型的的正正演演結結果果 三維正演：邊值問題 在三維情況下，電磁場不能解耦成兩組獨立的場，這在三維情況下，電磁場不能解耦成兩組獨立的場，這時必須直接求解矢量波方程。時必須直接求解矢量波方程。 ?U?k U?0U?C?U?0?n?U? ?ikU?z22上邊界，C為常矢量側邊界，n為某個側面的單位法向矢量下邊界以上方程包含了一個隱含條件：求解域的電阻率是分塊均勻的。以上方程包含了一個隱含

15、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）積分方程法 2）交錯網格有限差分法）交錯網格有限差分法 3）矢量有限元法（棱邊元）矢量有限元法（棱邊元） 如何理解反演？ ?反演是指根據反演是指根據實測的數據實測的數據來來反推反推產生這些數據產生這些數據的的系統內在信息系統內在信息的一種數學物理過程。的一種數學物理過程。 反演的兩個基本條件：反演的兩個基本條件：實測的數據實測的數據和一個和一個先驗先驗模型系統模型系統。 通常的最小二乘多項式擬合就可以看成是一個通常的最小二乘多項式擬合就可以看成是一個反演過程。參與擬合的數據就是反演中實測的反演過程。參與擬合的數據就是反演中實測的

16、數據，數據，“多項式多項式”這種函數形式就是這種函數形式就是“先驗模先驗模型系統型系統”。 ?如何理解反演？ ?對于大地電磁測深而言，對于大地電磁測深而言，“實測的數據實測的數據”就是在地表實就是在地表實測的測的視電阻率、相位視電阻率、相位等數據；等數據；“先驗模型系統先驗模型系統”是對是對地地球電導率模型球電導率模型的假設（一維、二維還是三維？），以及的假設（一維、二維還是三維？），以及在此假設基礎上的在此假設基礎上的正演正演實現過程。更明確的說，這里的實現過程。更明確的說，這里的“先驗模型系統先驗模型系統”就是指的是就是指的是“一維正演一維正演”過程、過程、“二二維正演維正演”過程或過程或

17、“三維正演三維正演”過程。過程。 對于大地電磁測深而言，所謂待反演的對于大地電磁測深而言，所謂待反演的“系統內在信息系統內在信息”指的就是指的就是電導率結構電導率結構。 ?大地電磁測深反演就是根據地表實測的視電阻率、相位大地電磁測深反演就是根據地表實測的視電阻率、相位等數據來求取大地深部電導率結構的過程，該電導率結等數據來求取大地深部電導率結構的過程，該電導率結構的正演響應能極好地擬合視電阻率、相位等實測數據。構的正演響應能極好地擬合視電阻率、相位等實測數據。 正演正演 ？ 反演反演 ？ 二維正演計算的簡單實例 2視電阻率分布視電阻率分布 Lg(f / Hz)模模式式TETE 0-236384

18、04244464850Distance / km250米21150米TMTM1000米模模式式Lg(f / Hz)5歐米0 100歐米10歐米-23638404244464850Distance / km二維正演的簡單算例 2TETE模模式式 Lg(f / Hz)阻抗相位分布阻抗相位分布 0-23638404244464850Distance / km250米1150米2TMTM1000米模模式式Lg(f / Hz)5歐米0 100歐米10歐米-23638404244464850Distance / km復復雜雜模模型型的的正正演演結結果果 手工量板法手工量板法 反演問題和反演方法的分類 ?反

19、演問題主要分兩類：線性問題和非線性問題。反演問題主要分兩類：線性問題和非線性問題。大地電磁測大地電磁測深反演屬于非線性反演問題。深反演屬于非線性反演問題。 ?反演方法也有反演方法也有線性反演線性反演和和非線性反演非線性反演之分。之分。 線性反演方法是針對線性反演問題發展起來的，但也被廣泛線性反演方法是針對線性反演問題發展起來的，但也被廣泛應用于解決非線性問題，這時稱為非線性問題的應用于解決非線性問題，這時稱為非線性問題的線化反演線化反演。在非線性問題的線化反演中，首先需要將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非線性問題線性化，這是這一技術的最為關鍵之處。這是這一技術的最為關鍵之

20、處。 ?非線性反演方法是直接針對非線性反演問題的。其共同的基非線性反演方法是直接針對非線性反演問題的。其共同的基礎是采用一些啟發式搜索技巧來尋找合適的反演模型，如遺礎是采用一些啟發式搜索技巧來尋找合適的反演模型，如遺傳算法、模擬退火、神經網絡等。傳算法、模擬退火、神經網絡等。 反演的非唯一性反演的非唯一性 先驗約束條件先驗約束條件 正則化反演方法介紹 ?反演的非唯一性反演的非唯一性。由于實測數據的不充足或者正演本身的等。由于實測數據的不充足或者正演本身的等值性，一套觀測數據可能有多個模型都能擬合得很好，這就值性，一套觀測數據可能有多個模型都能擬合得很好，這就是反演的非唯一性。是反演的非唯一性。

21、 正則化反演就是在原有的反演基本條件上再附加一個條件：正則化反演就是在原有的反演基本條件上再附加一個條件：先驗的模型約束條件，以此來減少反演結果的非唯一性。先驗的模型約束條件，以此來減少反演結果的非唯一性。 ?構建先驗的模型約束條件有多種方式，最常采用的是模型的構建先驗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，如果一套觀測數據有多個模型都能擬某種光滑程度。這時，如果一套觀測數據有多個模型都能擬合得很好，那么其中最光滑的那個模型作為反演的最后結果合得很好，那么其中最光滑的那個模型作為反演的最后結果模型。模型。 正則化反演既可以是非線性反演也可以是線化反演。正則化反演既可以是

22、非線性反演也可以是線化反演。 目前目前MT中絕大多數應用廣泛的反演方法都屬于正則化反演方中絕大多數應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。法，尤其是高維反演。 ?正則化反演的基本原理 總目標函數總目標函數 ? ? ?1?21?d?ii?var( di)?dij?0 i?j?數據目標函數數據目標函數 ?1? ?dTd?d模型約束目標函數：模型約束目標函數： 最簡單模型最簡單模型 最平緩模型最平緩模型 最光滑模型最光滑模型 ?2?m (s)2ds?2?m (s)2ds?2?2m (s)2ds?2?mTm?(m)? ?1(m)? ?2(m)?min?2?(?m)T(?m)?2?(?2

23、m)T(?2m)地球物理反演問題地球物理反演問題 MT中常用的反演算法 ?BOSTICK（1d, 近似反演方法）近似反演方法） 廣義逆方法（廣義逆方法（1d） 馬夸特法（主要是一維，最簡單模型約束，正則化反演）馬夸特法（主要是一維，最簡單模型約束，正則化反演） OCCAM反演方法（反演方法（1d, 2d，最平緩模型約束，正則化反演），最平緩模型約束，正則化反演） ?非線性共軛梯度法反演（非線性共軛梯度法反演（NLCG，2d, 最光滑模型約束，最光滑模型約束，正正則化反演）則化反演） 快速松弛法反演（快速松弛法反演（RRI，2d, 最光滑模型約束，最光滑模型約束，正則化反演）正則化反演） 減基減

24、基OCCAM反演算法（反演算法（REBOCC，2d, 最平緩模型約束，最平緩模型約束，正則化反演）正則化反演） ?一維理論模型的反演對比一維理論模型的反演對比 大地電磁觀測方式示意圖大地電磁觀測方式示意圖 Ex Hy Ey Hx Hz 主要儀器觀測系統主要儀器觀測系統 ?本文中使用的儀器是德國的本文中使用的儀器是德國的GMS-06系統系統 70 80 年代，主要使用國產儀器；年代，主要使用國產儀器； 90 年代以來，逐年代以來，逐漸進口國外儀器，目前已全面被進口儀器所取代。漸進口國外儀器，目前已全面被進口儀器所取代。 當前主要儀器系統：當前主要儀器系統： ?德國德國Metronix 公司的公司

25、的GMS-06、GMS-07等等 ?加拿大鳳凰公司的加拿大鳳凰公司的V5-2000、V8 等等 ?GSM-06大地電磁儀大地電磁儀 實際資料的處理 ?時間序列處理部分。將時間域觀測的信號時間序列處理部分。將時間域觀測的信號轉換到頻率域，生成功率譜文件；轉換到頻率域，生成功率譜文件； ?以功率譜文件為基礎，計算阻抗張量、傾以功率譜文件為基礎，計算阻抗張量、傾子矢量、視電阻率、相位、二維特征量等子矢量、視電阻率、相位、二維特征量等各種各種MT參數，進行畸變分析和校正等；參數，進行畸變分析和校正等； 實際資料的反演解釋 ?資料的定性解釋資料的定性解釋 ?一維、二維反演一維、二維反演 ?地質解釋和結果

26、成圖地質解釋和結果成圖 AMT/MT數據處理流程圖 某地區實測的某地區實測的MTMT視電阻率和相位曲線視電阻率和相位曲線 lg ( Rho/ Ohm.m )1000001000010001001090603000.0010.110lg( T/Sec. )1000 xy yx 1000001000010001001090603000.0010.110lg( T/Sec. )1000 xy yx 1000001000010001001090603000.0010.110lg( T/Sec. )1000 xy yx Phase( Deg.)10000010000100010010906030 xy

27、yx lg ( Rho/ Ohm.m )1000001000010001001090603000.0010.110lg( T/Sec. )1000 xy yx 1000001000010001001090603000.0010.110lg( T/Sec. )1000 xy yx 00.0010.110lg( T/Sec. )1000Phase( Deg.)巖石的電導率及其與地震和地下資源的關系 無物理理化學變化 物理化學變化 巖石結構 含水量 溫 度 壓 強 物質組成 熱脫水反應 孔隙度越大，連通性越好，導電性越好 含水量越大，導電性越好 溫度越高，導電性越好 流體靜壓力越高，導電性越差 與地

28、下資源 （石油、媒、 金屬礦、地熱等） 密切相關 影響巖石導電性的因素與地震現象與地震現象 密切相關密切相關 礦物成分不同，導電性不同 深層原因 使巖石的導電性迅速增加 地殼深部結構密切相關 高溫熔融 部分熔融變可極大地增加巖石的導電性 地震 地地震震引引起起的的視視電電阻阻率率幅幅度度的的變變化化 五五大大連連的的池池三三火火維維山山成成區區象象電電圖圖性性結結構構 天 池w06w05awq3 w04w03aw02w01an01ne1 e01ne2e02ne3ne4ne5ne6ne70-5-10-15-20-25-30-35-40-45-50-55-600log (Ohm.m)3.43.23

29、.02.82.62.42.22.01.81.61.41.21.0510152025303540DISTANCE ( KM )長長白白山山二二火火維維山山反反區區演演結結果果測測線線的的DEPTH ( KM )NE 圖圖16. NE 剖剖 面面 二二 維維 反反 演演 電電 性性 結結 構構長長白白的的山山三三火火維維山山成成區區象象電電圖圖性性結結構構 青藏高原東北緣的大地電磁探測 昌2井1-11-21-31-41-5昌4井2-12-22-32-42-52-7昌9井2-82-92-102-112-12大綏河2-132-1400吉吉林林地地熱熱田田探探測測的的二二維維反反演演結結果果 -1Lg(

30、Res/ m) -1-2-2-3-3-4-4Depth/kmDepth/km-5-5-6-6-7-7-8-8-9-9-1001234Distance/km-100123456789101112Distance/kmJw井3-13-23-33-43-53-63-73-7j3-83-94-14-24-34-44-54-64-74-84-94-104-114-124-1300-1-1-2-2-3-3-4-4Depth/kmDepth/km-5-5-6-6-7-7-8-8-9-9 -100123Distance/km45-10012345Distance/km6789存在的一些問題及初步的研究 高速度

31、高精度的三維正反演問題高速度高精度的三維正反演問題 ?畸變問題和靜位移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二維反演中極化模式選取的問題 ?地形影響問題地形影響問題 ?反演結果的有效深度問題反演結果的有效深度問題 ?反演結果的非唯一性問題反演結果的非唯一性問題 ?可視化集成系統的開發可視化集成系統的開發 ?應用問題：怎么與大陸動力學直接結應用問題：怎么與大陸動力學直接結合起來？合起來？ ?野外實際地電結構一般是三維的！ 實測數據二維反演結果 二維反演中數據極化模式的選擇二維反演中數據極化模式的選擇 異常體沿走向異常體沿走向X的延伸是變化的，分別取的延伸是變化的，分別取4、6、8、10、20、40km (蔡軍濤，陳小斌，趙國澤，未發表）蔡軍濤，陳小斌，趙國澤，未發表） 二二維維反反演演結結果果的的比比較較 2.2.地形的影響地形的影響 純地形模型純地形模型 （未發表）（未發表） TETE和和的的互互換換TMTM 反演網格對地形的擬合反演網格對地形的擬合 反演結果的有效深度 復雜模型趨膚深度的計算 （未發表）（未發表） 反演結果的有效深度：剖面長度的影響反演結果的有效深度：剖面長度的影響 L1=5.2 e0.16 S0.17SL2=1.5 e（楊靜、陳小斌、趙國澤，中國地球物理年刊，（楊靜、陳小斌、趙國澤，中國地球物理年刊，20092009） 可視