考虑地球曲率的大地电磁正反演研究与应用

发布时间：2020-05-26 08:01

【摘要】：大地电磁测深法(Magnetotelluric Sounding,MT)是以地下介质的电性差异为基础,以天然电磁场为场源,研究地下电性结构的频率测深方法。本文主要研究考虑地球曲率的二维MT正反演算法,并应用到云南福贡-陆良大地电磁剖面的资料处理中。二维介质情况下,长剖面在地球尺度下表现为一条弯曲的弧线,在进行大地电磁正反演的时候需要考虑地球曲率。本文首先推导了大地电磁传播的偏微分方程和二维变分方程,正演采用扇形剖分方法、双二次插值、高斯数值积分、预条件共轭梯度法解方程的有限单元法,通过和均匀半空间、H型地电模型的数值解对比验证程序的正确性,设计高、低阻异常体与平地面大地电磁方法进行对比,发现大地电磁对低阻体响应更好,且TE模式纵向分辨率高,TM模式横向分辨率高,考虑地球曲率的结果更合理。采用NLCG方法对高、低阻异常体进行反演,发现大地电磁反演对低阻异常体的反演效果更好,且异常体的横向分辨率高于纵向分辨率,纵向上异常体的顶界面分辨率高于底界面。剖面长度对小规模异常体的影响较小,对大规模异常体的影响较大,在长剖面情况下,异常体长度越长受地球曲率的影响就越大,其响应结果表现为与实际地面相符合的弧形状。介绍了云南福贡-陆良实测大地电磁剖面的构造背景、研究进展及意义,从测线的布置、资料的采集和处理方法进行研究,重点研究了ARIMA模型在大地电磁缺失数据中的应用;分析Niblett-Bostick穿透深度可知研究区域TM模式深度大于TE模式,整体上平均深度80km;根据Swift分解计算电性主轴及二维偏离度,发现电性主轴方向与构造走向吻合,低频部分二维偏离度较高,三维性较强。反演得出福贡-陆良的初步电性结构,自西向东可划分以下电性结构类型:兰坪壳幔高-低-高层状电性结构、金沙江壳幔低阻带状电性结构、扬子陆块西南缘壳幔高阻块状电性结构、滇中壳幔高-低-中低阻层状电性结构和滇东壳幔高阻带状电性结构。金顶北衙矿集区下发现两个高阻体初步推断成因是超基性岩浆侵入到地壳浅部的残留体。大多数地震发生在电性结构分界或邻近低阻的高阻区域内,研究区域内可分为五个地震活跃的区域(金沙江断裂带地震区,宾川-程何断裂带地震区,姚安断裂带地震区,绿汁江断裂带地震区和小江断裂带地震区)。
【图文】：

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图 1-1 地球常见岩石、矿物及其他物质的电性特征（Simpson and Bahr，2005）MT 方法所利用的天然电磁场具有很宽的频率范围，约为 104Hz 至 10Simpson and Bahr，2005）。根据其激发机制和频率范围可以将 MT 的频率来致分为两类：（1）高频信号（频率大于 1Hz）主要由全球范围的雷电活动产道附近的雷电活动最活跃，随着纬度的升高活跃程度逐渐降低，在两极地区。电离层和地球表面之间对于电磁波来说相当于一个波导，大气层中以雷电出现的电磁场将在波导的上下界面之间来回反射，因此可以传播到很远的地下则以平面波（假设）的形式产生电磁感应。（2）低频信号（频率小于 1要由太阳风与地球磁层之间的相互作用和磁层内部的相互作用产生，这些信强度变化与太阳黑子活动相关，在太阳黑子活动的高峰期，，磁场变化强烈信号的幅度将增强，观测效果将更好；而在太阳黑子活动较弱的时期，号则较弱。但是当太阳黑子活动过于剧烈时，电磁场的传播可能不满足平面直入射，结果可能不准确。在 0.5-5Hz 的频率范围内，上述两类场源所产生号均较弱，通常被称为死频段，该频段范围内所采集的 MT 观测数据的质量

示意图,地球,示意图,测线

从而计算得到的 MT 探测深度就可达到数百公里，所以该部岩石圈的电性结构。的 MT 正反演解释方法是：假定场源是垂直入射的平面波，设地或者山地（这决定 MT 正演中的剖面方法），主要采用解析有限单元法（二、三维情况）和有限差分法（二、三维情况）求解（此过程称之为正演）；采用最优化方法（线性算法：阻斯牛顿法和梯度法等；非线性算法：神经网络法、模拟退火法行实测数据到模型的求解（此过程称之为反演）。，目前的 MT 勘探深度越来越大，剖面长度也越来越长，可以，测线在空间上就是一条弯曲的弧线（如图 1-2 红色线条所示电磁情况，地球是一个球体，随着测线和探测深度的增加，地响，应该采用层状球体模型。对于二维大地电磁，当测线长度平均半径（6371km）来说，测线除去地形的影响后可以看作是长度长达数百甚至数千公里时，地球曲率也可能带来影响。料反演解释时，就应当考虑地球曲率的影响。
【学位授予单位】：成都理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：P631.325

【参考文献】