大地电磁法及被动源电磁测深概述

大地电磁法(Magnetotellutic Method, MT)是一种利用天然交变电磁场研究深部地球电性结构的一种地球物理勘探方法, 它以天然的平面电磁波为场源, 通过在地表观测相互正交的电场、 磁场分量来获取地电构造信息。20世纪50年代初由Tikhonov A N(1950)和Cagnird L(1953)分别提出, 经过50多年的理论完善和野外实践, 大地电磁法被证明为一种非常出众的地球物理勘探方法, 并被广泛应用于矿产普查和勘探、 地壳和上地幔电性结构的研究、 海洋地球物理、 环境地球物理和石油天然气勘探等领域。

本书所研究的被动源电磁测深法是相对于人工场源电磁测深法来说的, 它包括传统的大地电磁测深法(Magnetotellurics, MT)、 音频大地电磁测深法(Audio-frequency Magnetotellurics, AMT)以及近年来发展起来的频率范围在10 Hz~100 kHz之间的高频大地电磁测深法(High-frequency Magnetotellurics, HMT)。

目前, 有关大地电磁法的正演、 反演与解释大多局限二维情形, 但是, 由于实际地质构造一般是在立体空间展布的, 复杂的三维模型的大地电磁法正、 反演研究成为了当前的研究热点。因此, 本书针对三维大地电磁法问题开展快速、 高精度的正演研究, 并进行了被动源电磁测深二维反演研究, 讨论了两种模式联合反演方法以及大地电磁灵敏度矩阵的快速求取方法。

本书的主要研究内容得到了国家高技术研究发展计划(863计划)“被动源电磁测深的多尺度自适应双模联合反演研究”(2006AA06Z105)、 国家自然科学基金项目“h型自适应有限元在三维地电磁场计算中的应用研究”(40874072)、 国家科技专项“深部矿产资源立体探测技术及实验研究(SinoProbe-03)”3个国家级科研项目以及湖南省高等学校科学研究项目“复杂三维地电磁场矢量有限元模拟”(08D008)、 湖南省科技计划“三维可控源电磁场自适应矢量有限元研究”(2008FJ4181)两个省级科研项目的支持。

1.1 大地电磁法数值模拟国内外发展现状

地球物理模拟方法通常可归纳为3种途径。

(1)解析法。 这种方法适用于规则地质体, 如球体、 水平层等, 结果精确。但对于复杂场源分布或不规则地质体很难得到解析解。

(2)模型实验。 该方法主要使用各种物理模拟设备如水槽、 土槽、 电阻率网络、 导电纸等, 以物理现象的相似性为基础, 用一定比例的模型来模拟实际地电条件, 按照相似性原理对野外数据进行模拟。不足之处在于模型的制作非常麻烦, 物理模拟成本也非常高, 尤其是物性分布十分复杂的模型很难制作。

(3)数值模拟方法。 根据地球物理中的偏微分方程和边界条件, 用数值方法求解场值的近似解, 是一种近似的方法, 但它适用于复杂物性分布和复杂边界形状的地球物理计算, 所以适用范围非常的广泛。数值模拟法需要进行大量的计算工作, 40多年来, 由于计算机技术的迅速发展, 克服了计算工作量浩大的困难, 数值模拟法已经成为地球物理正演最主要的方法。在电(磁)法正演中, 常用的方法有: 积分方程法(Integral Equation Methods, IEM)、 有限差分法(Finit Difference Method, FDM)、 有限单元法(Finite Element Methods, FEM)等。