大地電磁測深原理及應用介紹主要內容一、大地電磁測深的簡單介紹二、大地電磁測深的基本原理三、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大地電磁測深的簡單介紹大地電磁測深法（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。其基本原理是：依據不同頻率的電磁波在導電煤質中具有不同趨膚深度的原理，在地表測量由高頻至低頻的地球電磁響應序列，經過相關的資料處理來獲得大地由淺至深的電性結構。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吉洪諾夫（蘇聯，1950），卡尼爾（法國人，1953）從儀器采集系統和資料處理和管理方式，可將MT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、手工對量板法；數字化階段：70～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、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：正在興起。國外：Geotools、WinGLink；國內有多家，但未能形成規模化推廣。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，五十年代～八十年代；二維，九十年代～今天；三維，正在興起大地電磁測深的優缺點優點不受高阻層屏蔽、對高導層分辨能力強；橫向分辨能力較強；資料處理與解釋技術成熟；勘探深度大、勘探費用低、施工方便；缺點體積效應，反演的非唯一性較強（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測深的理論基礎1、正演問題2、反演問題3、實際資料的采集和處理大地電磁測深法（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。其基本原理是：依據不同頻率的電磁波在導體中具有不同趨膚深度的原理，在地表測量由高頻至低頻的地球電磁響應序列，經過相關的數據處理和分析來獲得大地由淺至深的電性結構。10電磁法探測地下結構的原理示意圖EM波在地面垂直入射到地球內部，在地球表面測量由地下介質感應生成的電場和磁場各分量，分析和研究可得到地下介質的信息。

WEM信號目標地面電磁場觀測方式(Ey)(Hy)(Hx)(Hz)(Ex)在每個測點,記錄3分量磁場Hx,Hy,Hz和2電場Ex,Ey，得到反應地下信息的電磁傳輸函數，對其反演得到地下介質的電導率結構信息。為什么能夠測深？—感性認識為什么能夠測深？—感性認識為什么能夠測深？—感性認識1、正演問題正演指的是什么？正演指的是對于一個給定的模型，在一定激發源的作用下，根據一定的物理原理求其響應的過程；在地球物理中，正演一般對應于求解一數理模型的邊值或初值問題；在大地電磁測深中，正演問題是，假設大地的電性結構已知，當均勻平面電磁波垂直入射到大地表面時，求在地表產生的電磁響應。大地電磁測深正演關于場源MT中假設場源可視為自高空垂直入射到地表的均勻平面電磁波。地球空間的電磁場主要由兩部分組成：相對穩定的地球基本磁場和變化的外來感應電磁場。MT中利用的是地球電磁場中變化的部分，即外來的感應電磁場。外來的感應電磁場場源：電離層的運動、太陽風、雷電、工業用電等。MT中有效的場源：電離層電流的定向流動或小規模的擾動、太陽風、遠距離的雷電和工業用電等。頻率域電磁場方程取時諧因子為，即場可以表示為：對于某一個頻率ω，麥克斯韋方程為：由此可得兩個矢量波方程其通解為關于研究對象：地球的電性結構一般情況下，磁導率和介電常數取為真空中值，即：因此，大地電磁測深的探測對象為地球的電導率結構。由簡單到復雜，地球的電導率結構可以視為一維結構、二維結構和三維結構，對應的理論研究也有一維問題、二維問題和三維問題。一維正演：均勻半空間問題θ大地空氣假設場源的是沿著x方向極化的電性源（TE模式），由于地質模型不存在橫向的變化，因此，感應的二次場只存在Hy和Ex分量，即總的電磁場可表示為：此時矢量波動方程退化為：其解為

：則阻抗為

：同理可得TM模式下的阻抗為：一維正演：關于場源的垂直入射當平面電磁波在空氣中的傳播方向與地面法線方向成θ角時，因為空氣中電導率為零，故有：在地表，電磁場的切向分量連續，故要求：

因為地球內部，傳導電流遠大于位移電流σ>>ωε，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：視電阻率和阻抗相位的定義在均勻半空間下，我們已經得到：可以求得電阻率為：在一般情況下，以上兩式并不能獲得真正的電阻率，這時求得的量稱為視電阻率，并把阻抗的幅角稱為阻抗相位一維正演：層狀介質模型源信號阻抗的遞推公式視電阻率和相位四種典型的三層模型曲線：K、HK形曲線H形曲線四種典型的三層模型曲線：A、QA形曲線Q形曲線一維正演：連續介質模型源信號一維正演：連續介質模型源信號阻抗定義的推廣：張量阻抗和傾子矢量在一維情況下：在一般情況下，磁場Hy不僅與Ex而且可能同Ey也有關，對于磁場Hx也一樣。這時，電場與磁場的關系用下式表示：阻抗張量此外，關于垂直磁場有定義：傾子矢量二維和三維模型問題源信號源信號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正演：邊值問題在二維情況下，根據麥克斯韋方程，電磁場可以解耦成兩組獨立的場:TE極化模式(Ex,Hy,Hz)、TM極化模式(Hx,Ey,Ez)。因此，二維大地電磁問題轉化為求解兩種極化模式下的標量微分方程的邊值問題。TM模式：TE模式：二維正演計算的簡單實例TE模式TM模式視電阻率分布二維正演的簡單算例TE模式TM模式阻抗相位分布復雜模型的正演結果三維正演：邊值問題在三維情況下，電磁場不能解耦成兩組獨立的場，這時必須直接求解矢量波方程。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。2、反演問題如何理解反演？反演是指根據實測的數據來反推產生這些數據的系統內在信息的一種數學物理過程。反演的兩個基本條件：實測的數據和一個先驗模型系統。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數據，“多項式”這種函數形式就是“先驗模型系統”。二維正演計算的簡單實例TE模式TM模式視電阻率分布二維正演的簡單算例TE模式TM模式阻抗相位分布復雜模型的正演結果如何理解反演？對于大地電磁測深而言，“實測的數據”就是在地表實測的視電阻率、相位等數據；“先驗模型系統”是對地球電導率模型的假設（一維、二維還是三維？），以及在此假設基礎上的正演實現過程。更明確的說，這里的“先驗模型系統”就是指的是“一維正演”過程、“二維正演”過程或“三維正演”過程。對于大地電磁測深而言，所謂待反演的“系統內在信息”指的就是電導率結構。因此，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，該電導率結構的正演響應能極好地擬合視電阻率、相位等實測數據。

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，這是這一技術的最為關鍵之處。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。正則化反演方法介紹反演的非唯一性。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。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。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。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。正則化反演的基本原理總目標函數數據目標函數

模型約束目標函數：

最簡單模型最平緩模型最光滑模型地球物理反演問題MT中常用的反演算法BOSTICK（1d,近似反演方法）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）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比3、實際資料的采集和處理大地電磁觀測方式示意圖ExHyEyHxHz主要儀器觀測系統70～80年代，主要使用國產儀器；90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。當前主要儀器系統：加拿大鳳凰公司的V5-2000、V8等德國Metronix公司的GMS-06、GMS-07等美國的EM－24（？？）等實際資料的處理和反演解釋資料處理：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；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、二維特征量等各種MT參數，進行畸變分析和校正等；反演解釋資料的定性解釋一維、二維反演地質解釋和結果成圖AMT/MT數據處理流程圖某地區實測的MT視電阻率和相位曲線大地電磁測深的應用與地下資源（石油、媒、金屬礦、地熱等）密切相關地殼深部結構密切相關深層原因與地下資源（石油、媒、金屬礦、地熱等）密切相關與地震現象密切相關巖石的電導率及其與地震和地下資源的關系影響巖石導電性的因素巖石結構物質組成含水量溫度壓強無物理理－化學變化物理－化學變化孔隙度越大，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，導電性越差礦物成分不同，導電性不同熱脫水反應高溫熔融

使巖石的導電性迅速增加部分熔融變可極大地增加巖石的導電性地震地震引起的視電阻率幅度的變化五大連池火山區電性結構的三維成象圖長白山火山區NE測線的二維反演結果長白山火山區電性結構的三維成象圖青藏高原東北緣的大地電磁探測吉林地熱田探測的二維反演結果

Lg(Res/Ωm)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果的有效深度問題反演結果的非唯一性問題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(蔡軍濤，陳小斌，趙國澤，未發表）異常