大地电磁测深正演和反演研究综述-北京大学学报

大地电磁测深法是研究地质结构的一种重要的 地球物理勘探方法, 它以天然交变电磁场为场源 (频率范围为 10-4~104 Hz), 研究地下岩层的电学性 质及其分布特征[1]。在 20 世纪 50 年代初, 前苏联 学者 Tikhonov[2]和法国学者 Cagniard[3]奠定了大地 电磁测深法的理论基础。大地电磁法具有成本低, 工作效率高, 探测深度大, 不受高阻层屏蔽影响, 对低阻层分辨能力高的优势, 被广泛应用于矿产和 油气勘查、地下水资源寻找、地壳和上地幔构造探 测、区域地质调查和地震预报等方面[45]。
Review of the Forward Modeling and Inversion in Magnetotelluric Sounding Field
CHEN Li, QIN Qiming†, WANG Nan, BAI Yanbing, ZHAO Shanshan
School of Earth and Space Sciences, Peking University, Beijing 100871; † Corresponding author, E-mail: qmqinpku@163.com
大地电磁测深正演和反演研究综述
陈理 秦其明† 王楠 白琰冰 赵珊珊
北京大学地球与空间科学学院, 北京 100871; † 通信作者, E-mail: qmqinpku@163.com
摘要 从正演和反演理论出发, 分别对大地电磁正演和反演方法进行研究。首先论述大地电磁测深正演和反 演方法发展现状, 并按照一定的标准对其归类。然后简要阐述不同电磁正演和反演方法的原理, 对比分析不 同正演和反演方法的优势、局限性、适用范围以及改进方法。最后通过对正演和反演发展趋势的分析表明, 三维正演研究及全局寻优的非线性反演结合多参数联合反演方法将成为未来的主要发展方向。 关键词 大地电磁测深; 正演模拟; 反演方法 中图分类号 P318; P319
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北京大学学报(自然科学版)
与反演有机结合, 才能更好地解决这一互逆且相互 影响的问题, 实现大地电磁测深数据的合理解释。
1 正演模拟方法
经典大地电磁测深理论表明, 任何宏观的电磁
场都满足麦克斯韦方程组, 可表示为
E


B , t
H

j

D , tHale Waihona Puke Baidu
B 0, D ,
正演和反演是大地电磁测深数据解释过程中两 类重要技术: 正演是通过给定初始模型及边界条件
求解理论场值; 反演则是相反的过程, 由观测场值 的大小及分布反推介质模型[6]。在一维和二维介质 中大地电磁测深的正演和反演方法已相对成熟。实 际地球为三维介质, 随着理论研究的深入, 三维介 质的正演和反演研究飞速发展, 因此在研究正演和 反演理论的基础上, 综合对比分析不同维介质正演 和反演方法的优势和不足, 对其发展尤为重要。
式中: E 为电场强度, H 为磁场强度, B 为磁感应强
度, D 为电位移矢量; j 为传导电流; 为自由电荷密
度。由频率域麦克斯韦方程组可推出电磁场矢量的
波动方程:
2U k 2U 0, 式中: k 为波数, k 2 i , U 为电场矢量 E 或者
磁场矢量 H。在不同边界条件下矢量波动方程的求
Abstract Based on the theory of forward and inversion, forward and inversion methods are studied respectively. Firstly, the magnetotelluric forward and inversion problems are analyzed, and the development and classification of the forward and inversion methods are summarized. Secondly, the principle and procedure of the different methods are described briefly, and the advantages, limitations and enhancement methods are comparatively analyzed. Finally, the trend of the forward and inversion methods are pointed in the future. The three-dimensional forward modeling methods and the global optimization and nonlinear inversion methods will become the main development trend. Key words magnetotellurics sounding; forward model; inversion methods
解即为大地电磁测深的定解问题。
解析法、模型实验法和数值模拟法是 3 种常见
本文主要对大地电磁测深的正演和反演方法进 行归纳总结, 首先介绍大地电磁测深正演和反演 理论, 然后列举大地电磁测深正演和反演常用方 法, 并对比分析不同方法的优缺点。最后, 对大地 电磁正演和反演的发展前景进行展望。通过将正演
国家科技攻关计划重大专项(2011ZX05034-02, 2008ZX05034-03)资助 收稿日期: 2013-09-25; 修回日期: 2013-11-18; 网络出版日期: 2014-06-12
北京大学学报(自然科学版), 第 50 卷, 第 5 期, 2014 年 9 月 Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis, Vol. 50, No. 5 (Sept. 2014)
doi: 10.13209/j.0479-8023.2014.090