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薄层近似法三维大地电磁正演模拟研究

庞溯  
【摘要】:本文主要研究应用薄层近似方法的三维大地电磁正演模拟,薄层近似方法最早是由美国的A.T.Price于1949年在研究非均匀介质天然场电磁问题时提出,在此基础上,美国的T.R.Maddcn及其学生R.P.Ranganayaki和S.K.Park做了进一步研究。薄层近似法三维大地电磁正演模拟方法核心是在水平横向介质层(即X-Y层),对空间域的变量x, y, z中的x和y变量进行傅氏变换转换到波数域kx和ky中,来模拟电磁场在横向对称各向异性介质中的传播特征,然后以各层的垂向变化均值近似代替层中场的垂向导数,以底层场的水平导数近似替代层中场的水平导数(因此被称为薄层近似法)。在两层交界面上,由于切向连续,使用大地电磁中一贯处理方法,即任一层顶部的表面场等于该层紧邻上一层底部表面场值。这样便可以使用有限差分的方法建立起各层由下至上的递推关系,在波数域中结合地表处的源和边界条件,便可以求得模型在波数域中电磁场响应,经过二维反傅氏变换得到空间域中的场值。理论上该方法可以得到空间中任意位置的场值。 本文参考S.K.Park场值计算方法,编排和完善相应程序,建立仅含有一个相对低电阻率介质的模型,对不同导电率张量和初始K值情况下,电磁场响应或视电阻率响应进行了模拟和分析:①随着导电率张量的向异性参数λ增大,在视电阻率对数轴上,XY和YX模式视电阻率值以λ=1的曲线为对称,向两边分开;随着各向异性电性主轴和测量轴夹角θ由0度增加至90度,各视电阻率响应曲线,在θ=0度时的XY和YX两条曲线与视电阻率轴区域内以平均电阻率为对称轴分布,XY和YX视电阻率曲线在45度后交换分布区间。②通过不同组合初始Kx和Ky参数对XY和YX模式产生的场响应,分析初始的Kx和Ky参数对模拟的影响。结果表明,初始的Kx和Ky参数可以理解为测量所在层分界面(位于分界面下层的顶界面或位于分界面上的层底界面)的物性分布规律,当在地表测量时,其分界面上的层底界面即是空气层底界面,初始Kx和Ky参数取为0,测量位置位于层中时,需要根据实际情况计算初始波数参数。 为了验证方法的正确性,利用编排的程序,对四种典型的三层水平层状均匀介质模型进行了正演模拟,将薄层近似法模拟结果与一维大地电磁正演解析解结果进行了对比,两者吻合的非常好,结果表明薄层近似法是可靠的,据方法编排的程序具有较高精度和效率。然后,通过建立具有L形低电阻率阻带模型模拟,分析了方法在不同频率下对模型的电磁场、电阻率、相位和二维偏离度响应信息,通过建立单个高低电阻率模型和高低阻混合模型,对方法模拟效果进行了进一步验证,在高低阻混合模型模拟时,通过输入不同阻值基底参数,结合XY和YX模式的视电阻率和相位信息分析基底参数对模拟的影响。结果表明高电阻率阻基底更利于异常体的发现。通过复杂模型模拟,表明薄层近似法在大地电磁复杂结构模拟中具有广阔的应用前景。


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