薄层近似法三维大地电磁正演模拟研究

【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。