作者简介: 曹强(1989-),男,硕士,中国中铁二院工程集团有限责任公司,主要从事地电学和铁路隧道超前地质预报研究工作。 E-mail: didacaoqiang@163.com
目前,可控源音频大地电磁法测深资料反演主要基于各向同性介质,在复杂的地电体中,由于岩石裂隙或矿物形状等原因使得在各个方向的电阻率不同。本文主要探讨更为符合实际地质体情况的方位非各向同性层状介质在正交水平电偶源激发条件下的可控源音频大地电磁数据的反演。运用Occam反演方法,实现了可控源音频大地电磁法方位非各向同性层状介质反演。构建理论地电模型,通过理论模型合成数据的反演算例检验了所实现的可控源音频大地电磁法方位非各向同性层状介质反演算法的有效性和稳定性。同时,不同数据的反演结果表明:方位非各向同性介质的反演应同时使用视电阻率 ρs xy、 ρs yx和相位 ϕxy、 ϕyx数据。
At present, the inversion of controlled source audio-frequency magnetotelluric data is mainly based on the isotropic media. Because of the rock fracture or the shape of mineral, the resistivity is different in each direction in the complicated geoelectric body. To fit actual geological conditions better, this paper mainly probes into the inversion of controlled source audio-frequency magnetotelluric data in layered media with azimuthal anisotropy induced by ground orthogonal horizontal electric dipoles. We develop an Occam inversion algorithm to invert controlled source audio-frequency magnetotelluric data for azimuthal anisotropy in layered media. Designing the theoretical geoeletric models, the synthetic examples demonstrate the validity and stability of the Occam inversion algorithm. At the same time, the inversion results of different data suggest that in order to get better inversion results of azimuthally anisotropic layered media the apparent resistivities ρs xy, ρs yx, and phases ϕxy, ϕyx, should be used.
可控源音频大地电磁法(CSAMT)是在音频大地电磁法(AMT)基础上发展起来的一种人工源频率域测深方法。近年来, CSAMT在寻找金属矿、石油、煤、地热和解决工程地质等问题上有广泛的应用[1, 2]。目前, 实测CSAMT数据主要采用各向同性的反演技术, 然而, 实际地下电性结构是非常复杂的, 许多情况下, 地下介质是方位非各向同性的。例如, 含片状或者针状良导矿物的网脉状或细脉状金属矿石, 沿网脉状或细脉状方向的电阻率值明显低于同等金属矿物含量的浸染状矿石的电阻率值, 而含片状、树枝状高阻矿物(如石英脉)的岩石, 垂直于岩脉方向的电阻率值往往很高[3]。因此, 为了使CSAMT获得更为符合实际地质体情况的结果, 需要展开对地下方位非各向同性介质的反演研究。
对于非各向同性介质, 一维非各向同性介质的研究相对较多, 二维和三维的非各向同性介质的研究
考虑有M层的方位非各向同性的地层(如图1), 水平地层两个正交方向的电阻率不同, 根据此正交方向建立笛卡尔坐标系, 定义准静态条件(即忽略位移电流的影响)下的张量电阻率在第i层地层中为
式中, ρ ti是x方向的电阻率, ρ ni是y方向的电阻率, 并定义非各向同性系数λ i=
第i层层状非各向同性和非磁性介质的频率域麦克斯韦方程组为
式中, Ei是电场总矢量, Hi是磁场总矢量, ρ i是张量电阻率, ω 是角频率, μ 0为真空磁导率。引入矢量势A和标量势Ψ , 借助二维傅里叶变换对将矢量势A的各个分量从空间域转换到波数域, 利用快速汉克尔变换数值算法, 可求解得到x方向电偶源产生的地表总电场Ex和地表总磁场Hx, 同时可求解得到y方向电偶源产生的地表总电场Ey和地表总磁场
利用张量阻抗通用计算公式[29]
式中,
三层方位非各向同性层状介质地层参数见表1, 正交水平电偶源位于坐标原点, 接收点坐标为(7 070 m, 7 070 m), 接收频率13个(21~213 Hz)。三层方位非各向同性层状介质的阻抗正演响应如图2所示, 由图可知, Zxx和Zyy的实部值、虚部值都接近于零, 故笔者在反演时没有利用Zxx和Zyy对应的视电阻率和相位数据。
![]() | 表1 三层方位非各向同性层状介质地层参数 |
三层方位非各向同性层状介质地层参数见表1, 三层各向同性层状介质地层参数见表2。准静态条件下, 在远区的各向同性层状介质的CSAMT视电阻率值的关系是ρ sxy=ρ syx, 且ρ sxx=ρ syy=0。三层方位非各向同性层状介质与三层各向同性层状介质的视电阻率和相位正演响应对比结果, 如图3所示。由图3可知, 三层非各向同性层状介质的视电阻率
![]() | 表2 三层各向同性层状介质地层参数 |
反演采用Occam方法, Occam反演中除了要把拟合数据差控制到期望值以内, 反演的模型应尽可能简单、光滑, 使模型粗糙度最小。考虑模型粗糙度, 同时考虑数据的拟合差, 引入拉格朗日乘子μ -1, 得到目标函数:
式中, ‖ ∂ m‖ 2=
文中反演输入数据使用了3种数据向量, 具体形式为
式中, i是观测频点数。三种反演数据得到不同反演结果, 并对其结果进行对比。
在反演问题中, 最为关键的部分在于灵敏度矩阵Jij的计算。考虑模型正演响应Fi(m), 对其在mj处进行泰勒级数一阶展开
式中, Jij是灵敏度矩阵Jij=∂ Fi(mj)/∂ mj , 本文采用中心差分法计算灵敏度矩阵, 即
可控源音频大地电磁法方位非各向同性层状介质Occam反演算法大致流程(见图4)为:
1) 构建初始模型, 输入反演数据。
2) 计算模型的正演响应F(m)灵敏度矩阵J和模型粗糙度‖ ∂ m‖ 2。
3) 计算目标函数ψ (m)和其关于m的微分, 得到
其中,
4) 采用一维线性搜索方法搜索拉格朗日乘子μ , 搜索范围1~105, 最小化拟合差X2。
5) 拟合差是否满足期望值
6) 是否达到最大迭代次数, 如果是, 退出程序; 否则, 继续执行程序。
7) 将步骤5保存得到的模型作为新的初始模型, 返回到步骤2继续执行程序。
3.1.1 各向同性正演模型合成数据的反演结果
为了说明算法可行性, 建立一个各向同性正演模型, 模型地层参数见表2, 并对其合成数据进行非各向同性反演。反演输入数据使用d3=(lg
各向同性正演模型合成数据的非各向同性反演结果如图5所示, 每层x方向电阻率ρ t的反演结果与各向同性理论模型吻合, 每层非各向同性系数λ 也接近于1, 是各向同性地层。反演结果模型的响应与反演输入数据的拟合结果, 如图6所示, 视电阻率ρ sxy=ρ syx, 相位ϕ xy=ϕ yx, 二者拟合良好, 说明笔者提出的算法是正确、可行的。
3.1.2 方位非各向同性正演模型合成数据的反演结果
理论方位非各向同性层状介质模型地层参数见表1。初始模型20层, 每层x方向电阻率ρ t=100 Ω · m, 方位非各向同性系数λ =1, 即各向同性地层, 地层厚度25 m, 正交水平电偶源位于坐标原点, 接收点坐标(7 070 m, 7 070 m), 接收频率13个(21~213 Hz)。在理论模型的视电阻率和相位中加入1%的高斯随机误差后, 用可控源音频大地电磁法方位非各向同性层状介质Occam反演程序在PC 机上进行反演。
对合成数据进行方位非各向同性反演的反演结果如图7所示。由图7a可知, 当反演输入数据是d1=(lg
反演结果模型响应与反演输入数据拟合结果, 如图8所示。二者拟合良好, 说明反演结果可靠。
理论模型地层参数见表3, 初始模型40层, 每层x方向电阻率ρ t=100 Ω · m, 非各向同性系数λ =1, 即为各向同性地层, 地层厚度25 m, 正交水平电偶源位于坐标原点, 接收点坐标(7 070 m, 7 070 m), 接收频率13个(21~213 Hz)。在理论模型的视电阻率和相位中加入1%的高斯随机误差后, 用可控源音频大地电磁法方位非各向同性层状介质Occam反演程序在PC 机上进行反演。
![]() | 表3 五层理论模型地层参数 |
五层方位非各向同性层状介质反演结果如图9所示。由图9a可知, 当反演输入数据是d1=(lg
反演结果模型响应与反演输入数据拟合结果, 如图10所示。二者拟合良好, 说明反演结果可靠。
利用Occam反演方法, 实现了可控源音频大地电磁法方位非各向同性层状介质视电阻率和相位资料的反演, 通过理论模型合成数据的反演算例检验了可控源音频大地电磁法方位非各向同性层状介质反演算法的正确性和有效性。方位非各向同性层状介质的正演响应与各向同性层状介质的正演响应存在明显差异。对比正交水平电偶源激发条件下所产生的不同数据的反演结果发现, 对于方位非各向同性层状介质的反演, 同时利用视电阻率ρ sxy、ρ syx和相位ϕ xy、ϕ yx的反演结果最可靠, 最接近理论模型。这说明, 在考虑地下介质方位非各向同性情况下, 为了得到更为可靠的地下电性结构, 应在可控源音频大地电磁法实际工作中采用正交水平电偶源, 同时对地表电场和磁场进行多分量的观测, 并在反演中尽可能地使用视电阻率ρ sxy、ρ syx和相位ϕ xy、ϕ yx数据。
The authors have declared that no competing interests exist.
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