三维反演是大地电磁领域研究的热点问题, 已有的三维反演算法程序使用繁琐、 操作不便, 导致三维MT反演的实用化进度缓慢。 为此, 我们采用Delphi语言自主研发了大地电磁三维反演云计算系统toPeak。 文中对三维MT反演云计算系统进行了需求分析和系统设计, 确定了系统结构和功能模块; 阐述了toPeak各部分的设计结构和主要功能; 介绍了云反演的流程, 并展示了使用toPeak进行三维云反演的案例。 toPeak已实现较大规模的大地电磁三维反演所需的全部功能, 可对较大规模的大地电磁三维实测资料进行网格化、 流程化资料处理、 反演与解释, 为大地电磁三维反演实用化提供了一种有力工具。
天然源的大地电磁信号易受干扰影响, 导致阻抗估计结果不准确, 这种难以克服的缺陷制约着大地电磁法的应用范围。随着工业化发展, 人文干扰越发严重, 传统的数据处理方法已经不能改善强电磁干扰环境下的数据质量。文中结合大地电磁数据处理的基本理论对中国东部强干扰地区实测数据进行了处理。分析了稳健估计(Robust)处理、 分段叠加处理和分时处理等技术的处理效果, 总结了不同干扰情况下的数据处理方案。对于不同干扰特征的数据, 要综合分析Robust处理对数据的影响, 灵活应用Robust处理。为得到更好的处理结果, 应适当增加数据采集时间, 特别是夜间干扰较弱时段的数据采集时间。此外, 增加数据分段的个数, 提供更多可供编辑的功率谱也是得到优质数据的必要条件。
文中对人工源极低频(CSELF)电磁波的空间传播特征进行了较为细致的研究。CSELF电磁波的空间传播区域可划分为近区、 远区和波导区。在近区和远区, CSELF电磁波的传播理论与CSAMT相似, 文中整理、 验证了已有文献中的场强计算公式; 在波导区, 借鉴无线电通信技术成果, 给出了地球-大气层-电离层球形谐振腔模型的CSELF电磁波近似计算公式, 并在此基础上设计了可视化软件, 实现了3种坐标系下CSELF电磁波场的计算; 此外, 依据计算结果分析了CSELF在近区、 远区、 波导区的空间传播特征。研究表明: CSELF电磁场在近区和远区衰减很快, 而在波导区衰减较慢; 电场比磁场更早进入波导区; 在地球模型下, 在场源对极点波导区场强存在局部极大值, 显示了与水平层状模型完全不同的电磁波传播特征。同时, 在基于水平电偶极子源的频率域电磁测深中, 远区测深主要依赖于磁场而非电场。文中研究为CSELF的应用提供了理论和计算方面的支持。
开展极低频电磁(CSELF)台网区、 台站的地下背景电性结构探测对于发挥其在地震预测预报研究中的作用具有重要意义。文中在首都圈CSELF电磁台网的每个台站附近布设了一条短的宽频带大地电磁剖面, 共完成了60个测点的数据采集, 对数据进行了处理与分析。首先, 通过大地电磁一维反演获得每个台站和测点下方的电阻率结构; 然后, 利用二维反演技术获得每个台站沿剖面的地壳电性结构; 最后, 对整个台网区的台站数据进行三维反演, 获得台网区三维地壳电性结构。结果表明, 华北北部阴山-燕山造山带、 中部的太行山地区和东部的胶-辽地块的地壳电性结构主要表现为高阻特征, 华北平原和山西断陷区域表现为相对低阻; 太行山重力梯度带与郯庐断裂带两侧的电性结构差异明显, 表现为电性边界带; 台网区的电性结构特征与区域地质构造、 地震活动性特征具有明显的相关性。首都圈CSELF台网区地下电性结构探测为区域的孕震环境、 地震电磁异常信号的产生机理以及地震预测预报研究工作提供了重要的参考资料。
东昆仑断裂带是青藏高原北部一条近EW走向的巨型断裂, 其东南尾端发生分叉形成了复杂的马尾状断裂系统, 2017年在该区域发生了九寨沟MS7.0地震。 文中对跨过东昆仑断裂带东端和九寨沟地震区的3条剖面上的大地电磁探测数据进行处理分析, 采用三维电磁成像反演技术获取了三维深部电性结构图像。 所得结果表明, 东昆仑断裂带东端及周边区域内的东昆仑断裂、 白龙江断裂和光盖山-迭山断裂表现出向SW倾斜的电性差异带, 这些断裂向下延伸并合并于中下地壳的低阻层中, 共同组成了由南向北扩展的花状构造。 在马尾状构造中, 隐伏的虎牙断裂带(北段)在深部表现为明显的低阻边界带; 塔藏断裂的规模明显小于虎牙断裂(北段), 并与虎牙断裂(北段)组成单侧花状结构; 白龙江断裂和光盖山-迭山断裂依然表现为由南向北扩展的花状构造, 2组花状结构在深部衔接并统一归并于壳内的低阻层中。 2017年九寨沟7.0级地震的震源区位于高、 低阻交界区域, 处于松潘-甘孜地块壳内低阻层向NE涌动的端点附近, 根据震源区的电性结构和流变结构推测震源深度≤11km。 虎牙断裂(北段)的延伸深度和规模大于东侧的塔藏断裂, 是2017年九寨沟地震的发震断层。 松潘-甘孜地块北部中下地壳发育南西深、 北东浅的低阻层, 表明青藏高原向NE推挤的运动方式是2017年九寨沟地震的动力来源。
提出了地电阻率滑动自相关数据处理方法,利用随机时间序列对方法进行了数值检验,验证了方法的有效性。将滑动自相关方法应用于3个地电阻率台站实际观测资料,经分析研究得到了一些比较有意义的结果:1)甘孜台和山丹台地电阻率滑动相关系数变化与地震事件有较好的对应关系,主要表现为,在震前半年到1年时间范围内,会出现相关系数阶段性增大现象,同时,这2个台站的相关系数异常也表现出比较强的各向异性特征;2)成都台地电阻率观测虽受干扰较为严重,但相关系数异常现象与地震事件仍有比较好的对应关系,除了说明所使用方法的有效性之外,还可能与参加计算的地震事件震级比较大,震中距较小,以及发震时间比较集中有关,在该台站同样也存在异常的各向异性特征;3)通过对比不同震级特征地震的相关研究结果得出,当选择的特征地震震级较小时,不同地震的震前异常幅度会有所不同,但当震级较大时(如MS≥5.0),其对研究结果产生的影响非常有限。此外,还对地电阻率地震异常的各向异性,以及特征地震的选取问题进行了简单论述。
在华北克拉通东北边界带,完成了1条NW-SE走向长约900km的大地电磁测深剖面工作;该剖面西北始于中亚造山带内部的贺根山杂岩带,向SE依次穿过宝力道弧、索伦-林西缝合带、温都尔庙杂岩带、白乃庙弧、内蒙地轴、燕山造山带、最后终止于华北克拉通内部的辽河坳陷。采用大地电磁阻抗张量分解技术对所有测点的维性、区域地电走向进行了分析,沿剖面的数据具有较好的二维性。利用NLCG二维反演方法,得到了沿剖面地下二维电阻率结构。从电性结构上看,沿剖面电阻率结构具有横向分块的特征,大致可以分为3个主要的电性区,呈现高阻-低阻-高阻的变化;中亚造山带与华北克拉通显示出不同的电阻率变化特征,前者变化剧烈,后者变化相对平缓;索伦-林西缝合带和内蒙地轴中下地壳分别存在1个大范围的低阻体,可能是由深部流体以及部分熔融所致。基于研究区的深部电性结构及其他地质与地球物理观测资料,我们推测:1)西伯利亚板块与华北板块的最终缝合位置可能在锡林浩特断裂与西拉木伦河断裂之间的区域; 2)燕山造山带下较厚的高阻体可能起到了构造屏障的作用,使克拉通内外的上地幔顶部具有不同的对流模式,从而减弱了中亚造山带构造演化对华北克拉通东部破坏的影响作用。
面对越来越多的观测数据、越来越复杂的地电模型, 大地电磁法的高维正反演需要发展高效、稳定的正、反演计算新技术.多重网格法是求解椭圆型偏微分方程最优化的方法之一, 近些年来被广泛地用作大规模、高精度方程求解的加速器.目前, 多重网格法多基于矩形网格来构造粗细不同的层次网格组, 但是矩形网格不能适应几何形状复杂的区域并且不支持局部加密细化从而限制了多重网格法的应用.文中提出一种采用Delaunay三角网的非结构化多重网格生成算法, 该算法能够自动对复杂区域生成粗细不同的网格, 并且每层网格单元具有良好的形状比和可控的尺寸大小.文中采用该算法实现了对复杂地电模型的非结构多重网格的自动生成, 解决了大地电磁多重网格正反演计算中复杂模型离散化这一关键的技术问题.
2013年7月22日甘肃岷县漳县交界处发生MS6.6地震后,横跨西秦岭造山带和地震区沿NE方向的剖面进行了45个大地电磁测点的观测。使用远参考和 "Robust"技术以及相位张量分解技术处理数据, 采用NLCG 2维反演方法, 获得的深部电性结构图像揭示: 西秦岭造山带自地表至深度约20km存在东北和西南浅、中部深的倒 "梯形"高电阻体, 在高阻体之下为低电阻层, 高、低电阻层相互契合; 西秦岭造山带西南侧的松潘-甘孜地块(北部)在深度约20km存在西南深、东北浅的中下地壳低阻层, 其东北侧的陇西盆地具有稳定的成层性结构, 显示出西秦岭造山带正处于松潘-甘孜地块向北挤压和陇西盆地向南的阻挡挤压作用中。东昆仑断裂带(塔藏段)错断了松潘-甘孜地块中下地壳低阻层, 迭部-白龙江断裂和光盖山-迭山断裂带延伸深度不大, 在深部归并于东昆仑断裂带(塔藏段), 东昆仑断裂带(塔藏段)内部结构和介质的低阻特性是东昆仑断裂带在塔藏段水平滑动速率逐渐减小、垂向运动逐渐增强的深层原因。西秦岭北缘断裂为陡立的大型电性边界带, 延伸深度穿过莫霍面; 临潭-宕昌断裂带表现为具有一定宽度的低阻带, 延伸深度归并到中下地壳低阻层中。2013年甘肃岷县漳县6.6级地震震源区处于倒 "梯形"高阻体的西秦岭造山带的核部, 即位于高低电阻体接触区, 同时发生在低阻破碎带的临潭-宕昌断裂带附近。松潘-甘孜地块从SW向NE推挤、东北侧陇西盆地阻挡的相互作用是2013年岷县漳县MS6.6地震发生的动力学原因, 岷县漳县地震震源区特殊的高低阻介质属性和接触关系是该次地震发生的内部因素。
在压力为1.0GPa、温度为400~1 073K条件下,用交流阻抗谱法研究了采自山东泰山的黑云斜长片麻岩平行及垂直面理方向的电导率。在实验温度范围内,黑云斜长片麻岩实验样品电导率的对数值为-6.0~0.5S/m,满足Arrhenius方程。电导率在平行面理方向比垂直面理方向高出约1个数量级。平行面理方向样品电导率分别在第3轮升、降温过程中的881~1 040K之间出现1个明显的电导率突变过程,这可能与黑云母的脱水有关。在低温段,垂直及平行面理方向样品的活化焓分别为0.43和0.49eV,在高温段则分别为3.40和 1.53eV。将该实验电导率结果与华东地区大地电磁结果进行对比发现,在中下地壳范围内,该实验结果部分位于大地电磁结果范围内,说明黑云斜长片麻岩可能是组成这一地区中下地壳的候选岩石之一。
地震预测人工源极低频电磁技术(CSELF)是一种新技术,大功率人工源信号在 "波导"中传播,可覆盖数千km的距离范围。信号频带包括传统电、磁法不曾包含的,对地震电磁异常现象敏感的极低频及其附近频率的电磁场信号。利用台网进行观测,既可监测空间电磁场的分布及其变化,又可监测台站地下电阻率结构及其变化,利于实现对地震电磁异常的4维监测。在过去10多年的研究和试验中,2次观测到地震前的电磁异常。利用CSELF台网式的观测表明,人工源信号的数据具有稳定的、高信噪比的优势。现在中国具有一定规模的第一个CSELF观测台网正在建设中。
为研究代县盆地及其断裂的空间展布以及深部的延展情况,东南跨过五台山北麓断裂带,西北至恒山山前黄土丘陵区,布置了一条NW向穿过代县盆地的可控音频大地电磁(CSAMT)测深剖面,全长12.55km。共完成可控源音频大地电磁测点246个,观测频率为8 533.333~1.333 333Hz。视电阻率、相位曲线具有明显的分段特征,每段内测点的曲线形态和视电阻率值变化不大,其分段与地貌特征有很好的对应关系。采用NLCG二维反演方法对该剖面进行了反演,获得该测区1km以上范围内的电性剖面。沿剖面自西向东可以划分出6个电性分区,电性边界带与五台山北麓断裂和恒山南麓断裂对应得很好。结果显示,五台山北麓断裂带由一组北倾的正断裂组成,呈阶梯状逐渐下降,倾向代县盆地; 剖面没有完全通过恒山南麓断裂带,揭示了部分断裂带的特征,在薄层的低阻洪积物之下,断裂的下盘为高阻基岩,上盘为低阻冲洪积物,倾向SE; 此外还发现代县盆地横向上与地貌相呼应,具有非均匀性,洪积倾斜平原下电阻率较低,冲积平原下电阻率稍大。CSAMT在代县盆地应用的结果表明, CSAMT法能给出断裂的构造位置、倾向以及发育规模等信息,为活动断裂探测提供可靠的基础资料。
2007年6月3日宁洱县境内发生6.4级地震,在地震区跨越宁洱东支断裂进行了为期14d的余震序列宽频带电磁异常连续观测。在固定台站的电场和磁场时间序列记录中,观测到多次余震事件的电磁同震现象。取每2h观测资料进行了加窗傅氏变换,得到不同频率的功率谱随时间的变化曲线。结果表明,MS3.0以上的余震发生前后,电磁场各分量频率谱峰值出现了显著的变化,地震后的峰值波动也许与时间域的同震效应相对应,而地震前发生的峰值跳跃有可能为电磁前兆现象。此外,本文对同震电磁信号产生机理进行了讨论,推测这种现象可能与地震发电机机制有关。