海底大地电磁数据处理和三维反演的关键技术

The modern geophysical technologies and its results, especially the Ocean Bottom Seismometer (OBS), are playing an increasingly important role in marine earth science. In contrast, the Ocean Bottom Electro-magnetometer (OBEM) is relatively backward, the data processing and three-dimensional (3-D) inversion based on the OBEM data have a long way to go. Therefore, this proposal focuses on these two technologies. We study the electromagnetic (EM) field induced by the movement of the seawater which is high conductive and its influence on OBEM data in data processing. With 3-D numerical simulation of EM filed induced by different ocean tide models, we figure out the effect of the ocean bottom EM filed at different frequencies, and suggest the according strategies and modified approaches. For the 3-D inversion, based on the 3-D general MT inversion code developed by the proposer, we improve the regularized inversion technology for complex seafloor topography and special geological structures in seafloor and develop a series of new 3-D seafloor magnetotelluric (MT) method suit to different conditions of the seafloor. Also, our methods will be tested and verified for its validity and practicability by the marine observed data.

在海底地球科学研究中，以海底地震仪（OBS）为代表的现代地球物理技术及其成果利用正发挥着越来越重要的作用。相比较而言，海底大地电磁仪（OBEM）的技术发展和成果利用相对滞后，特别在数据处理和三维反演研究方面尚不成熟。本申请则将针对这两个方面的关键技术开展研究：在数据处理方面，重点研究作为良导体的海水运动产生的电磁场及对海底大地电磁数据的影响。通过对不同洋流模型产生的电磁场的三维数值模拟，研究其对不同频率海底大地电磁场特征的影响，并给出相应的策略和改正方法；在三维反演方面，从申请者在陆上三维大地电磁反演上的研究基础出发，针对海底复杂地形和特殊的地质构造，对现有的正则化反演技术进行改进，进而研制出一套适合于不同海底情况下的大地电磁三维反演方法系列。研究成果将尝试应用于实际资料以验证方法的有效性和实用性。

本项目针对目前在海洋地球物理研究中海洋大地电磁数据处理方面的不足之处，从两方面入手开展相关的研究工作：在数据处理方面，重点研究作为良导体的海水运动产生的电磁场及对海底大地电磁数据的影响。利用基于耗散迭代修正方法的积分方程法实现了对海水运动产生的电磁场的三维数值模拟，通过模拟结果认识到这种场源引起的电磁场主要会影响周期为10000s-100000s的电磁场数据，对于大地电磁反演的数据没有影响。在三维反演方面，从申请者在陆上三维大地电磁反演上的研究基础出发，针对海底复杂地形和特殊的地质构造，对现有的正则化反演技术进行改进，进而研制出适合于任意起伏地形情况下的三维反演技术，同时从目标函数的构建入手，提出了基于指数函数的新模型约束泛函，实现了稳定的突出尖锐电性分界面的正则化反演过程。综上研究成果形成了一套适用于海底大地电磁数据的三维反演方法。在此基础上，我们设计了多个理论模型，验证了反演结果的正确性和有效性。最后，我们将这一套反演方法应用于2018年公开的菲律宾海和北西太平洋长周期海底大地电磁数据，得到了深部的电性分布情况。为进一步研究太平洋和菲律宾海板块的接触关系和该区域的壳幔结构提供的更多的地球物理信息。