电性任意各向异性且连续变化CSAMT三维数值模拟研究

Controlled Source Audio-frequency Magnetotellurics (CSAMT) is one of the important methods of exploring for metal ores, oil and other resources; electrical conductivity is the main electrical parameter used in CSAMT. Tectonic stress fields, fractures in rocks and other factors can result in anisotropy of a material’s electrical conductivity. Moreover, the electrical conductivity of an underground medium usually varies continuously as its composition and the temperature and humidity of the surrounding environment may gradually change. For these reasons, using a simple isotropic and homogeneous model to interpret the essentially anisotropic and continuously changing CSAMT data will inevitably cause errors that can’t be ignored, or even yield wrong results. Therefore, a medium model relatively in line with the real geological conditions must be constructed for accurate forward modeling and inversion of the CSAMT data of a material with complicated electrical properties, i.e. anisotropic and continuously varying electrical conductivity. In the research, a specific program will be written for the 3D CSAMT modeling of such materials after taking into account the anisotropy and continuous change in electrical conductivity. New technologies will be employed to improve the accuracy and speed of calculation. Moreover, theoretical geoelectric modeling will be carried out to investigate how the anisotropy and continuous change in electrical conductivity influenced the CSAMT data of a geological body. This will be expected to provide a theoretical basis for the precise interpretation of CSAMT data.

可控源音频大地电磁测深(CSAMT)是金属矿、石油等资源勘查的重要方法之一，电导率是它所利用的主要电性参数。由于地球构造应力场、岩石裂隙等因素会造成介质电导率各向异性。同时，地下介质的组分及其所在环境的温度、湿度可能是渐变的，使得电导率往往连续变化，如果简单用电导率各向同性、分块均匀介质模型去拟合解释本质上是各向异性且连续变化的CSAMT资料，必然会导致不容忽视的误差，甚至错误的解释结论。因此，要对电导率任意各向异性且电导率连续变化的CSAMT资料作出正确的正反演解释，就必须建立更符合实际地质情况的介质模型并对其进行数值模拟计算。项目将研究同时考虑电导率任意各向异性且连续变化介质电偶源CSAMT三维数值模拟计算方法，采用新技术提高计算精度和速度，编制相应的计算程序了解电阻率各向异性及连续变化地质体对CSAMT数据的影响程度，为CSAMT野外资料的精细解释提供理论依据。

本项目开展了电导率各向异性且连续变化情况的CSAMT三维有限元正演计算方法研究。取得的主要成果包括以下四个方面。. 实现了电导率垂直各向异性水平地层频率域电偶源CSAMT电磁响应计算方法。从麦克斯韦方程组出发，引入磁矢量位和标量位，获得电导率垂直各向异性水平地层频率域电偶源CSAMT磁矢量位边值问题；利用傅里叶变换求解波数域电磁场，再经过反傅里叶变换获得空间任意位置的电磁场，为基于二次场CSAMT三维有限元数值模拟算法过程中所需任意空间位置一次电磁场值提供计算工具；分析了覆盖层、中间层电导率各向异性对可控源电磁数据的影响。. 考虑地球介质电导率任意各向异性且随空间位置连续变化的情况，实现了直接求解电磁场的CSAMT三维有限元数值模拟。首先给出了电导率任意各向异性介质中CSAMT二次电场满足的控制方程及其相应变分问题，然后采用任意六面体单元对研究区域进行剖分，在网格单元中对任意各向异性电导率进行线性插值，解决了实际工作中岩矿石电导率各向异性且连续变化的情况，最终将变分问题的解转化为线性代数方程组的求解。电导率各向异性且连续变化一维模型三维有限元数值模拟结果与电导率各向异性且分层均匀渐进模型解析解结果对比验证了方法的有效性；三维地电模型电导率随位置线性变化且各向同性、主轴各向异性、方位各向异性和倾斜各向异性的数值模拟结果表明，电导率各向异性且连续变化对CSAMT视电阻率和相位数据均有明显的影响。. 同时，项目实现了2.5维电导率正交各向异性可控源电磁等参有限元数值模拟方法和电导率任意各向异性可控源电磁三维矢量有限元数值模拟方法，这些方法相互佐证了项目目标成果的可靠性。. 发表学术论文9篇，其中SCI检索论文2篇，登记软件著作权1项，培养博士后1人、博士研究生5人和硕士研究生4人。