基于各向异性介质的可控源电磁法三维约束反演及其误差评价

In recent years, the high sensitivity of the electromagnetic (EM) methods to high-resistivity-objects results in the increased theoretical study and application of the EM methods in oil and gas prospecting. However, the interpretation of CSEM data still based on 1D, 2D and simple 3D inversion, with the assumption of electrical isotropy. Nevertheless, the geological structures of prospecting objects are usually complex, with the common occurrence of anisotropy. In field exploration, the isotropy assumption may lead to a big interpretation error and even wrong interpretation result, thus it is necessary to carry out the 3D anisotropic inversion. The project contains the following aspects: the 3D forward modeling for anisotropic media, 3D constrained inversion, and the inverse error evaluation based on the Bayesian method. The 3D forward modeling utilizes the Helmholtz equation based on secondary electrical field, and combine the vector finite element to simulate the electromagnetic field accurately. The inversion is implemented in the data-space domain by nonlinear conjugate gradient method, with a priori information specified by constrains. The quantifying evaluation of the inverse error could be realized using Bayesian method with model simplified. The carryout of this project could provide important and reliable interpretation tools for the application of CSEM in complex geological settings, which ensures the consistence of geophysical integrated interpretation with the real geological background.

近年来，由于电磁法对高阻体的良好识别能力，使得其在油气勘探领域的理论研究及应用逐年增多。但是可控源电磁法数据解释主要停留在一维、二维和简单的三维反演阶段，且基于目标体是电各向同性的假设。然而勘探目标体地质构造往往比较复杂，普遍存在各向异性，而且可能比较强烈。在实际勘探中，各向同性假设可能导致反演解释误差较大，甚至是错误的，因此有必要开展各向异性介质的三维反演研究。本项目拟从以下几个方面开展研究：各项异性介质的三维正演、三维约束反演，以及基于贝叶斯框架的反演误差评价。三维正演利用基于二次电场的Helmholtz方程，并结合矢量有限元精确模拟电磁场来实现；采用加入先验信息的基于数据空间的非线性共轭梯度约束反演；通过简化模型的贝叶斯反演开展三维各向异性反演结果误差量化评价。该项目的实施将为复杂地质条件下可控源电磁法的应用研究提供重要而可靠的解释手段，确保地球物理综合解释结果更符合实际地质情况。

可控源电磁法使用人工发射源在导电大地中激发电流，具有抗干扰能力强、勘探深度较大、工作效率高等特点，已广泛应用于金属矿、油气、地热资源勘探等方面。一、二维反演技术将地下三维电性结构简化为低维结构进行计算，在复杂地质条件下难免会带来较大误差，甚至得到完全不可信的解释结果，给实际生产带来巨大经济损失。本项目主要研究高效的各向异性介质可控源三维正反演技术，推动可控源电磁法三维精细解释实用化。.项目组基于赫姆霍兹方程组与交错网格理论，在控制方程中通过引入张量形式的电导率，实现了各向异性可控源电磁法三维有限差分正演算法。开发了一种高效的四色分块单元高斯-赛德尔预处理方程组求解器，系统推导了各类人工发射源在层状介质中引起的电流分布与响应分布，为开发与验证高效三维正演算法提供了基础。建立了截断边界矢量有限元法理论，减少了矢量有限元法计算区域与所形成的待求解方程组规模，避免了矢量有限元法通过测点附近网格节点电场插值或差分计算测点电磁场带来的误差。项目组将所开发正演算法结合实际工程模型，论证了广域电磁法在深部资源探查工作的有效性，为野外工作布置与实测数据解释提供了依据。.在完成正演算法之后，使用高斯牛顿最优化方法实现了可控源电磁法三维反演算法。使用对数表达对地下单元电导率进行约束，避免了反演问题多解性导致反演结果错误。使用伴随方法计算灵敏度矩阵，使用Armijio线搜索获取模型更新步长，将多频率正演计算分配到多个内核同时进行，极大地提高了三维反演效率。使用跨维贝叶斯方法对观测数据相关误差影响进行评价，提供反演结果可靠性信息。项目组将所开发三维反演算法应用于城市孤石探测，结果证明三维反演算法将有效消除低维反演的伪解区域，能够更准确的刻画孤石的三维边界。.项目严格按照申请书计划执行，将所形成正反演算法结合工程实际，取得了一定的应用成果，推动了各向异性介质的可控源电磁法三维反演走向实用化。