《全球尺度大地电磁响应高精度模拟及海洋效应分析》学术报告

作者及机构
该研究由中南大学地球科学与信息物理学院任政勇（第一作者）、李仁杰、陈超健（通讯作者）等合作完成，慕尼黑大学地球与环境科学学院及澳门科技大学澳门空间技术与应用研究院参与协作。研究成果发表于《地球物理学报》（Chinese J. Geophys.）2025年第68卷第7期，DOI: 10.6038/cjg2024s0137。

学术背景
大地电磁法（Magnetotellurics, MT）是探测地球深部电性结构的重要方法，其通过天然时变电磁场反演地下电导率分布。随着Sinoprobe、USArray等国际深部探测计划的实施，跨洲际MT数据集激增，但传统解释方法忽略地球曲率及海洋-陆地电导率差异，导致高纬度及沿海区域数据可靠性不足。本研究旨在开发全球尺度MT三维正演方法，精确模拟电离层非平面波场源及海洋效应，为洲际数据解释提供理论基础。

研究流程与方法
1. 模型构建与数学物理框架
- 建立球坐标系下MT边值问题：推导包含电离层电流源项（公式5）的麦克斯韦方程组（公式1-2），采用四面体矢量有限元（Tetrahedral Vector Finite Element）离散全球模型，外边界扩展至5倍地球半径以避免场源干扰。
- 场源模型创新：提出两种电流源模型：
*阻抗计算源*：基于三组球谐系数（表1），生成不同极化的电流分布（图2-4）；
*倾子计算源*：借鉴Kruglyakov-Kuvshinov格林函数法（公式12-16），确保一维模型中倾子为零（图5）。

1. 并行算法开发

   • 采用MPI并行技术加速大规模线性方程组求解（公式27-30），开发辅助空间预处理器处理复数方程。
     
   • 网格剖分：利用STT软件构建包含洋陆边界的三维非结构化网格（图11），GMSH生成419,926节点、2,559,903四面体单元的离散模型。

2. 验证与模拟

   • 圈层模型验证：对比球坐标解析解（Kuvshinov-Semenov公式），视电阻率相对误差<2.8%，相位误差<0.76°（图7-9）。
     
   • 真实地球模型：表层电导率整合海水盐度与沉积物数据（图10a），壳幔采用一维电导率剖面（图10b）。计算周期10,000 s的倾子响应，与积分方程法结果一致（图12），验证算法正确性。
     

3. 海洋效应分析

   • 聚焦东南亚区域（10°N–60°N，75°E–150°E），对比1000 s与10,000 s周期下倾子（图14-15）及阻抗（图16-19）。
     
   • 定量分析：绘制倾子幅值>0.05及视电阻率差异>10%的影响区域（图20），揭示周期延长使海洋效应范围扩大一倍。
     

主要结果
1. 算法性能：96 MPI进程下全球模型求解耗时93秒（图13），支持高效大规模计算。
2. 海洋效应特征：
- 洋陆交界处倾子幅值超0.05，视电阻率增大（局部超100%），相位减小；
- 长周期（10,000 s）影响范围较1000 s扩大一倍，证实低频MT需校正海洋效应。
3. 场源模型验证：非平面波场源在一维模型中保持阻抗一致性（图8），倾子响应符合理论预期（图12）。

结论与价值
1. 科学价值：
- 首次实现四面体有限元法全球MT建模，突破传统六面体网格在极区的奇异性限制；
- 构建的非平面波场源模型为洲际MT数据解释提供新范式。
2. 应用价值：
- 揭示东南亚沿海区域海洋效应对视电阻率的显著扭曲（差异>100%），指导实际勘探数据校正；
- 算法支持复杂地形与局部加密网格（图11），为反演洲际电性结构奠定技术基础。

研究亮点
1. 方法创新：融合矢量有限元与MPI并行技术，实现高精度全球MT模拟；
2. 模型突破：提出两类电流源模型，分别解决阻抗与倾子计算的关键问题；
3. 发现意义：定量刻画海洋效应时空尺度依赖性（图20），填补长周期MT数据解释的理论空白。

其他贡献
研究获深地国家科技重大专项（2024ZD1002703）等资助，代码开源将推动地球电磁学社区发展。团队建议后续结合反演算法优化大陆沿海区域电导率模型，进一步提升深部资源勘探精度。