大地电磁成像技术的创新研究与应用

一、作者与发表信息
本文由陈乐寿（中国地质大学，北京）、王光锣、陈久平、焦建五、战双庆、董大奎、蔡纲共同完成，发表于《地球物理学报》某卷某期（具体卷期因原文缺失未明确标注）。研究受国家自然科学基金资助，属于地球物理勘探领域，聚焦大地电磁测深（Magnetotelluric Sounding, MT）数据的二维反演成像技术。

二、学术背景与研究目标
大地电磁测深作为一种非侵入式地球物理方法，通过分析天然电磁场信号反演地下电性结构，广泛应用于矿产勘探、地壳结构研究等领域。然而，传统一维模型解释技术难以处理复杂二维/三维构造，且静态效应（Static Effect）会严重畸变数据。为此，作者提出一种基于广义脉冲谱技术（Generalized Pulse Spectrum Technique, GPST）的二维反演成像方法，旨在解决以下问题：
1. 提高反演计算效率；
2. 克服静态效应干扰；
3. 实现电阻率剖面的高精度成像。

三、研究方法与流程
1. 理论基础与算法设计
- 目标函数构建：以视电阻率拟合误差最小化为目标，定义包含模型参数向量（电阻率或电导率）的泛函，通过有限元法求解电磁场微分方程。
- 广义脉冲谱技术（GPST）：将工程技术中的偏微分方程反问题解法引入地球物理领域，通过格林函数法计算场值及其导函数，显著提升迭代效率。
- 双极化模式处理：分别针对TE（Transverse Electric）和TM（Transverse Magnetic）极化模式推导积分方程，其中TE极化采用椭圆边值问题，TM极化通过补充边界条件构建混合边值问题。

2. 关键技术实现
- 格林函数计算：直接求解格林函数的偏导数而非函数本身，减少差分误差，提升精度。
- 正则化广义逆解法：克服积分方程的不适定性，确保反演稳定性。
- 有限元网格剖分：典型模型采用20×20网格，测点间距1 km，频点覆盖0.01–100 Hz。

3. 工作流程
- 步骤1：初始模型设定（如均匀半空间或一维解释结果）；
- 步骤2：有限元正演计算场值及格林函数；
- 步骤3：离散化积分方程，通过正则化广义逆求解参数修正量；
- 步骤4：迭代更新模型（通常5–10次），直至拟合误差降至5%以下。

四、主要研究成果
1. 合成数据验证
- 模型1（高阻地堑）：迭代5次后拟合误差从30%降至5%，成像清晰反映地堑形态（图1）；
- 模型2（浅部低阻体）：静态效应在视电阻率拟断面中表现为贯穿性低阻带，而相位畸变仅限高频段，反演后异常体位置准确恢复（图2）；
- 模型3（高阻隆起+随机噪声）：加入10%噪声后仍收敛，深部构造成像稳定（图3）。

2. 华北地台实测数据应用
- 剖面特征：反演显示高阻体（电阻率>1000 Ω·m）楔入低阻层（<100 Ω·m），推断为印支期逆冲推覆构造（图4）；
- 拟合效果：视电阻率与相位拟断面与实测数据吻合，验证方法实用性（图5）。

3. 极化模式对比
- TE极化因灵敏度函数为场梯度乘积，分辨力优于TM极化，后者需进一步优化特征值剔除策略以提升收敛性。

五、结论与价值
1. 科学价值：首次将GPST与有限元法结合，理论严密且数值稳定，为大地电磁二维反演提供新范式；
2. 应用价值：在微机上实现快速成像（单剖面耗时约2小时），易于推广至矿产勘探、推覆构造识别等场景；
3. 方法创新：正演与导函数计算同步完成，计算效率较传统方法提升显著。

六、研究亮点
1. 算法创新：GPST在MT领域的移植拓展，解决了静态效应与计算效率的双重难题；
2. 工程化实现：通过格林函数偏导直接计算与正则化处理，兼顾精度与稳定性；
3. 多模型验证：从理论模型到复杂实测数据，系统性验证方法鲁棒性。

七、其他贡献
- 揭示了TE/TM极化模式的分辨力差异机制，为后续三维反演研究奠定基础；
- 开源代码设计（未明确提及但隐含可推广性）可能推动方法普及。

（注：因原文部分数据缺失，部分细节如具体卷期、图表编号等未完整呈现，但核心方法与结论已充分提炼。）