數(shù)據(jù)類型對(duì)三維地面可控源電磁勘探效果的影響

翁愛華，李大俊，李亞彬，李斯睿，楊大方，楊悅，劉云鶴

吉林大學(xué)地球探測(cè)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，長(zhǎng)春 130026

1 引言

本文就地面標(biāo)量可控源電磁測(cè)深工作裝置中觀測(cè)參數(shù)及其組合對(duì)勘探效果的影響進(jìn)行討論.對(duì)可控源頻率電磁測(cè)深，目前常采用標(biāo)量觀測(cè)方案，在離發(fā)射源足夠遠(yuǎn)區(qū)，觀測(cè)與源平行的電場(chǎng)Ex分量，間隔測(cè)量正交的磁場(chǎng)Hy以便計(jì)算阻抗視電阻率和相位（Goldstein and Strangway，1975）.因?yàn)檫h(yuǎn)區(qū)觀測(cè)，可控源的電磁場(chǎng)近似平面電磁波，對(duì)應(yīng)的阻抗視電阻率可以采用天然大地電磁測(cè)深的思路反演（Zonge and Hughes，1988；湯井田和何繼善，2005；底青云和王若，2008）.何繼善針對(duì)可控源音頻大地電磁測(cè)深裝置的不足，提出了廣域電磁法觀測(cè)方式（何繼善，2010）.在該工作方案中，每次測(cè)量一種參數(shù)類型，如E－EZ裝置（表示接地導(dǎo)線發(fā)射，在工區(qū)只觀測(cè)垂直電場(chǎng)分量）.本文在上述思路的基礎(chǔ)上，討論如圖1所示的更為一般的電磁勘探可能工作裝置：布設(shè)有限長(zhǎng)導(dǎo)線作為發(fā)射源，在其周圍空間任意位置觀測(cè)電場(chǎng)或磁場(chǎng)的某個(gè)分量或其組合.其中，源可以相對(duì)測(cè)區(qū)任意布置，觀測(cè)可以在源周圍任意位置進(jìn)行，可以觀測(cè)電場(chǎng)（端點(diǎn)線）、磁場(chǎng)（粗實(shí)線）及其可能的組合.

由于可控源激發(fā)的電場(chǎng)和磁場(chǎng)是矢量，其各個(gè)分量組合方式有多種，如Ex，Ex＋Hy，Ex＋Ey，Ex＋Ey＋Hx＋Hy等等，并且可以由它們導(dǎo)出其他參數(shù)及其組合，如阻抗Zxy，Zyx，Zxy＋Zyx等.如何從這些可能的觀測(cè)參數(shù)組合中，在盡可能保證最佳勘探效果的前提下，確定出最小的觀測(cè)參數(shù)集合，是三維電磁勘探提高觀測(cè)效果，節(jié)約野外工作量等亟待解決的實(shí)際問題.

圖1 地面可控源可能的觀測(cè)布置，實(shí)框?yàn)闇y(cè)量區(qū)域Fig.1 Layout of a possible CSEM survey

實(shí)際上，某種地球物理勘探方法效果，涉及到如下可能的四個(gè)方面因素：（1）觀測(cè)系統(tǒng)，（2）數(shù)據(jù)處理和反演手段，（3）數(shù)據(jù)干擾和背景地質(zhì)干擾等地下地質(zhì)構(gòu)造和結(jié)構(gòu)，以及（4）勘探對(duì)象的性質(zhì)，如電導(dǎo)率差異、異常規(guī)模和形狀等.雖然本文提出的最小觀測(cè)參數(shù)集合的選擇只是上述因素中有關(guān)觀測(cè)系統(tǒng)方面的一個(gè)問題，但該問題的解決實(shí)際涉及的是上述所有因素，是一個(gè)系統(tǒng)問題.

全面討論并回答上述問題的一個(gè)較好思路是借助地震勘探中關(guān)于觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的理念（Vermeer，2008）.在那里，最佳觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)通常是通過模型數(shù)值模擬方法完成，即根據(jù)給定的模型，設(shè)計(jì)可能的工作裝置，對(duì)由實(shí)際地質(zhì)情況抽象得到的地質(zhì)地球物理模型進(jìn)行正確的數(shù)值模擬，確定出最佳的觀測(cè)方案.針對(duì)電法勘探，實(shí)際上Stummer等（2004）已經(jīng)提出利用試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，就盡可能獲得地下信息如何設(shè)計(jì)電阻率測(cè)量數(shù)據(jù)集方案進(jìn)行過探討.

本文基于上述思路，通過三維可控源電磁勘探數(shù)值模擬技術(shù)進(jìn)行最佳數(shù)據(jù)類型選擇的討論.涉及到的觀測(cè)參數(shù)主要針對(duì)當(dāng)前廣泛使用的標(biāo)量可控源音頻大地電磁測(cè)深方式進(jìn)行（何繼善，1990）.數(shù)值模擬的數(shù)據(jù)類型除常規(guī)的阻抗Zxy外，還包括導(dǎo)出該參數(shù)的電場(chǎng)Ex、磁場(chǎng)Hy及電場(chǎng)振幅｜Ex｜和很可能成為三維電磁勘探主要觀測(cè)參數(shù)組合的水平正交電場(chǎng)分量Ex和Ey.為了便于對(duì)比，在本次研究中，除數(shù)據(jù)類型外，其他計(jì)算參數(shù)都一樣，并且保持固定.數(shù)值模擬的手段主要包括：理論模型的電磁響應(yīng)計(jì)算采用考慮場(chǎng)源輻射影響的三維電磁模擬技術(shù)，借助三維交錯(cuò)網(wǎng)格有限差分方法實(shí)現(xiàn)數(shù)值計(jì)算（Alumbaugh et al.，1996；Commer and Newman，2004，2008）；反演采用有限內(nèi)存擬牛頓方法（L－BFGS）（Nocedal and Wright，1990；Newman and Boggs，2004；Avdeev and Avddeva，2009；劉云鶴和殷長(zhǎng)春，2013）.三維電阻率模型為嵌入8個(gè)異常體的均勻半空間.采用單個(gè)源激發(fā)，計(jì)算了模型地面投影區(qū)的電場(chǎng)、磁場(chǎng)，進(jìn)而求出對(duì)應(yīng)的阻抗，然后對(duì)這些數(shù)據(jù)分別進(jìn)行反演，對(duì)比不同數(shù)據(jù)的反演效果.反演從均勻半空間背景模型開始，迭代120次.數(shù)據(jù)觀測(cè)誤差采用一個(gè)常數(shù)，其值為觀測(cè)數(shù)據(jù)最大絕對(duì)值的5%.因此，反演結(jié)束時(shí)，其擬合誤差遠(yuǎn)大于1.由于本文工作不強(qiáng)調(diào)反演方法的本身效果，只是橫向比較不同參數(shù)類型數(shù)據(jù)的反演效果，故在討論中，只選擇頻率為10Hz的單個(gè)頻率對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行討論.

2 正演理論

2.1 基本公式

基于電場(chǎng)的頻率域可控源三維電磁場(chǎng)計(jì)算，可從二次異常電場(chǎng)es滿足的Helmholtz方程

出發(fā)，采用交錯(cuò)網(wǎng)格有限差分方法開展數(shù)值模擬（沈金松，2003；翁愛華等，2012），并基于 Egbert和Kelbert（2012）研制的三維電磁數(shù)值模擬平臺(tái)實(shí)現(xiàn)數(shù)值計(jì)算.（1）式中kp為背景場(chǎng)復(fù)傳播波數(shù)，k為任意介質(zhì)中復(fù)傳播波數(shù).ep為背景模型的格林函數(shù).對(duì)于電偶極子源，背景場(chǎng)計(jì)算可以采用Wannamaker等（1984）給出的具體計(jì)算公式；對(duì)于有限長(zhǎng)導(dǎo)線在層狀模型中產(chǎn)生的格林函數(shù)，本文采用去奇點(diǎn)的虛界面方法得到其理論表達(dá)式（Goldman，1990；Das，1995；翁愛華等，2013；Weng et al.，2014），其中Hankel積分的數(shù)值計(jì)算采用直接數(shù)值積分方法（Chave，1983；翁愛華和王雪秋，2003）.

一旦計(jì)算得到剖分單元邊界上中心點(diǎn)的異常二次電場(chǎng)，則對(duì)應(yīng)總電場(chǎng)為

而剖分單元面中心處磁場(chǎng)由包圍面元的邊界中心總電場(chǎng)根據(jù)公式

直接差分得到，并用差分算子Db形式表示為

如此，地面任意點(diǎn)處觀測(cè)到的電場(chǎng)E和磁場(chǎng)H可以從總電場(chǎng)插值得到，即

其中，Le和Lh分別為電場(chǎng)和磁場(chǎng)的空間插值算子（Egbert and Kelbert，2012）.

2.2 數(shù)值精度檢驗(yàn)

三維模擬的精度驗(yàn)證采用圖2中的模型（鄧居智等，2011）.一個(gè)電阻率為10Ωm的三維低阻六面體異常位于100Ωm的均勻半空間中，異常體大小為200m×200m×100m，頂面埋深100m.取異常體中心在地表的投影點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn).以（0，－300，0）為中心布設(shè)100m長(zhǎng)的水平接地導(dǎo)線源，沿x方向極化.

圖2 均勻半空間中低阻棱柱體三維異常模型及異常電磁場(chǎng)Ea，x，Ha，y沿剖面變化情況（a）模型沿y方向正視圖；（b）沿z方向模型俯視圖；（c），（d）異常電場(chǎng)Ex 的實(shí)部虛部；（e），（f）異常磁場(chǎng) Hy 的實(shí)部和虛部.Fig.2 Layered model to validate 3DCSFEM code.xozand xoypalnes of model is shown in（a）and（b）；（c）—（f）are the secondary fields of Exand Hyalong profile through 3Dbody in xdirection

計(jì)算區(qū)域采用不均勻網(wǎng)格剖分，網(wǎng)格個(gè)數(shù)為46×46×33（含10層空氣層），異常體范圍內(nèi)三個(gè)方向網(wǎng)格大小均為20m.圖2c到圖2f給出了積分方程技術(shù)結(jié)果（IE）（鄧居智等，2011）和三維交錯(cuò)網(wǎng)格有限差分模擬（FD）得到的異常電場(chǎng)和磁場(chǎng)沿剖面變化情況.從圖可見，本文反演中采用的交錯(cuò)網(wǎng)格有限差分方法計(jì)算的結(jié)果和積分方程計(jì)算得到的異常電場(chǎng)和磁場(chǎng)的基本一致.兩種方法計(jì)算差異主要出現(xiàn)在異常體上方，就實(shí)部而言，相對(duì)誤差小于5%左右；異常場(chǎng)虛部存在最大約20%的相對(duì)差異.

3 擬牛頓反演技術(shù)

待反演的地面可控源電磁探測(cè)數(shù)據(jù)可以是磁場(chǎng)、電場(chǎng)、或者兩者的組合，或運(yùn)算得到的導(dǎo)出參數(shù)，如阻抗，視電阻率或者對(duì)應(yīng)的振幅、相位等.記這些數(shù)據(jù)為矢量d.定義F（m）為將模型矢量m映射成數(shù)據(jù)矢量的正演算子，則三維電磁數(shù)據(jù)反演通過求解目標(biāo)函數(shù)

（7）式優(yōu)化問題Egbert和 Kelbert（2012）從數(shù)值計(jì)算角度做了系統(tǒng)分析.通常采用基于梯度類的直接反演方法，比較成功的方法有高斯－牛頓方法（Mackie and Madden，1993；林昌洪等，2012），非線性共軛梯度算法（Newman and Alumbaugh，1997，2000；Newman et al.，2010；翁愛華等，2012）和有限內(nèi)存擬牛頓方法（L－BFGS）（劉云鶴和殷長(zhǎng)春，2013）.本文利用非線性共軛梯度算法中梯度算子計(jì)算原理，將其移植到有限內(nèi)存擬牛頓反演方法中，實(shí)現(xiàn)有限內(nèi)存擬牛頓方法的可控源電磁勘探數(shù)據(jù)反演.具體算法步驟如下：

給定初始模型m0、初始對(duì)稱正定矩陣H0；

循環(huán)

計(jì)算梯度ri＝－Δφ（mi，d），當(dāng)ri滿足迭代終止準(zhǔn)則，輸出最終解mi；

近似計(jì)算Hessian矩陣Hi；

獲得修正梯度方向ui＝Hiri，在此方向搜索最佳步長(zhǎng)αi；

如果步長(zhǎng)αi小于閾值，減小正則化因子λ；

如果λ小于閥值，輸出最終解mi，反演終止；

更新模型：mi＋1＝mi＋αiui.

在上述有限內(nèi)存擬牛頓反演方法中，Hessian矩陣Hi的近似計(jì)算將利用前面已經(jīng)完成的m次迭代結(jié)果，從而提高計(jì)算精度和效率.m的取值為3～20即可滿足精度要求（Nocedal and Wright，1999）.迭代過程中，梯度矢量通過數(shù)據(jù)靈敏度矩陣表達(dá)，從而實(shí)現(xiàn)不同數(shù)據(jù)對(duì)模型參數(shù)修正量的控制（翁愛華等，2012）；正則化因子的確定采用最佳步長(zhǎng)控制的自適應(yīng)方法實(shí)現(xiàn)（Egbert and Kelbert，2012）；模型修正量最佳步長(zhǎng)采用逆向追蹤法進(jìn)行計(jì)算（劉云鶴，2013）.

4 結(jié)果分析和討論

理論模型及裝置參數(shù)如圖3所示.背景模型為均勻半空間，電阻率為100Ωm.于其中交錯(cuò)放置8個(gè)異常體，4個(gè)電阻率為500Ωm高阻體（紅色）和4個(gè)電阻率為10Ωm低阻體（藍(lán)色）.發(fā)射源長(zhǎng)度1000m，工作頻率f＝10Hz.測(cè)區(qū)（淺綠色區(qū)域）由10條測(cè)線組成，測(cè)線距離100m，長(zhǎng)度950m，測(cè)點(diǎn)距離50m，共有200個(gè)測(cè)點(diǎn)參與反演計(jì)算.觀測(cè)參數(shù)分別為Ex，Ey和Hy.

在測(cè)區(qū)范圍內(nèi)，三維模型剖分成20×20×15個(gè)網(wǎng)格單元，平面內(nèi)單元大小均為50m×50m.在深度方向，剖分單元網(wǎng)格厚度均為50m.數(shù)值模擬時(shí)，對(duì)模型鑲邊5個(gè)網(wǎng)格，因此模型網(wǎng)格總數(shù)為18000個(gè).反演從100Ωm均勻半空間開始，反演的正則化參數(shù)初始值為1，迭代進(jìn)行120次.理論數(shù)據(jù)的誤差取其數(shù)據(jù)最大值的5%.因此，反演終止時(shí)rms不等于1.為了比較不同數(shù)據(jù)類型的反演效果，分別繪制了包含過局部異常體中心的反演電阻率的三個(gè)水平切片，對(duì)應(yīng)深度分別為25m，75m和375m.

4.1 Ex 復(fù)分量

可控源電磁勘探中，觀測(cè)電磁場(chǎng)包含振幅和相位信息，對(duì)應(yīng)于場(chǎng)的實(shí)部和虛部，并且虛部往往和感應(yīng)效應(yīng)密切相關(guān)，能反映介質(zhì)的導(dǎo)電特性（Kaufman and Keller，1983）.因此，對(duì)Ex分量在反演中同時(shí)考慮實(shí)部和虛部數(shù)據(jù)，考察電場(chǎng)感應(yīng)效應(yīng)的電磁勘探效果，結(jié)果如圖4所示.從圖4a和圖4b可見，淺部異常體，無論高阻還是低阻，反演結(jié)果都較為清晰地刻畫出異常的形態(tài)，反演得到的電阻率值也較為接近模型真值.圖4c的深部電阻率異常中心位置和形態(tài)也基本反映理論模型；高阻體只是反演出大致輪廓，電阻率數(shù)值最大約150Ωm，離真值較遠(yuǎn)；但對(duì)于低阻異常，形態(tài)較為完整清晰.從圖4的異常分布還可以看出，反演得到的電阻率異常在x方向邊界較為清晰；而在y方向，在異常體邊緣存在次異常，分析認(rèn)為這可能因?yàn)榉囱葜徊捎昧薊x分量，而缺少y方向的測(cè)量信息.圖4d給出了迭代過程中擬合差變化，可以看到，隨著迭代進(jìn)行，擬合差持續(xù)減小，反演過程穩(wěn)定收斂.

圖3 三維反演模型及工作裝置示意圖Fig.3 CSFEM survey on a 3Dmodel involving eight abnormals

圖4 基于復(fù)電場(chǎng)數(shù)據(jù)的三維反演結(jié)果：（a）深度25m切片；（b）深度75m切片；（c）深度375m切片；（d）擬合誤差變化曲線Fig.4 3Dmodel inversed from complex Excomponent.Horizontal slices are cut through depth z＝25m （a），75m （b），and 375m （c）；while（d）is the rms curve

4.2 Ex 振幅

可控源觀測(cè)到的電磁場(chǎng)的虛部相對(duì)實(shí)部往往較小，特別是在高阻地區(qū)，由于感應(yīng)效應(yīng)較弱，虛部相對(duì)實(shí)部可能小很多.當(dāng)受到噪音干擾，相位觀測(cè)誤差更大，甚至無法使用.此時(shí)，電場(chǎng)的振幅信息可靠性較大.針對(duì)這種實(shí)際可能性，基于電場(chǎng)Ex振幅進(jìn)行反演，考察其勘探效果，結(jié)果如圖5所示.

從圖5可見，反演確定了淺部的異常分布規(guī)律；但深部異常體只恢復(fù)出基本輪廓，且無論高阻還是低阻異常體，反演電阻率均與真值相差甚遠(yuǎn).同時(shí)，從圖5a和圖5b可見，除了實(shí)際的異常外，在異常體邊緣還出現(xiàn)更加明顯假異常，其形態(tài)復(fù)雜，且和主異常有較大伴生關(guān)系；高阻異常產(chǎn)生局部低阻假異常，低阻主異常伴生局部高阻次異常.比較圖4可以看到，由于缺少了相位信息，這種局部的次級(jí)異常更加明顯和復(fù)雜，并且同圖4一樣，這種次級(jí)異常主要發(fā)生在y方向，在x方向相對(duì)微弱.一種可能的解釋是，只測(cè)量Ex分量時(shí)，缺少y方向數(shù)據(jù)信息，導(dǎo)致在y方向信息不足，反演不惟一.總體來說，只觀測(cè)振幅，淺部效果不好，深部異常沒有反映.由于振幅數(shù)據(jù)淹沒感應(yīng)信息，反演效果沒有包含相位信息的復(fù)場(chǎng)量好.因此，野外工作中應(yīng)該盡可能精確地獲得電場(chǎng)和磁場(chǎng)的相位和振幅.

4.3 正交電場(chǎng)Ex＋Ey

在圖4和圖5的反演結(jié)果中，y方向都存在次級(jí)假異常，推測(cè)是由于缺少該方向信息.因此，如果增加觀測(cè)Ey分量，可能能壓制y方向假異常.圖6展示了在測(cè)區(qū)所有測(cè)點(diǎn)上同時(shí)記錄Ex和Ey分量反演得到的結(jié)果，盡管目前可控源觀測(cè)中尚沒有同時(shí)大規(guī)模觀測(cè)正交的電場(chǎng)Ex和Ey分量.

圖5 基于電場(chǎng)振幅數(shù)據(jù)的三維反演結(jié)果：（a）深度25m切片；（b）深度75m切片；（c）深度375m切片；（d）擬合誤差變化曲線Fig.5 3Dmodel inversed fromExamplitude.Horizontal slices（a），（b），and（c）are at depth 25m，75m，and 375mrespectively，while（d）is the rms curve

圖6 基于正交電場(chǎng)數(shù)據(jù)的三維反演結(jié)果：（a）深度25m切片；（b）深度75m切片；（c）深度375m切片；（d）擬合誤差變化曲線Fig.6 3Dmodel inversed from the combination of complex Exand Ey.Resistivity slices shown are at depth 25m （a），75m （b）and 375m （c）；while rms curve displayed in（d）

從圖可見，正如所料，在淺部，反演得到的異常體在形態(tài)和數(shù)值上都與理論模型吻合；并且無論是x方向還是y方向，相對(duì)圖4和圖5，異常體邊界附近的次級(jí)異常都得到有效的壓制.在深部，由于增加了Ey信息，異常體的形態(tài)更加完整，電阻率值更加接近理論值.在這個(gè)意義上，野外若同時(shí)觀測(cè)水平電場(chǎng)的正交分量，對(duì)提高可控源電磁勘探效果和探測(cè)能力，比只觀測(cè)Ex分量將有較大的提高.圖6d的擬合差曲線表明反演過程穩(wěn)定收斂，迭代120次后，rms仍然呈下降趨勢(shì).基于此，繼續(xù)迭代，反演結(jié)果還能得到進(jìn)一步改善.

4.4 電場(chǎng)Ex和磁場(chǎng)Hy

在標(biāo)量可控源野外觀測(cè)過程中，一般連續(xù)較密測(cè)量電場(chǎng)Ex分量，間隔測(cè)量正交的水平磁場(chǎng)Hy，以便計(jì)算阻抗或阻抗視電阻率.但在這里每個(gè)測(cè)點(diǎn)上同時(shí)觀測(cè)Ex和Hy并直接作為觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行反演，其120次迭代的反演結(jié)果如圖7所示.由圖可見，反演的表層異常與理論模型一致；在深部，低阻異常體有較明顯反映，但高阻異常體反映微弱.對(duì)比前面三種數(shù)據(jù)類型的反演結(jié)果，該數(shù)據(jù)類型的反演效果基本與單獨(dú)觀測(cè)Ex分量相當(dāng)，比同時(shí)觀測(cè)Ex＋Ey的效果差.

從（4）式可見，Hy實(shí)際是由Ex＋Ez插值得到，而Ez在地表附近很小，故Hy實(shí)際主要由Ex貢獻(xiàn).因此，在一定程度上，可以說Hy是和Ex相關(guān)的，故增加Hy形成的數(shù)據(jù)組合所提供的感應(yīng)信息并不比Ex有實(shí)質(zhì)性增加.同時(shí)，磁場(chǎng)對(duì)電阻率變化沒有電場(chǎng)靈敏，故在反演數(shù)據(jù)中增加磁場(chǎng)信息，會(huì)弱化電場(chǎng)對(duì)異常的靈敏度，導(dǎo)致深部高阻異常分辨率相對(duì)只有電場(chǎng)數(shù)據(jù)的反演結(jié)果差.縱觀已有的結(jié)果，Ex＋Hy數(shù)據(jù)比Ex＋Ey效果差，比Ex的效果淺部好，深部差.圖7d的擬合差變化曲線顯示該數(shù)據(jù)類型的反演能穩(wěn)定收斂，在120次迭代后仍存在近似線性的收斂速度.

圖7 基于電場(chǎng)和磁場(chǎng)數(shù)據(jù)的三維反演結(jié)果：（a）深度25m切片；（b）深度75m切片；（c）深度375m切片；（d）擬合誤差變化曲線Fig.7 3Dmodel inversed from the combination of complex Exand Hy.Horizontal slices are cut at depth z＝25m （a），75m （b），and 375m （c），while（d）is the rms curve

4.5 阻抗Zxy

數(shù)據(jù)類型為阻抗Zxy的數(shù)據(jù)由圖7的電場(chǎng)Ex和磁場(chǎng)Hy計(jì)算得到，因此該數(shù)據(jù)也是觀測(cè)位置的函數(shù).圖8給出了基于復(fù)阻抗元素Zxy的反演結(jié)果.從圖8a和圖8b可見，淺部高阻和低阻異常形態(tài)和邊界都較為清楚；并且在異常邊界上，假異常明顯消失.在深部，反演得到的高阻異常體和低阻異常體形態(tài)也較為完整，較為準(zhǔn)確刻畫出理論模型的異常分布.比較前面的各種數(shù)據(jù)類型，很明顯，阻抗數(shù)據(jù)反演效果最好.從圖8d中反演迭代的rms減小趨勢(shì)看，目標(biāo)函數(shù)仍然保持較大的衰減速度，因此隨著進(jìn)一步的迭代，擬合的效果會(huì)更好.

在理論上，阻抗數(shù)據(jù)是由電場(chǎng)和磁場(chǎng)導(dǎo)出的新數(shù)據(jù)類型，其本身并不能比同時(shí)觀測(cè)電場(chǎng)Ex和磁場(chǎng)Hy提供更多的信息，但反演的結(jié)果卻具有明顯的優(yōu)勢(shì).分析認(rèn)為，可能有如下幾個(gè)方面的原因：（1）在反演理論中，數(shù)據(jù)歸一化的作用是讓所有的數(shù)據(jù)在反演中具有同樣的重要性，而阻抗實(shí)際是用磁場(chǎng)歸一化的電場(chǎng)數(shù)據(jù)，因此，更能突出電場(chǎng)的感應(yīng)效應(yīng)；（2）從電磁理論本身看，電磁場(chǎng)本身的虛部對(duì)感應(yīng)敏感，但數(shù)值比實(shí)部小很多.因此，在利用實(shí)部和虛部同時(shí)反演時(shí)，Ex虛部的優(yōu)勢(shì)并不明顯；但阻抗的虛部和實(shí)部相差不大，從而感應(yīng)效應(yīng)在反演中的作用會(huì)得到加強(qiáng)；（3）從數(shù)據(jù)本身大小看，阻抗比電場(chǎng)和磁場(chǎng)高4～5個(gè)甚至更大的數(shù)量級(jí)，因此，阻抗數(shù)據(jù)的抗干擾能力比幅度小很多的電磁場(chǎng)強(qiáng)，其受誤差的影響相對(duì)小，反演效果相應(yīng)提高.

圖8 基于阻抗Zxy數(shù)據(jù)的三維反演結(jié)果：（a）深度25m切片；（b）深度75m切片；（c）深度375m切片；（d）擬合誤差變化曲線Fig.8 Horizontal resistivity slices at different depth in the model inversed fromZxycomponent.（a）z＝25m；（b）z＝75m；（c）z＝375m；（d）rms curve

5 結(jié)論

論文針對(duì)可控源電磁測(cè)深勘探方法，以目前廣泛應(yīng)用的標(biāo)量可控源音頻大地電磁測(cè)深為對(duì)象，通過理論模型數(shù)值模擬，研究不同數(shù)據(jù)類型的勘探效果.在數(shù)值模擬過程中，可控源產(chǎn)生的頻率域電磁場(chǎng)利用三維交錯(cuò)網(wǎng)格有限差分技術(shù)進(jìn)行計(jì)算，反演借助有限內(nèi)存擬牛頓方法實(shí)現(xiàn).研究的可控源電磁觀測(cè)數(shù)據(jù)類型包括復(fù)電場(chǎng)Ex及其振幅｜Ex｜、Ex＋Ey、Ex＋Hy以及由其導(dǎo)出的阻抗分量Zxy.

通過對(duì)迭代120次得到的反演結(jié)果分析，得到如下的結(jié)論：

（1）相位信息在反演中非常重要，因?yàn)橄辔恍畔⒅苯雍碗姶鸥袘?yīng)效應(yīng)相關(guān)，增加相位信息，將較大提高可控源的探測(cè)效果；

（2）相對(duì)觀測(cè)單分量電場(chǎng)，觀測(cè)正交的電場(chǎng)，其反演分辨率和對(duì)假異常的克服能力有較明顯提升；

（3）觀測(cè)電場(chǎng)和磁場(chǎng)，并直接基于它們進(jìn)行反演，勘探效果與對(duì)應(yīng)單分量電場(chǎng)基本一樣，僅僅增加正交的磁場(chǎng)數(shù)據(jù)并不能提高勘探效果；

（4）利用觀測(cè)數(shù)據(jù)導(dǎo)出的阻抗進(jìn)行反演，反演的效果最好，從而其勘探效果最佳.

總之，目前標(biāo)量可控源音頻電磁測(cè)深中，不同數(shù)據(jù)類型的勘探效果按照如下的順序逐漸變差：Zxy，Ex＋Ey，Ex＋Hy，Ex，｜Ex｜.因此，對(duì)于可控源觀測(cè)，在野外觀測(cè)方案中，最好同時(shí)觀測(cè)正交的水平電場(chǎng)和磁場(chǎng)，而在數(shù)據(jù)的反演解釋時(shí)，采用由其導(dǎo)出的阻抗數(shù)據(jù)進(jìn)行反演.

正如引言中指出的，地面電磁可以觀測(cè)的分量及其組合有幾十種之多，而本文只是針對(duì)其中少數(shù)幾種參數(shù)進(jìn)行討論.希望本文的工作對(duì)類似問題的研究能起到拋磚引玉之作用.致謝 感謝審稿人提出的建設(shè)性建議和啟示，對(duì)于論文的完善受益匪淺.

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