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大地电磁二维任意各向异性数值模拟：方法、应用与精度提升

一、引言

1.1研究背景与意义

地球物理勘探在探索地球内部结构、寻找地下资源以及研究地质构造等方面发挥着关键作用。大地电磁法（MagnetotelluricMethod,MT）作为地球物理勘探的重要手段之一，凭借其独特的优势在众多领域得到了广泛应用。该方法利用天然交变电磁场作为场源，通过测量地球表面的电场和磁场响应，来推断地下介质的电性结构。由于其无需人工供电，具有成本低、工作方便的特点，并且不受高阻层的屏蔽影响，对低阻层分辨率较高，勘探深度可随电磁场频率在几十米到数百公里范围内变化，在矿产资源勘探、地下水资源调查、地质灾害预测、地壳和上地幔地质构造研究等领域都有着重要应用。例如，在石油和天然气勘探中，大地电磁法能够为寻找潜在的储层提供重要线索；在地震预测和地质灾害防治方面，有助于了解地下地质结构，评估地质灾害风险。

在实际地球物理勘探中，地下介质的电性特征并非均匀且各向同性，而是常常表现出各向异性的特性，即电阻率在不同方向上存在差异。实验室观测和研究表明，片麻岩等多种岩石具有明显的电导率各向异性。在断层破碎带和裂隙发育带等特殊地质区域，呈脉状或条带状分布的岩体往往呈现出强烈的宏观电导率各向异性。这种电性各向异性会对大地电磁场的传播和响应产生显著影响。若在数值模拟和资料解释过程中忽略这一特性，可能导致对地下电性结构的错误判断，进而影响勘探结果的准确性和可靠性。例如，在某些地区的大地电磁实测数据中，出现测站上阻抗张量的次对角元素对应的视电阻率曲线平滑，但阻抗相位超出正常象限的现象，以及长周期实感应矢量统一指向某一特定方向的情况，这些现象难以用传统的各向同性电性模型来解释，而二维各向异性电性模型能够对此进行有效模拟。

二维任意各向异性数值模拟能够更准确地刻画地下电性结构的复杂特征，为大地电磁资料的解释提供更可靠的依据。通过精确模拟，能够更真实地反映地下介质的电磁响应，减少因模型简化而带来的误差，提高对地下地质构造和资源分布的认识精度。在复杂地质条件下，如山区、断裂带等区域，地下介质的电性各向异性更为显著，二维任意各向异性数值模拟对于准确解释大地电磁数据、识别潜在的地质异常体具有重要意义，有助于提高矿产资源勘探的成功率，为地下水资源开发、地质灾害防治等提供更有力的技术支持。因此，开展大地电磁二维任意各向异性数值模拟研究具有重要的理论和实际应用价值。

1.2国内外研究现状

大地电磁法自20世纪50年代由苏联学者Tikhonov和法国学者Cagniard提出后，在国内外得到了广泛的研究和应用。早期的研究主要集中在大地电磁法的基本理论和观测技术方面。随着计算机技术的飞速发展，大地电磁数值模拟逐渐成为研究的热点。

在国外，大地电磁二维任意各向异性数值模拟研究起步较早。Wannamaker详细论述了电性各向异性在地电模型和地球动力学解释中的重要作用，指出各向异性介质普遍存在于地球内部。随后，许多学者致力于发展高效的数值模拟算法。例如，有限元法（FEM）和有限差分法（FDM）被广泛应用于大地电磁二维各向异性数值模拟中。Siripunvaraporn和Egbert采用有限元法对二维各向异性介质中的大地电磁场进行了模拟，通过对模型的精细离散，有效提高了模拟的精度。有限差分法也在该领域取得了显著进展，通过对差分格式的优化和边界条件的处理，能够较好地模拟复杂地质结构下的大地电磁响应。

在国内，大地电磁法的研究和应用始于20世纪60年代，经过多年的发展，在理论研究和实际应用方面都取得了丰硕的成果。在二维任意各向异性数值模拟方面，众多学者开展了深入的研究。中国海洋大学的研究团队在各向异性介质大地电磁二维反演和三维自适应有限元正演方面取得了创新性成果，推导出了电阻率各向异性介质大地电磁二维反演灵敏度矩阵计算公式，实现了二维各向异性大地电磁反演，并应用于青藏高原实测大地电磁数据反演解释中。吉林大学的学者系统阐述了二维有限差分正演算法理论，针对一种特殊的主轴各向异性情况进行研究，得到电场与磁场解耦的方程组，并利用模式特性进行反演计算。

尽管国内外在大地电磁二维任意各向异性数值模拟方面取得了一定的进展，但仍存在一些不足之处。在复杂地质构造条件下，如断层、褶皱等，数值模拟的精度和计算效率有待进一步提高。由于地下介质的复杂性和不确定性，如何准确地获取模型参数，仍然是一个挑战。不同数值模拟方法在处理各向异性问题时，存在一定的局限性，需要进一步改进和完善。此外，对于大地电磁二维任意各向异性数值模拟结果的解释和验证，缺乏统一的标准和有效的方法，这也限制了该技术在实际应用中的推广和应用。

1.3研究内容与方法

1.3.1研究内容

建立二维任意各向异性地电模型：综合