基于球坐標(biāo)系的衛(wèi)星磁異常數(shù)據(jù)處理與正反演方法研究

杜勁松

中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)地球物理與空間信息學(xué)院，湖北 武漢 430074

Study on Processing, Forward Modeling and Inversion Algorithms of Satellite Magnetic Anomaly Data in Spherical Coordinate System

DU Jinsong

Institute of Geophysics and Geomatics, China University of Geosciences, Wuhan 430074, China

巖石圈磁場(chǎng)主要反映巖石圈內(nèi)部的巖石磁性分布，攜帶著礦物成分、巖石結(jié)構(gòu)、溫度與壓力狀態(tài)、地質(zhì)構(gòu)造及其經(jīng)歷的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)與演化過程等地質(zhì)與地球動(dòng)力學(xué)信息。隨著地面、海洋、高空與航空磁測(cè)等的數(shù)據(jù)積累以及衛(wèi)星磁測(cè)技術(shù)的快速發(fā)展，人類已經(jīng)獲得海量的全球磁場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)，由此建立的巖石圈磁場(chǎng)模型的精度與分辨率也越來越高。然而，對(duì)于區(qū)域性乃至全球性尺度而言，磁力數(shù)據(jù)的觀測(cè)面是一個(gè)曲面而且?guī)r石圈磁性也呈近似的球殼或橢球殼形態(tài)分布，因此需要基于球坐標(biāo)系進(jìn)行磁測(cè)數(shù)據(jù)的表達(dá)、處理、正反演與解釋，其優(yōu)勢(shì)在于可以避免傳統(tǒng)的平面坐標(biāo)投影工作與引入新的誤差，而且可以更好地保持觀測(cè)場(chǎng)與場(chǎng)源之間的空間原位對(duì)應(yīng)關(guān)系。論文研究?jī)?nèi)容與主要成果如下：

(1) 為了減弱磁場(chǎng)疊加性與巖石傾斜磁化的影響，采用轉(zhuǎn)換處理方法(如梯度場(chǎng)、解析信號(hào)、模量與正則化磁源強(qiáng)度等)，提升磁異常與場(chǎng)源的水平對(duì)應(yīng)關(guān)系。作為球諧模型解算的基礎(chǔ)，推導(dǎo)出在極區(qū)無奇異性的磁位、磁場(chǎng)及其高階導(dǎo)數(shù)的球諧表達(dá)式，使得在高緯度與極區(qū)進(jìn)行巖石圈磁異常的轉(zhuǎn)換處理成為可能。

(2) 正演是反演與解釋推斷的基礎(chǔ)。論文給出了3種基于球坐標(biāo)系球面棱柱體磁位、磁場(chǎng)與磁力梯度場(chǎng)的空間域正演方法：泰勒級(jí)數(shù)展開、三重與二重高斯-勒讓德數(shù)值積分、傳統(tǒng)正演單元(如偶極源與直立棱柱體)逼近，對(duì)比分析了各種正演方法的計(jì)算精度、影響因素與計(jì)算效率，為開展球坐標(biāo)系下的磁異常三維正、反演奠定了基礎(chǔ)。

(3) 將重、磁勘探之中發(fā)展較為成熟的三維成像反演方法由傳統(tǒng)的直角坐標(biāo)系擴(kuò)展至適用性更強(qiáng)的球坐標(biāo)系，為開展大尺度的區(qū)域乃至全球巖石圈磁化率三維反演提供了可靠技術(shù)。針對(duì)中大尺度磁異常反演的特殊性，提出了基于巖石圈磁性底界面最大深度的自約束反演方法。論文構(gòu)建的反演方法適應(yīng)于不同的數(shù)據(jù)類型(如單分量、三分量、ΔT磁異常、磁異常模量等)及其之間的聯(lián)合反演、可以考慮陸地地形與海底深度的變化、可以利用不同的范數(shù)或測(cè)度函數(shù)對(duì)模型復(fù)雜度與數(shù)據(jù)擬合差進(jìn)行度量。

(4) 采用最新的巖石圈磁場(chǎng)模型，經(jīng)過必要的數(shù)據(jù)校正之后，反演得到中國(guó)及其鄰區(qū)巖石圈區(qū)域異常磁化率的三維結(jié)構(gòu)，較為系統(tǒng)地對(duì)其進(jìn)行了空間分布的統(tǒng)計(jì)分析與影響因素對(duì)比分析，主要表明：巖石圈區(qū)域磁性分布反映構(gòu)造單元整體性的、深部的磁性特征，與地表大地?zé)崃?、巖石圈上地幔橫波速度、巖石圈溫度呈現(xiàn)較顯著的反相關(guān)；與構(gòu)造單元的地質(zhì)年齡呈正相關(guān)關(guān)系，而且受最后一次(或最新)的熱構(gòu)造事件影響較大。

(5) 討論了巖石圈大尺度磁性分布蘊(yùn)含的區(qū)域大地構(gòu)造和巖石圈動(dòng)力學(xué)信息。高磁性單元對(duì)應(yīng)于古老的、穩(wěn)定的、力學(xué)強(qiáng)度高的古陸塊或古陸核，而低磁性單元反映了巖石圈的高溫與低強(qiáng)度特征，揭示了中國(guó)大陸由古陸塊、造山帶與重新活化區(qū)拼湊而成的大地構(gòu)造特征。反演的三維磁性分布顯示天然地震與火山主要發(fā)生于巖石圈區(qū)域低磁性區(qū)與磁性突變帶區(qū)(兩種分布特征可能預(yù)示著兩種不同機(jī)制)，也為大地構(gòu)造單元的幾何特征及其之間的空間接觸關(guān)系、以及貝加爾裂谷帶、華北克拉通破壞、印度與青藏高原的碰撞—俯沖—隆升—側(cè)向流動(dòng)等動(dòng)力學(xué)過程與機(jī)制提供了巖石圈區(qū)域磁性分布方面的新依據(jù)與新認(rèn)識(shí)。

E-mail： jinsongdu.cug@gmail.com

中圖分類號(hào)：P228

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：D

文章編號(hào)：1001-1595(2015)02-0236-01

基金項(xiàng)目：國(guó)家科技部國(guó)際科技合作項(xiàng)目專項(xiàng)基金(2010DFA24580)

收稿日期：2014-09-06

作者簡(jiǎn)介：杜勁松(1985—)，男，博士，2014年6月畢業(yè)于中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)，獲理學(xué)博士學(xué)位(指導(dǎo)教師：陳超教授)，研究方向?yàn)樾l(wèi)星磁測(cè)的數(shù)據(jù)處理、磁場(chǎng)建模及其地學(xué)應(yīng)用等方面。

Author： DU Jinsong (1985—)，male，PhD, received his doctoral degree from China University of Geosciences (Wuhan) on June 2014，majors in data processing, geomagnetic field modelling and its geoscientific applications from satellite magnetic measurements.

引文格式：DU Jinsong.Study on Processing, Forward Modeling and Inversion Algorithms of Satellite Magnetic Anomaly Data in Spherical Coordinate System[J].Acta Geodaetica et Cartographica Sinaca,2015,44(2):236.(杜勁松.基于球坐標(biāo)系的衛(wèi)星磁異常數(shù)據(jù)處理與正反演方法研究[J].測(cè)繪學(xué)報(bào)，2015,44(2)：236.) DOI:10.11947/j.AGCS.2015.20140471