李付龍 湯子堅(jiān) 廖偉

（四川中水成勘院工程物探檢測有限公司，四川成都 610072）

1 概述

大地電磁測深法（MT）作為一種以天然電磁場為場源的地球物理勘探方法，其具有勘探深度大、采集數(shù)據(jù)快捷方便、對地下低阻異常體較為敏感等優(yōu)點(diǎn)，基于以上優(yōu)勢其在地球深部構(gòu)造的研究、地?zé)豳Y源的勘探、油氣礦產(chǎn)資源的勘察等方面發(fā)揮著愈加重要的作用[1]。然而在實(shí)際的工作中，由于野外勘探條件往往十分復(fù)雜，數(shù)據(jù)的質(zhì)量會受到諸如地形條件、靜態(tài)效應(yīng)、人為擾動(dòng)等多方面的影響，特別是地形效應(yīng)對數(shù)據(jù)質(zhì)量的影響較大。如何減小甚至消除起伏地形對MT 原始數(shù)據(jù)在采集以及后續(xù)的正反演處理過程中對實(shí)際結(jié)果產(chǎn)生的影響，一直是大地電磁測深法研究的熱點(diǎn)。伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，通過采用數(shù)值模擬的方法來研究起伏地形對大地電磁數(shù)據(jù)質(zhì)量產(chǎn)生的影響已成為重要的研究手段，從而使得復(fù)雜的三維起伏地形問題變簡單[2]。在眾多用于數(shù)值模擬的商業(yè)軟件中，COMSOL 軟件作為一款功能強(qiáng)大的多物理場仿真軟件，其廣泛被用于電磁、結(jié)構(gòu)、聲學(xué)、流體流動(dòng)、傳熱和化工等多個(gè)領(lǐng)域的專業(yè)分析工具[3]。因此，通過借助COMSOL 這款強(qiáng)大的數(shù)值仿真軟件來建立三維山峰、山谷模型進(jìn)行三維正演計(jì)算，并對兩種模型的正演響應(yīng)特征進(jìn)行分析，從而達(dá)到為實(shí)際的勘探工作提供更加可靠理論支撐的目的。

2 基于COMSOL 軟件的大地電磁三維正演

COMSOL 軟件可以根據(jù)研究需要快速構(gòu)建各種復(fù)雜模型，并且利用其自帶的多種處理器快速的對模型進(jìn)行計(jì)算，相較于其他常用的模擬軟件大幅度提高了運(yùn)算效率，并且可以在同一個(gè)模型計(jì)算多種物理效應(yīng)。因此，借助COMSOL 軟件強(qiáng)大的物理仿真功能，其在頻率域激發(fā)極化法、可控源電磁法、直流電法、井地電阻率法、礦井直流電法、井地直流電法數(shù)值模擬等方面得到廣泛的應(yīng)用，使得地球物理數(shù)值模擬研究變的更加高效與快捷[4]。在利用COMSOL 軟件進(jìn)行大地電磁三維正演模擬過程中，通過前期選定應(yīng)用模式、構(gòu)建三維地電模型及電性參數(shù)的設(shè)置，求解過程中邊界條件的加載和網(wǎng)格剖分，后處理是將正演數(shù)據(jù)導(dǎo)出成圖分析，通過上述步驟從而使利用COMSOL 軟件進(jìn)行三維大電磁正演模擬研究變得具有可行性[5]。圖1 給出了COMSOL 軟件進(jìn)行大地電磁測深法三維正演模擬流程。

圖1 COMSOL 軟件進(jìn)行大地電磁測深法三維正演模擬流程

3 帶地形模型

在進(jìn)行大地電磁測深法的野外生產(chǎn)中，地形往往會對現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)質(zhì)量產(chǎn)生很大的干擾，也會對后續(xù)的反演解釋工作產(chǎn)生影響，造成對地下異常體存在的真實(shí)性產(chǎn)生誤判。為了研究起伏地形對大地電磁數(shù)據(jù)質(zhì)量產(chǎn)生的影響，在COMSOL 軟件利用其強(qiáng)大的網(wǎng)格工具構(gòu)建山峰地形和山谷地形的三維模型，并在頻率2Hz 下對兩種模型在XY 和YX 兩種模式進(jìn)行視電阻率和阻抗相位的計(jì)算，并在Surfer 軟件中繪制等值線圖并分析。

3.1 山峰地形

如圖2 所示，分別是三維山峰模型在XOZ 和YOZ 方向的平面示意圖，山峰的頂部邊長為450m，底部邊長為2km，高度為450m，模型的背景電阻率為100Ω·m。

圖2 三維山峰模型XOZ 和YOZ 平面圖

XY 和YX 兩種模式的視電阻率和阻抗相位等值線圖如圖3～圖4 所示。

分析圖3 和圖4 可知，山峰底部X 向和Y 向的視電阻率值比背景視電阻率值大，隨著向山峰頂部靠近，視電阻率值會低于背景視電阻率值，在兩種模式的視電阻率最小值處可以將山峰頂部在X 向和Y 向的范圍框定出來。阻抗相位值則是在山峰底部低于背景場阻抗相位值，隨著靠近山峰頂部，阻抗相位逐漸增大，在兩種模式的阻抗相位最大值處可以將山峰頂部在X向和Y 向的范圍框定出來，兩種模式的視電阻率和阻抗相位在形態(tài)上相差90 度。

圖3 XY 模式的視電阻率和阻抗相位水平向等值線圖

圖4 YX 模式的視電阻率和阻抗相位水平向等值線圖

3.2 山谷地形

如圖5 所示，分別是三維山谷模型在XOZ 和YOZ 的平面示意圖，山谷的谷底邊長為450m，峰口邊長為2km，高度為450m，模型的背景電阻率為100Ω·m。

圖5 三維山谷模型XOZ 和YOZ 平面圖

在XY 和YX 兩種模式的視電阻率和阻抗相位等值線圖如圖6～圖7 所示。

圖6 XY 模式的視電阻率和阻抗相位水平向等值線圖

圖7 YX 模式的視電阻率和阻抗相位水平向等值線圖

分析圖6 和圖7 可知，在山谷底部X 向和Y 向的視電阻率值明顯比背景視電阻率值大，隨著從谷底向谷口靠近，視電阻率值會逐漸高于背景視電阻率值，在兩種模式的視電阻率最大值處可以將山峰頂部在X 向和Y 向的范圍框定出來。阻抗相位值在山谷谷口高于背景場阻抗相位值，隨著靠近山谷底部，阻抗相位值減小，兩種模式的阻抗相位最小值處將山谷底部在X 向和Y向的范圍框定出來，兩種模式的視電阻率和阻抗相位在形態(tài)上相差90 度。

4 結(jié)論

4.1 闡述了COMSOL 軟件在地球物理數(shù)值模擬種發(fā)揮的重要作用，并對COMSOL 軟件進(jìn)行三維起伏地形正演模擬的流程進(jìn)行了介紹。

4.2 利用COMSOL 軟件構(gòu)建了三維山峰模型和山谷模型，并對兩種模型在XY 和YX 兩種模式下進(jìn)行三維正演計(jì)算，結(jié)果表明兩種模型在兩種模式下的視電阻率值、阻抗相位值以及形態(tài)特征均是相反的。

4.3 借助COMSOL 軟件建立三維起伏地形中的山峰、山谷模型進(jìn)行三維正演計(jì)算，研究了山峰與山谷模型的正演響應(yīng)特征，從而為實(shí)際的勘探工作提供更加可靠理論支撐。