基于球坐标系的卫星磁异常数据处理与正反演方法研究

基于球坐标系的卫星磁异常数据处理与正反演方法研究

杜劲松

中国地质大学(武汉)地球物理与空间信息学院，湖北 武汉 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

岩石圈磁场主要反映岩石圈内部的岩石磁性分布，携带着矿物成分、岩石结构、温度与压力状态、地质构造及其经历的构造运动与演化过程等地质与地球动力学信息。随着地面、海洋、高空与航空磁测等的数据积累以及卫星磁测技术的快速发展，人类已经获得海量的全球磁场观测数据，由此建立的岩石圈磁场模型的精度与分辨率也越来越高。然而，对于区域性乃至全球性尺度而言，磁力数据的观测面是一个曲面而且岩石圈磁性也呈近似的球壳或椭球壳形态分布，因此需要基于球坐标系进行磁测数据的表达、处理、正反演与解释，其优势在于可以避免传统的平面坐标投影工作与引入新的误差，而且可以更好地保持观测场与场源之间的空间原位对应关系。论文研究内容与主要成果如下：

(1) 为了减弱磁场叠加性与岩石倾斜磁化的影响，采用转换处理方法(如梯度场、解析信号、模量与正则化磁源强度等)，提升磁异常与场源的水平对应关系。作为球谐模型解算的基础，推导出在极区无奇异性的磁位、磁场及其高阶导数的球谐表达式，使得在高纬度与极区进行岩石圈磁异常的转换处理成为可能。

(2) 正演是反演与解释推断的基础。论文给出了3种基于球坐标系球面棱柱体磁位、磁场与磁力梯度场的空间域正演方法：泰勒级数展开、三重与二重高斯-勒让德数值积分、传统正演单元(如偶极源与直立棱柱体)逼近，对比分析了各种正演方法的计算精度、影响因素与计算效率，为开展球坐标系下的磁异常三维正、反演奠定了基础。

(3) 将重、磁勘探之中发展较为成熟的三维成像反演方法由传统的直角坐标系扩展至适用性更强的球坐标系，为开展大尺度的区域乃至全球岩石圈磁化率三维反演提供了可靠技术。针对中大尺度磁异常反演的特殊性，提出了基于岩石圈磁性底界面最大深度的自约束反演方法。论文构建的反演方法适应于不同的数据类型(如单分量、三分量、ΔT磁异常、磁异常模量等)及其之间的联合反演、可以考虑陆地地形与海底深度的变化、可以利用不同的范数或测度函数对模型复杂度与数据拟合差进行度量。

(4) 采用最新的岩石圈磁场模型，经过必要的数据校正之后，反演得到中国及其邻区岩石圈区域异常磁化率的三维结构，较为系统地对其进行了空间分布的统计分析与影响因素对比分析，主要表明：岩石圈区域磁性分布反映构造单元整体性的、深部的磁性特征，与地表大地热流、岩石圈上地幔横波速度、岩石圈温度呈现较显著的反相关；与构造单元的地质年龄呈正相关关系，而且受最后一次(或最新)的热构造事件影响较大。

(5) 讨论了岩石圈大尺度磁性分布蕴含的区域大地构造和岩石圈动力学信息。高磁性单元对应于古老的、稳定的、力学强度高的古陆块或古陆核，而低磁性单元反映了岩石圈的高温与低强度特征，揭示了中国大陆由古陆块、造山带与重新活化区拼凑而成的大地构造特征。反演的三维磁性分布显示天然地震与火山主要发生于岩石圈区域低磁性区与磁性突变带区(两种分布特征可能预示着两种不同机制)，也为大地构造单元的几何特征及其之间的空间接触关系、以及贝加尔裂谷带、华北克拉通破坏、印度与青藏高原的碰撞—俯冲—隆升—侧向流动等动力学过程与机制提供了岩石圈区域磁性分布方面的新依据与新认识。

E-mail： jinsongdu.cug@gmail.com

中图分类号：P228

文献标识码：D

文章编号：1001-1595(2015)02-0236-01

基金项目：国家科技部国际科技合作项目专项基金(2010DFA24580)

收稿日期：2014-09-06

作者简介：杜劲松(1985—)，男，博士，2014年6月毕业于中国地质大学(武汉)，获理学博士学位(指导教师：陈超教授)，研究方向为卫星磁测的数据处理、磁场建模及其地学应用等方面。

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.(杜劲松.基于球坐标系的卫星磁异常数据处理与正反演方法研究[J].测绘学报，2015,44(2)：236.) DOI:10.11947/j.AGCS.2015.20140471