基于球坐标系的卫星磁异常数据处理与正反演方法研究

【摘要】岩石圈磁场主要反映岩石圈之内岩石的磁化强度(磁化率或磁矩)物性分布。由于岩石的磁化环境(指岩石被磁化时的外部磁场及其随时间的变化)、磁性载体及其经历的地质作用与构造演化存在差异,岩石圈磁场携带着岩石矿物成分、岩石结构、温度与压力状态、深部岩石变质作用及其经历的构造运动与演化过程等地质构造与地球动力学信息。随着地面磁测、船载磁测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地球甚至月球与火星的区域与全球磁场观测数据,而且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。一方面,可以避免传统的平面坐标投影工作与引入新的误差；另一方面,可以更好地保持观测场与场源的空间原位对应关系。尤其是,相对于地面、海洋与航空磁测而言,卫星磁测具有全球高覆盖性、观测数据处理的统一性以及区域数据精度与分辨率的一致性等突出特点,而且卫星磁测数据主要包含中、长波长岩石圈磁场成分,压制了人类生活、局部环境与浅部地质体的干扰,可以更好地用于研究区域与全球大地构造、地壳深部与上地幔顶部的磁性分布格架与岩石圈热状态等。因此,论文尝试在球坐标系之中进行岩石圈卫星磁异常数据的处理、正演与三维反演方法研究,以模型试验为手段分析方法的影响因素与有效性,再应用于岩石圈磁场模型数据(如GRIMM_L120v0.0),初步建立了中国及其邻区岩石圈区域异常磁化率三维分布模型,进而为中国及其邻区的区域大地构造与岩石圈动力学等科学问题与中国“深部探测技术与实验研究专项”(SinoProbe)计划提供了岩石圈区域磁性分布方面的资料与依据。此外,本文构建的方法可以为月球与火星等星体的岩石圈磁场解释提供方法参考,也可以为SWARM地磁测量卫星计划与我国未来磁测卫星计划之中关于岩石圈科学目标的实现提供参考资料与知识积累。论文研究内容与主要成果包括：(1)基于球坐标系的岩石圈磁异常信号增强方法由于位场本质上的叠加性与岩石倾斜磁化的影响,岩石圈磁异常与场源的水平位置对应关系并不明显。论文采用数据转换处理方法(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,而低高度面上的转换信号幅值突显磁异常的线性信号,往往对应不同地质体的边界、断裂带、岩浆脉等构造。采用岩石圈磁场模型数据,获得了中国及其邻区岩石圈区域磁异常转换的增强信号分布。其中,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,使得在极区进行岩石圈磁异常转换处理成为可能。此类转换与增强信号分析旨在为后续三维反演所得模型的可靠性水平分布提供辅助依据。(2)基于球坐标系的球面棱柱体的磁位、磁场及其梯度场正演方法正演是反演与解释推断的基础。论文给出了基于泰勒级数展开、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)逼近三种基于球坐标系的空间域正演方法,并且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。(3)基于球坐标系的岩石圈三维磁化率成像反演方法将重、磁勘探之中发展较为成熟的三维成像反演方法由直角坐标系扩展至球坐标系。较为全面地讨论了球坐标系统之中磁异常的三维反演问题,尤其是关键的模型剖分、正演方法、模型目标函数(包括径向加权函数)等问题。通过系列模型试验,讨论了影响反演结果的各种影响因素。进而讨论了中大尺度磁异常反演的特殊性,针对性地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。在反演方法的实用性与适用性方面,构建的三维磁化率成像反演方法可以采用不同的数据类型(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)中国及其邻区岩石圈区域三维异常磁化率分布采用最新的岩石圈磁场模型GRIMML120v0.0,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分布。整体分布特征表现为：华北克拉通、塔里木盆地、准噶尔盆地、松辽盆地、柴达木盆地、四川盆地以及我国东南沿海的岩石圈存在较高的异常磁化率分布,而华南褶皱带、黄海与苏北盆地、青藏高原、南北地震带、天山造山带、秦岭-大别造山带等地区的岩石圈呈现较低的异常磁化率分布。此分布与岩石圈磁异常增强信号分布较为一致。(5)岩石圈区域磁性分布的影响因素分析岩石圈区域磁性分布主要反映构造单元整体性的与深部的磁性特征,而与地表零星出露的变质岩、火成岩与矿床分布之间的关系较弱；岩石圈密度、纵波与横波速度与磁性表现为正相关但关系较弱；下地壳与总地壳厚度与径向积成异常磁性分布在中国地区不存在普遍的正相关性,如在青藏高原地区,其较厚的下地壳与地壳却对应较低的径向积成异常磁化率分布；岩石圈区域磁性分布与地表大地热流、岩石圈上地幔横波速度、岩石圈温度呈现较显著的反相关；岩石圈区域磁性底界面与壳幔界面在中国地区存在较大差异；岩石圈区域磁性底界面的深度与温度分布呈反相关,但并不是一个等温面；岩石圈区域磁性与岩石圈内部形变、岩石圈有效弹性厚度(Te)具有较好的一致性,即高磁性区对应高Te值且其内部形变量小；地震主要发生于岩石圈区域低磁性区与磁性突变带,两种分布特征可能预示着两种地震发生机制,如青藏高原、天山-贝加尔地区、帕米尔高原等地区属于前者,而龙门山造山带、中华北克拉通南部等地区属于后者,大部分火山均位于磁性突变带区域,并且岩石圈区域低磁性分布较好地描述了南北地震带的位置及其三分段特征；岩石圈区域磁性分布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。总之,岩石圈区域磁性分布与岩石圈温度分布表现为较显著的反相关性。(6)岩石圈区域磁性分布与区域大地构造和岩石圈动力学岩石圈区域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,揭示中国大陆地区可能具有前寒武纪基底的古陆块包括：伊利盆地、准噶尔盆地、塔里木盆地、柴达木盆地与吐鲁番盆地、阿拉善地块、四川盆地、川滇断块、松辽盆地、华北克拉通、大别造山带核(杂岩)带、华夏古陆、云开地块、羌塘地块东北部两个高磁性区。而岩石圈低磁性分布区域可以揭示其岩石圈的高温特征,如低磁性的青藏高原、略显低磁性的华北克拉通、除高磁性的四川盆地之外的扬子准克拉通地区,分析认为此类大面积的岩石圈低磁性可能均由上地幔对流从而造成岩石圈等温面上移所致,而对于恒河平原地区的岩石圈低磁性,推测印度板块在向青藏高原下部俯冲时,不仅其前方的青藏高原下部岩石圈上地幔之中存在局部对流,而且在其后方的印度板块下部岩石圈上地幔之中也可能存在局部对流。塔里木盆地地区岩石圈磁性分布呈现一个整体较高的块状,大致沿北纬40。分为北部低磁性单元与南部高磁性单元,南部单元的西南部为高磁性块状而其西北部为一个逐渐变窄的较高的磁性条带。整个东北地区呈现大面积的高磁性分布,与地震活动较少与地表形变场较弱的特征对应。三维反演的岩石圈磁性在松辽盆地呈现周边磁性高于中心的环块状,最高磁性区分布于兴安地块,呈北东-南西走向,这与该地区的构造走向一致。若松辽微大陆确实存在,则可以推断该微大陆在西北侧兴安地块区较厚、东南侧松嫩地块区较薄、最薄处位于松辽盆地中央地区、整体走向为北东-南西向。相比于塔里木克拉通与印度克拉通,华北克拉通整体的岩石圈磁性低很多,说明华北克拉通岩石圈发生了退磁作用,即华北克拉通遭受到了破坏与改造；华北克拉通内部显示的8个高磁性单元可能为太古宙的古老陆核经过陆壳增生形成的微陆块,其中中部华北克拉通的高磁性单元西侧具有向东南倾斜的特征,这与地震分布一致；在华北克拉通内部,区域磁性分布与构造走向一致且东低西高,尤其是郯庐断裂带以东为大面积低磁性区而西侧为高低磁性相间的分布特征,这预示着克拉通破坏主要发生于东部尤其是太行山以东地区；在黄海与40(?)以南的朝鲜半岛地区,岩石圈区域磁性均显示为与下扬子地块相似的大面积低磁性分布特征,以40。北纬线附近为界朝鲜半岛北部呈现较高磁性与南部的低磁性相区别,这预示着相比中朝板块,黄海与40(?)以南的朝鲜半岛地区的岩石圈可能与下扬子岩石圈的性质更加接近。青藏高原整体呈现大面积低磁性,与频发的地震分布吻合,说明青藏高原岩石圈整体温度较高且活动性强；青藏高原中南部存在近南北向的磁性分布,结合基于岩石圈剩余重力异常的构造走向分区,共同揭示印度板块与青藏高原的碰撞具有时空不均一性；高岩石圈磁性的“喜马拉雅东构造结”与四川盆地夹持一个向南逐渐变宽的低磁磁性条带,推测该条带地区岩石圈温度较高,可能是青藏高原遭受印度板块挤压从而下地壳低粘滞性物质流动通道的反映,而且磁性分布与岩石圈温度分布均显示该弱磁性带受较高磁性与较低温度的印支地块阻挡、在20(?)-25(?)区域分为西南与东南方向两支。此外,三维反演结果显示刚性的四川盆地具有向东南倾斜的特征,这与有效弹性厚度分布与地震分布等较一致,且三维磁性分布显示四川盆地西侧上部呈现高磁性而下部呈现低磁性,这揭示可能受下地壳流的作用、其西侧正在发生热改造或者整个四川盆地不仅具有逆时针旋转特征而且很可能具有绕西侧的向下旋转特征。在印度半岛,岩石圈区域磁性分布与大地构造单元对应非常一致,且三维异常磁化率分布显示印度大陆东部的海洋岩石圈呈现负异常磁化率与呈现正异常磁化率的印度大陆岩石圈相接,而印度大陆在北纬14。附近向西延伸至海洋,大陆两边的海洋岩石圈均倾斜插入印度大陆下方,印度大陆岩石圈呈上宽、下窄的倒立三角形几何特征；三维反演的岩石圈区域异常磁化率分布显示85。E洋中脊呈现正立三角形几何特征,为岩石圈磁性分界,其东侧为高磁性、西侧为低磁性,且两者相对于该洋中脊分别向两边倾斜。
【作者】杜劲松；
【导师】陈超；
【作者基本信息】中国地质大学，地球物理学，2014，博士
【关键词】球坐标系；岩石圈；磁异常；数据处理；正演；三维反演；华北克拉通；青藏高原；磁性结构；磁化率成像；中国及其邻区；CHAMP卫星；

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