大地电磁(MT)作为一种重要的地球物理方法,广泛应用于地球深部探测、资源勘探、工程环境勘探和灾害预测等方面。由于反演理论和计算机能力所限,早期MT勘探或科研数据均使用一维或二维反演技术来试图恢复地下真实电阻率分布,但大量的模型算例和解释资料验证成果表明,这种降维近似解释方案在复杂地形、地质条件下很难得到准确的结果,无法准确反应复杂的地下结构真实性。由于地球的起伏地形、复杂的构造变形作用、深部物质的侵入和火山活动等原因,真实的勘探场景大部分都应该是一个三维地电介质模型,因此,与之相符合的,三维电磁观测与正反演研究一直是电磁界的重要研究热点。如此同时,三维反演在构造复杂区的应用也就成为电性结构研究应用的发展方向。2010年4月14日在我国青海玉树藏族自治州发生了Ms7.1级地震,震中位于33.2°N,96.6°E,震源深度约为14km,地震造成了极大的人员伤亡和财产损失。玉树地震发生在巴颜喀拉地块和羌塘地块的分界断裂,走向呈北西西-北西的甘孜-玉树断裂带上,以左旋走滑为主,总长约为500km,该断裂带上地震频发,地震活动性较强。对于玉树地震区的电性结构研究较少,而其独特的地表分段破裂特征(主震震中上方存在破裂空区)、余震的时空分布(分为前、后两个不同的阶段,两个阶段的震源机制解和发震断层不一样)以及甘孜-玉树断裂南北相邻地块差异运动的深部动力学背景仍不清楚,等等,通过玉树震区三维MT电性结构的研究可为这些问题提供一定的解释依据,为青藏高原边界及内部缝合带上地震孕育环境和地震成因机制提供可能的电性结构特征。本论文的研究内容和成果概述如下:1.二维反演与测区数据再分析在测区已有部分测线二维反演研究成果的基础上,对所有数据进行了相位张量分解及磁感应矢量方面的分析,表明玉树研究区的MT测点数据在高频表现为二维甚至一维的结构特性,但从中频开始,二维偏离度在增大,尤其是震中附近的测点;实磁感应矢量所指的方向也较杂乱,表明该频率对应深度以下研究区的三维性强;同时,三维反演可充分合理的使用所有数据,加强了数据的约束能力,因此,分析认为研究区宜使用三维反演来做解释。2.三维反演算法的选择与验证鉴于测区地形复杂,高差大,测点分布极不均匀,在对数据进行三维反演之前,分两步对比了NLCG反演程序Mod EM和三维AR-QN反演程序Geolex进行模型合成数据的恢复能力对比。首先,对均匀规则稀疏测点的简单模型响应合成数据,通过增加不同强度的噪音,对比试验表明,Geolex程序相对于Mod EM程序初始模型和噪声水平依赖性均较弱,反演中没有出现因测点稀疏造成的大量冗余构造,反演更加稳定;其次,对测点更加稀疏的“井”字型测线的复杂模型测试了Geolex程序拟合不同大地电磁响应参数组合下反演结果的异同,实验表明Geolex程序更适合研究区这种测点稀疏、构造复杂而无法正确合理选择初始模型的大地电磁数据集的三维反演。并且,通过细致分析验证的结果和我们实测数据中的不同响应函数,选择使用副对角阻抗(Z2)反演得到光滑的低RMS水平的模型作为最终副对角+倾子(Z2T2)反演的初始模型,得到最终可靠的分辨率较高的电阻率解释模型。3.实测数据的带地形三维反演和电性异常体的验证首先对实测数据进行带地形的Z2反演,以此结果作为初始模型,反演时加入倾子数据做带地形的Z2T2反演,这样的反演结果在保证有更多约束的前提下,提高了模型的分辨率。对比二、三维结果中高、低阻的空间对应关系,研究区划分了四个与孕震和破裂相关的电性异常区(R1/R2/RS/C1),通过半定量的正演验证表明,高阻异常体R1和R2真实存在,而在现有测线不能覆盖的情况下,不能排除Rs存在的可能性;对高导异常(C1)的验证确认了北羌塘地块壳内高导层的存在,且其底界不高于海拔-30km。4.研究区壳内高导层成因分析基于三维反演得到的电性结构模型,参考岩石电导率实验结果,分析了不同类型的两相模型电导率在不同比例的含水(流体)或熔融条件下,用不同类型的两相模型来解释体电导率所得到的结果会有不同。参考研究区地下等温线分布结果,同时利用不同岩石在实验室得到的电导与岩石组分电导率的经验公式,计算了玉树反演得到的电阻率模型可能的含水或熔融情况,结果表明玉树地区上地壳的电导异常可能为含水所致,而中下地壳则可能会发生部分熔融。5.余震的时空分布和同震地表破裂特征玉树地震的余震以2010年5月29日第二大Ms5.9级地震为界分两个阶段,第一阶段余震主要沿甘孜-玉树断裂分布,第二阶段余震则往南偏离甘孜-玉树断裂,与第一阶段余震呈现共轭的关系,两个阶段地震的震源机制解也不相同。对比电性结构特征,推测存在一条与甘孜-玉树断裂相交的隐伏断裂,其走向可能延伸至与杂孕-楚玛尔河断裂垂直的一条未知断裂相交。主震中附近未见明显破裂,出现破裂空区,从沿甘孜-玉树断裂带的纵向电阻率模型上看,主要原因在于主震附近的地表存在近5km的相对低阻软弱层,同时震源深度较大,该软弱层在一定程度上减缓了地震破裂从震中往地表扩展,而由于破裂的方向性效应,破裂在震中东南穿透地表后,沿地表继续往东南方向扩展,直至应力减小到不足以产生破裂或遇到强度较大的高阻体而终止。6.孕震环境解释在电性结构上,以甘孜-玉树断裂带为界,其南侧北羌塘地块在上地壳底部以下表现为明显的高导特性,而北侧则为强度较大的高阻体,这种构造与GPS显示的北羌塘地块和巴颜喀拉地块之间“南快北慢”特征一致,震源所处的高阻特性和Pg波也一致。从沿发震断层的垂向剖面可见玉树地震的主震和最大余震处在两处可定义为凹凸体的高阻体内,推测玉树地震的发生是青藏高原壳内物质在沿北羌塘内管道层向东挤出的过程中,作为该管道层北边界,左旋走滑的甘孜-玉树断裂下的凹凸体在应力超过其能承受的临界值时发生破裂,产生地震。主震西北的第二大余震及相关地震表现出与主震不同的震源机制解,推测可能是该处存在北西向的共轭断裂,在主震发生一段时间后,其局部应力积累超过所能承受的最大值,引发Ms5.9级余震及呈现北西走向的余震集群。